基于HLA反潜战术训练仿真系统设计*

陈遵银，孙明太，李居伟

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041）

基于HLA反潜战术训练仿真系统设计*

陈遵银，孙明太，李居伟

（海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041）

针对直升机反潜训练效率低的问题，提出了基于HLA的反潜战术训练仿真系统设计。系统运用反潜作战仿真建模方法，以VC++7.0为软件设计工具，基于HLA对反潜战术课目训练进行仿真，着重从台位设计、体系结构和技术实现等方面进行一定的研究。实践证明，系统设计合理，运行稳定，模拟效果逼真，能够满足反潜部队战术训练需要。

航空反潜，战术训练，HLA，VisualC++，系统仿真

引言

航空反潜与其他反潜方式相比，具有速度快、效率高和受潜艇威胁小等特点，多年来一直受到世界各国的高度重视，海军强国投入了大量的人力、物力来提高航空反潜作战能力。因反潜作战受海区环境、目标信息、反潜装备和人员素质等多种因素影响，其作战效果受到一定限制，加之潜艇目标的隐蔽性不断增强，海区环境复杂多变，增加了作战指挥决策的要求。缺乏反潜理论知识和高效反潜训练手段，要想在未来复杂的战场环境下取得反潜作战的胜利极为困难。反观国外的航空反潜人员除经过正规严格的院校教育训练外，也要在海上进行长时间的反潜训练（演习等），为了提高海上反潜训练的效率，在岸上也配有成套的反潜战术训练系统，用于反潜人员的日常训练和战法演练等［1］。为了提高某型直升机反潜战术训练水平，研制开发一套岸上反潜战术训练系统显得尤为必要。

1 系统结构

1.1 系统布局

反潜战术训练系统配置简单、易于维护，适合部署在作战部队或机关（指挥所）。系统由导演台、战术指挥长操作台（以下简称一领台）和设备操作台（以下简称二领台）3种台位组成，通过以太网构成C/S结构系统。导演台是唯一的，一领台和二领台根据训练需要可配置1个～6个机组的，如图1所示。导演台设置任务，各机组协同配合，能够完成反潜模拟训练任务。

图1 系统配置图

1.2 系统台位设计

该系统由导演台进行协调和控制，实现反潜过程的模拟。台位功能模块组成如图2所示。

图2 系统台位功能模块组成框图

1.2.1 导演台

导演台负责完成作战想定与仿真控制、潜艇目标操控、训练记录回放等功能。在后台运行的兵力行为模型支持模块负责进行反潜过程态势的计算与控制。

（1）作战想定与仿真控制模块

设定训练海区位置及形状，设定水文条件或调用海洋环境数据库有关数据并发布数据，设定直升机初始位置、携带的搜潜设备和攻潜武器。以电子海图的形式显示反潜作战过程的战术态势，同时显示潜艇目标和直升机的运动情况。显示机组搜攻潜过程以及搜潜和攻潜结果，可根据训练任务的需要，随时启动、暂停、加速或停止反潜训练过程。具体功能包括：情况的图形想定编辑，作战方案的决心编辑，自然环境设定；作战仿真进程控制，监视联邦成员情况，控制仿真进程；自定义、打开、保存想定；情况想定编辑；兵力标注；作战过程态势显示；仿真进程控制；兵力添加、修改，武器装备配置；阵地（包括空域）设计。

（2）潜艇目标操控模块

设定潜艇目标信息（类型、目标特性、航向、航速、深度和机动规避方式），在仿真过程中可以随时改变其运动状态。功能包括：潜艇的机动控制（包括变向、变速、变深）；显示当前时刻潜艇感知的位置、航向、航速、航深；在综合显示区实时显示可疑声信号以及鱼雷的告警、目标舷角和距离信息。

（3）训练过程记录与回放模块

反潜过程主要操作信息和状态数据的记录、回放和态势显示，对记录的数据进行筛选和分析，为反潜效果的评估提供科学的依据。功能包括：反潜训练过程记录数据的读取、暂存和存储；过程回放数据的实时读取和重现；数据库进行分类、备份、库文件操作；导演台战术态势、反潜直升机战术动作的复现以及统计分析各参演反潜直升机使用不同搜潜装备定位潜艇的信息。

（4）兵力行为支持模块

反潜战术训练系统的运行涉及诸多兵力行为的支持，主要靠仿真模型来实现，模型包括海洋水声环境计算和目标仿真、吊放声纳搜潜仿真、声纳浮标搜潜仿真、磁探仪搜潜仿真、攻潜武器仿真等模型。

1.2.2 一领台

一领台由战术指挥长操控，负责空中领航和反潜战术活动，组织协调机组各成员战术动作，掌握敌我战术态势，熟练运用反潜方法，及时调整反潜方案，使用浮标、标志弹和反潜武器。

（1）战术指挥长操控模块

操控多架直升机的飞行状态，包括高度、速度和航向，一个操作台可控制仿真中的任意一架直升机，但同时只能控制一架；显示所操控直升机的飞行状态，包括高度、速度、航向、武器和装备等，控制所操控直升机的武备投放，模拟雷达显示屏二次信息的显示。

（2）动态战术标图模块

一领台提供了动态战术标图功能，用以替代战术指挥长的纸上手工标图，既可以实现快速、准确、规范的标图，又能够方便地进行结果的保存及打印。采用双显示器配置，一个显示设备控制功能面板和机上战术显示器信息，另一个显示动态战术标图的界面。包括：依据经纬度标绘图标，如直升机的吊点、潜艇和浮标位置等，并能设定标图时间。控制经纬度范围，包括放大、缩小和拖动绘图区。显示本机位置，并将本机位置设为标图表中心。显示友机信息、操作员姓名、气象信息等；将标图表保存为图片格式（.bmp）。

1.2.3 二领台

二领台由设备操作员操控，其任务是理解并执行战术指挥长战术方案，负责使用吊放声纳、浮标系统搜索和跟踪潜艇。用于直升机搜潜设备的搜潜功能、搜潜过程和搜潜战术训练，并为一领台提供目标信息，供战术指挥长进行下一步的战术决策。

（1）海洋环境与目标特性模拟模块

根据具体的海洋环境、声纳设备和潜艇目标参数计算出一定范围内的二维声场，用于计算声纳回波信号的强度。

（2）搜潜设备操控模块

吊放声纳的功能模拟，即吊声水下分机的收放，声方位、回声定位、手动跟踪、自动搜索、自动跟踪、半自动跟踪6种工作方式，以及向战术指挥长子系统传送目标数据等。声纳浮标的功能模拟，即模拟声纳浮标的搜索、跟踪、测向等3种工作方式［2］。

1.3 系统的软件结构

系统采用HLA体系结构进行构建，通过RTI服务器将各功能模块以联邦成员的形式实现紧密耦合，系统联邦成员包括作战想定与仿真控制、兵力行为模型支持、仿真过程记录与回放，以及一领台、二领台和潜艇目标的操控等。其软件体系结构如图3所示。

图3 系统软件体系结构图

限于篇幅，本文以想定与仿真控制子系统联邦成员为例说明技术实现方法。在作战仿真初始阶段，以WeaponEquipDATA交互发布作战单元武器装备的性能数据，以Init交互发布作战方案计划，以InitOK交互的定购来获知其他联邦成员是否准备完毕。在作战仿真运行阶段，以SinToDateTime交互的发布进行仿真时间推进，以AllUnit对象的定购来获取仿真中作战单元状态，以TickOK交互的定购来获知其他联邦成员是否完成仿真推进；以Ruler-Control交互的定购来获得作战单元产生的控制命令，以NewAirSpace交互的定购来获得仿真中作战单元产生的空域，以ManInLoop交互的定购来获得人在回路的兵力控制情况。以Init交互实现兵力添加、修改、删除操作控制的发布。这些交互和对象如表1所示，程序体系结构如图4所示。

表1 想定与仿真控制联邦成员FOM定义

图4 作战想定与仿真程序体系结构图

2 关键技术

2.1 浅海声场计算

反潜训练的重点海域属于浅海环境。浅海海区的水文条件较为复杂多变，海况、水温、环境噪声等影响都比较大。利用实测水声数据精确地预报出浅海声速负梯度和负跃层两种典型的声速分布特征。采用高斯束射线模型BELLHOP对水下声场预先进行计算，采用均方声压（MSP）声纳方程，对影响声纳性能的各项参数进行计算，并对Bellhop模型计算结果进行修正［3］。仿真结果表明该模型能够较好地处理声线能量焦散和完全影区等问题，并且适用于距离相关条件和复杂三维环境下的声场计算。

2.2 潜艇目标特征仿真

潜艇目标特性是航空探潜设备的“信息源”。在反潜作战时，反潜人员可以利用这一特性进行搜索、跟踪和攻击。潜艇声学特性包括潜艇的辐射噪声声源级和反射强度。首先采用经验公式对等效平面波（EPWI）声纳方程体系下的潜艇声源级SL进行估算，然后计算均方声压（MSP）声纳方程体系下的潜艇目标声源slMSP。潜艇目标反射强度TS则采用海上实验的结果进行估计，进而计算MSP声纳方程体系下的潜艇目标强度tsMSP。

2.3 基于听觉掩蔽效应的信号增强

系统用于听测的吊声信号来源于部队实测的噪声样本，样本主要采用录音笔或者221系统录制，录制过程不可避免地带有各种干扰［4］。本系统提出基于听觉掩蔽效应的信号增强技术进行处理。首先将信号进行频谱分析，将线性频率转化为Bark域参数，构造Bark子波函数；进行信号的检测，估计背景干扰噪声；计算噪声掩蔽阈值T（ω），在T（ω）上应用时频减参数α，β；通过参量减法，将α，β代入，计算增强信号干扰频谱大小；进行Bark子波变换，实现信号恢复。

2.4 兵力生成

系统核心是仿真模型服务器，模型包括：武器装备仿真模型，对兵力单元实体和武器单元实体的运动、探测、要素解算、通信等建立物理模型；CGF行为决策仿真模型，区分人工操控和自动作战单元实体，对自动作战单元进行感知、态势分析与判断、决策生成和决策实施建立模型［5］；自然环境仿真模型，为武器装备的物理模型和行为决策模型仿真运行提供所需的自然环境模型。

2.5 HLA节点连接

反潜作战训练系统结构体系复杂，仿真实体多、行为交互频繁，仿真应用模型异构明显，系统仿真持续时间长，容错要求高。为了使各子系统能够实时协调仿真，并无缝加入更大体系的综合仿真网中去，系统采用基于高层体系结构HLA技术规范的分布式交互仿真结构。RTI是HLA仿真系统的核心，各联邦成员的数据交换和交互协调都是在RTI的控制下完成的。根据战术训练系统的特点和规模，底层通信网络将选择100 M交换式以太网，采用以交换机为中心的星型拓扑结构，这样既能满足数据交换的实时性，又有利于系统扩充。各仿真节点不仅可通过网络进行数据交换，还可以共享多种支撑软件和模型库、数据库、图形库等各种资源。

2.6 训练回放控制

训练过程记录会产生大量的数据流，只记录兵力状态改变关键点数据，可以减小数据处理压力，并满足实时写入数据库要求，但通过兵力行为支持模型驱动回放时，易造成回放延迟与数据误差。系统采用无损压缩技术提供了最完备的回放数据，并采用动态向量容器，有效地避免了信息堆积而产生冲突与覆盖，确保了记录数据完整性和准确性。回放时，能够再现训练过程全部信息，数据还原率达到100%。对记录下来的各种数据采用统一结构表加以管理，为数据回放、分类和对比提供有效手段。

3 结束语

该系统使用不受配合目标、飞机状态和海区条件等因素的影响，随时组织人员进行反潜训练，丰富了部队反潜训练的形式。系统具备完善的记录与回放功能，可以方便地进行训练后讲评和战术研究，也可为机关评估部队及人员的反潜能力提供一定的依据［5］。通过系统比较全面、真实的反潜训练，可有效加深受训人员对航空反潜复杂性的认识，培养指挥员沉着、冷静、敏锐的战术素养，提升部队的航空反潜能力。

［1］郭新奇，付霖宇，蒋志忠，等.机载声纳浮标作用距离建模与仿真［J］.电光与控制，2011，18（8）：23-27.

［2］孙明太.航空反潜战术［M］.北京：军事科学出版社，2003.

［3］孙明太.航空反潜导论［M］.南京：海军海空工程学院青岛分院，2010.

［4］杨日杰，何 友，孙明太.航空搜潜装备搜潜范围建模与仿真研究［J］.系统仿真学报，2003，15（11）：1547-1549.

［5］吴 芳，杨日杰，高青伟.主/被动联合多基地航空搜潜建模与仿真［J］.北京航空航天大学学报，2010，36（3）：319-323.

［6］匡贡献，谢志敏.海洋环境对吊放声纳作战使用影响研究［J］.海军航空工程学院学报，2010，25（1）：24-26.

［7］吴金荣，张建兰，马 力.主动声纳方程和传播损失及混响级的定义［J］.应用声学，2005，25（3）：167-170.

Design of Antisubmarine Tactics Training Emulation System Based on HLA

CHEN Zun-yin，SUN Ming-tai，LI Ju-wei
（Branch of Qingdao，Naval Aeronautical Engineering Academy，Qingdao 266041，China）

Aiming at the problem of a certain type helicopter antisubmarine train inefficient，the design of antisubmarine tactics train emulation system based on HLA has been given.The system is based on the method of antisubmarine Combat Emulation Modeling，with VC as software design tool，and puts great emphasis on studing from platform design，configuration，realization of technology from antisubmarine tactics subjects training emulation based on HLA.The practice has proved that the design of system is logical，circultor is steady the effect of simulation is vivid.The system can be satisfied with the needs of antisubmarine army tactics training.

avation antisubmarine，tactics train，HLA，VisualC++，emulation system

E917

A

1002-0640（2014）11-0153-04

2013-08-05

2013-10-07

航空科学基金资助项目（20115185003）

陈遵银（1965- ），男，江苏溧水人，硕士，副教授。研究方向：航空反潜火控、航空反潜作战效能评估。