数据链驱动的舰艇编队作战仿真环境构设技术研究

向 哲，姜海龙

数据链驱动的舰艇编队作战仿真环境构设技术研究

向 哲1，姜海龙2

（1 中国人民解放军92941部队，葫芦岛 125001；2 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

以数据链组网驱动条件下水面舰艇编队完成对空对海作战任务为背景，综合利用虚拟兵力行为建模、预警机雷达回波信号模拟、数据链信号实时注入、虚实兵力数据链组网和时空一致性控制等关键技术，构建高强度、低成本的信号级虚实合成作战仿真环境，实现了多艘舰艇实装、预警机模拟器的实时组网控制，在全要素、全流程的环境下，激励水面舰艇编队遂行对空防御和对海打击任务。结果表明，利用数据链驱动开展的水面舰艇编队实战化训练，受地域和空域等因素影响较小，动用实际兵力资源少、成本较低，灵活性更强、重复性更高、训练次数大幅增加，为优化舰艇基本作战流程，验证装备操作使用方法提供了重要的平台支撑。

舰艇编队；数据链驱动；数据链组网；回波信号；行为建模

0 引言

近年来，随着先进科技手段的持续衍化和不断发展，越来越多的新技术、新方法在武器装备研制领域得到成功应用，特别是强敌远程精确打击武器智能化水平的进一步提升，隐身性和机动性都得到显著增强，对舰艇编队构成了巨大威胁，舰艇编队只有依靠预警探测系统提供的多源态势融合信息，才能完成既定作战任务。然而，受自然环境、兵力调度等因素限制，动用实际兵力配合开展训练，不仅协调难度和成本均较大，训练场景的灵活性、训练态势的重复性和训练数量的充分性都无法得到保证，难以满足舰艇编队开展高强度、常态化训练的需求；依靠嵌入式仿真系统开展训练，模式固化、对抗性不强、场景构设简单，难以构建体系支撑条件下的训练环境[1]。为解决上述问题，本文提出采用数据链驱动的水面舰艇编队实战化训练方法，利用数据链设备将虚拟的预警机兵力资源与真实的舰艇编队进行组网，根据作战对手进攻样式、装备特性等因素，制定态势场景，综合使用内场产生的虚拟目标、真实的无人机编队目标，在全要素、全流程条件下开展舰艇编队作战仿真训练任务，摸清舰艇编队体系作战条件下装备操作使用的薄弱环节，有效提升编队作战能力。

1 构建水面舰艇作战仿真环境的关键技术

1.1 虚拟兵力行为建模技术

虚拟兵力，也称为计算机生成兵力，是指在虚拟战场环境中由计算机生成和控制，具有一定自治性智能行为的实体，这些实体能自主地对虚拟战场环境中的事件和状态做出反应，并采取相应的动作去完成制定任务[2]。虚拟兵力与人在回路的仿真实体相对应，但在战场表现、物理行为甚至战术对抗中的某些智能方面接近于人在回路的仿真器，因此虚拟兵力的一个关键特征是它的自主决策性。在虚拟兵力实体模型中必须用计算机程序来模拟人的行为，因此对人类行为进行建模就成为虚拟兵力中的一个关键问题。利用Agent技术实现虚拟兵力行为的模拟时，首先需要为虚拟兵力提供一个合理的框架结构，如图1所示；每个实体就是一个Agent，多个实体的协同用多Agent技术解决。典型的框架由五个部分组成：感知、工作存储器、认知、机动行为和长期存储器。基于Agent的行为建模主要是对其认知处理部分进行建模，通过人类行为建模框架的裁剪将获得三种基于Agent的实体模型：一是反应式Agent实体模型结构，仅包括感知和机动行为模块；二是基于逻辑的Agent实体模型结构，仅具有有限的长期存储器和认知功能；三是信念—愿望—意图Agent实体模型结构，包含人类行为建模的全部功能。然后，需要进行战场态势感知、决策、规划、记忆与学习。战场态势感知是指在一定的时间和空间中对战场环境中各元素的感知、对其含义的理解和对下一时刻状态的预测；决策是指从一组相互冲突的行动中选择一个执行，虚拟兵力中使用的决策方法非常广泛，从简单的决策表到复杂的对策理论都可以应用到虚拟兵力决策中去；规划是指为了完成某一任务，利用现有的信息制定一系列的行动方案的过程；记忆是知识存储的方式；学习是指主体通过与环境的交互作用来获取新知识的过程，目前使用的虚拟兵力具备一定的深度学习能力；最后是多主体系统的协调与协作，采用合同网、协作规划、部分全局规划、基于约束传播的规划、基于生态学的协作、基于对策论的协商等方法[3]。

图1 虚拟兵力行为模型框架

1.2 预警机雷达回波信号模拟技术

预警机雷达回波信号探测过程为：预警机飞行过程中，利用机载雷达发射电磁波后，实时接收目标反射回波，通过对目标回波进行检测，提取目标相关信息，通过数据链传输至水面舰艇，为其提供目指信息激励。预警机雷达回波信号的模拟，即模拟预警机雷达接收到的目标反射回波。由于目标外形结构通常比较复杂，目标回波一般是多个方向的，只有进入到预警机雷达探测区域内才能被雷达侦测到，因此在进行雷达回波信号模拟之前，首先要根据预警机与目标间的相对位置、角度，对回波信号进行筛选，剔除没有进入到预警机雷达视场中的目标回波，从而保证仿真计算的效率[4]。设预警机雷达发射信号复矢量表示为：

将目标等效为点目标，预警机雷达回波信号可看作是发射信号在时间上的延迟[6]。假设仿真过程中忽略目标相对运动对包络引起的变换，仅考虑目标速度引起的多普勒频移，则目标回波信号表示为：

1.3 数据链信号实时注入技术

外场实装环境中，数据链信号利用平台天线转化为电磁波进行空间传输；全模拟环境中，平台间的信息流转通常通过以太网进行。但目前这两种应用场景，体现出实装平台不易与模拟系统交联的现状。针对此技术点，在作战仿真环境下，数据链信号采用同轴线缆路馈的方式通过信号注入设备实时传输至实装设备，实现了模拟系统与实装设备的信号传输，方便各实装设备馈口的接入，具备较强的灵活性和可扩展性。

图2 数据链信号注入流程

预警机平台模拟指控系统产生目标信息，将其下发至模拟处理软件，软件依据提前加载的网络初始化参数文件，在规定的时刻将目标信息广播至信号注入设备，设备通过同轴线缆馈线将信号实时传输至舰艇装备。同时，水面舰艇产生的数据链信息，通过与实装天线馈口连接的同轴线缆，将信号传输至信号注入设备，再由注入设备发送至预警机模拟系统。此上下行完成消息的流转收发。

1.4 虚实兵力数据链组网和时空一致性控制技术

虚实兵力数据链组网系统主要由舰载数据链设备、各型预警机模拟器、其他平台模拟器、各节点对应的通导交换机和总通导计算机组成。当组网工作时，不同平台实装设备或模拟器经过通导交换机连接，设备间连接关系如图3所示。该数据链模拟系统以路馈的形式进行组网，通信采用以太网有线连接，替代传统的数据链空馈式通信。

设备组网工作时，首先根据训练任务需求完成网络初始化参数文件设计，生成的文件加载到舰艇实装设备和各平台数据链模拟器中。通过舰艇管理单元和数据链模拟器设置工作参数，各平台根据网络设计参数组网工作。设备正常组网工作后，当舰艇实装设备收到指控发送的消息，通过匹配的通导交换机发送给总通导计算机，再通过该计算机转发给其它平台；当某平台通导交换机接收到来自总通导计算机的消息后，对消息接收编识号进行判断，若是发给自身平台，则传输该消息至实装设备或模拟器处理，完成组网消息流转。

为保证各型舰艇、无人机、虚拟的预警机能够在统一的时间和空间环境中开展联合作战任务，需要采用时空一致性控制技术，维持虚实兵力在态势上和逻辑上的一致性[8]。维持虚实兵力时间一致性的解决方案是采用统一的授时设备和基于多中心的时间同步控制方案，设计时戳校正算法和前瞻量算法，保证各类实体在时间上的一致性；维持虚实兵力空间一致性的解决方案是采用高阶实体空间位置推算模型和姿态四元数航位推算（Dead Reckoning，DR）模型，削减由于网络延时带来的空间位置误差，实现大网络时延条件下实体空间一致性控制[9]。

图3 虚实兵力数据链组网系统组成框图

2 数据链驱动的舰艇编队虚实合成仿真系统设计

2.1 系统设计思路

系统参照DIS/HLA/TENA体系结构，运用跨地域资源分散的、共享内存/反射内存相结合的数据交互机制，构建数据链驱动的舰艇编队虚实合成仿真系统[10]。系统综合利用仿真代理、资源封装等关键技术，将真实目标数据和虚拟目标数据通过数据链模拟注入设备送至水面舰艇，构建以信号级仿真为基础的模拟战场环境，生成统一态势的复杂威胁环境要素，在安全与可控的工程环境下激励水面舰艇完成作战仿真任务。

2.2 系统组成与功能

系统是由多个系统、设施构成的复杂系统，本质上也是个体系，体系中各要素按照资源类型可以划分为三类：实物（Live）、虚拟（Virtual）、构造（Constructive），简称LVC。系统采用实兵在线和舰载装备在线的“虚拟打靶/仿真交战”形式模拟作战过程，通过在相同的场景中多次重复开展训练，获取装备实操数据、状态数据和仿真对抗结果数据，对水面舰艇编队对空对海作战训练效果进行综合评估。系统由水面舰艇编队、无人机编队、数据链信号注入设备、预警机平台模拟系统、预警机雷达回波信号生成设备、虚拟兵力模拟系统、联合仿真任务支撑平台、接口设备、交战模拟系统和目标环境RCS数据库等组成。其中，实物资源包括：水面舰艇编队、无人机编队；虚拟资源包括：预警机平台模拟系统、预警机雷达回波信号生成设备、各类接口设备；构造资源包括：虚拟兵力模拟系统、交战模拟系统。舰艇编队虚实合成仿真系统组成结构如图4所示。

其中，联合仿真任务支撑平台负责作战任务规划、想定编辑、作战过程导调控制和作战结果实时裁决等功能；虚拟兵力模拟系统能够根据作战想定，模拟生成具备自主对抗行为的舰艇、导弹、飞机类目标；预警机雷达回波信号生成设备能够接收目标RCS数据库提供的目标散射特性数据、虚拟兵力模拟系统提供的目标运动特性数据，以及预警机平台模拟系统产生的预警机导航数据和控制指令，生成预警机雷达搜索视场范围内的目标回波，并发送至预警机平台模拟系统；预警机平台模拟系统由导航系统、指控系统和雷达系统组成，其中导航系统能够模拟产生预警机平台速度、姿态、位置信息，指控系统能够对接收到的真实目标和虚拟目标信息进行融合后形成目指并下发至数据链信号注入设备，雷达系统能够对接收到的雷达回波信号进行处理，从干扰环境背景中提取目标信息；数据链信号注入设备能够将预警机平台模拟系统产生的目指信息，通过路馈的形式注入到实装舰艇中，同时实现艘实装舰艇与预警机平台模拟系统的组网控制；交战模拟系统负责完成虚拟武器与目标间的仿真交战，得出交战结果；接口设备用于实现各类资源与联合仿真任务支撑平台间信息的双向交互；目标环境RCS数据库用于向回波信号生成设备提供典型目标和环境的全向RCS数据。

图4 舰艇编队虚实合成仿真系统组成结构图

2.3 体系结构

按照系统分层思想，舰艇编队虚实合成仿真系统是一个地域分布的、异构资源互联的开放式层次化结构。其中，本地资源整合主要通过由光纤网、以太网、同轴线缆等构建的共享内存交互层、以太网交互层以及本地信号级专用线缆传输层；跨地域资源整合主要利用专用网络，采用接口设备将分布在不同地域的系统和设施级联成更为复杂的联合仿真系统。联合仿真任务支撑平台通过接口设备与各异构系统互联在一起，构成一个大规模、多个参与者互操作的虚实合成仿真环境。当水面舰艇编队中各舰艇处于系泊状态时，除无人机编队信息通过无线信道下传至地面外，各类LVC实体间通过有线的以太网、反射内存网、同轴线缆等方式进行数据传输；开展训练时，将预警机平台模拟系统、预警机雷达回波信号生成设备、虚拟兵力模拟系统、联合仿真任务支撑平台、交战模拟系统、目标环境RCS数据库放置于同一艘舰艇平台上，无人机编队信息的传输、预警机平台模拟系统与其他水面舰艇数据链信号注入设备间的数据传输等通过加密的无线通信信道实现。舰艇编队航行状态下系统网络视图如图5所示。

图5 舰艇编队航行状态下系统网络视图

2.4 工程应用案例

在某次舰艇编队防御训练任务中，利用数据链信号注入设备将各水面舰艇、预警机模拟器进行组网，构建了高强度、高密度威胁目标态势环境。其中，真实目标信息由无人机编队产生，虚拟目标信息由虚拟兵力模拟系统产生，利用预警机雷达回波信号生成设备合成虚实目标回波，注入到预警机平台模拟系统中，通过数据链信号注入设备，激励编队中各型舰艇在统一的态势环境下开展仿真交战，实时获取打击效果。训练中，数据链信号注入设备模拟了数据链通信链路受到干扰、传输目标信息质量变差的态势场景，促使参训人员分析查找原因，优化操作流程，并通过在同一场景下反复多次开展训练，验证了全新操作流程的合理性和可行性，问题得到有效解决。

3 结束语

工程应用结果表明，采用数据链驱动开展舰艇编队作战仿真训练，受地域和空域等因素影响较小，动用实际兵力资源少、成本较低、灵活性更强、重复性更高、训练次数大幅增加，为优化舰艇基本作战流程，验证装备操作使用方法提供了重要的平台支撑。

[1] 王苗，陈健，饶世钧．水面舰艇编队海上训练信息系统需求分析[J]．科技视界，2019，18：39-40.

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Research on Technology of Constructing Simulation Environment for Ship Formation Driven by Data Link

XIANG Zhe, JIANG Hailong

Taking the surface ship formation to complete air-to-sea combat missions under the conditions of data link networking as the background, comprehensively using vitual force behavior modeling, early warning aircraft radar echo signal simulation, data link signal real-time injection, vitual and actual force data link networking and key technologies such as spatio-temporal consistency control, build a high-strength, low-cost signal-level vitual-real synthesis combat simulation environment, and realize the real-time networking control of multiple ships and AWACS simulators. In a full-element, full-process environment, encourage formations of surface ships to perform air defense and sea strike missions. The results show that the actual combat training of surface ship formations driven by the data link is less affected by factors such as geographical and airspace. The actual force resources are less, the cost is lower, the flexibility is stronger, the repetitiveness is higher, and the number of training is greatly increased. It provides important platform support for optimizing the basic operational procedures of ships and verifying the operation and use of equipment.

Fleet; Data Link Drive; Data Link Networking; Echo Signal; Behavior Modeling

E91

A

1674-7976-(2022)-04-297-06

2022-06-06。

向哲（1983.12—），吉林白城人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为作战仿真。