无人机自主空战战术决策仿真系统设计与实现

唐上钦，谢 磊，王 渊，聂光戍，韩 统

空军工程大学 航空工程学院，西安 710038

在军事需求和技术发展的共同推动下，无人机的军事应用已逐渐从执行情报收集、监视、侦察等辅助作战任务向执行空对地打击和空对空作战任务发展。无人机空战将成为未来空战的新样式，而空战的复杂性要求无人机必须具备自主空战的能力[1-2]。自主空战战术决策技术是实现无人机自主空战的核心关键技术，它是指无人机根据空战过程中实时变化的战场态势信息，以获取有利的攻击或规避效果为目标，运用各种决策方法，自主完成针对机动、火力和信息为主的综合决策。自主空战战术决策的结果表现为各类空战战术机动动作，如文献[3]所建立的16 种典型战术动作，在决策结果背后是基于空战过程的多实体参与多数据交互的复杂决策过程。因此，自主空战战术决策方法的开发和验证具有较大难度，需要相应的验证系统作为支撑。由于仿真研究方法的安全性和高效率，可为无人机自主空战战术决策方法的研究提供安全、高效和便捷的途径。

针对以上需求，本文设计并实现了一套无人机自主空战战术决策仿真系统，为无人机空战战术决策方法的研究提供了通用的仿真平台，可支持相关模型开发和算法验证。

1 仿真系统需求分析与方案设计

1.1 仿真系统需求分析

无人机空战根据交战双方距离的远近通常可以分为超视距空战和视距内空战[4]。典型的空战作战过程包括无人机依靠地面雷达或空中预警机的引导信息飞向作战空域，适时打开本机雷达获取战场信息，搜索目标，分析态势，做出决策，进行机动占位。当我机雷达跟踪锁定目标，且目标位于我方中远距导弹攻击区内满足发射条件后，我机发射导弹攻击目标，如未击毁目标，则转入视距内空战。其过程与中远距空战基本一致，只是敌我双方态势变化更为激烈。上述无人机空战过程可以建模为OODA（Observe，Orient，Decide，Act）环空战模型[5]，第一个“O”代表观察，就是运用传感设备和网络数据链进行情报收集，包括探测信息、目标位置信息和目标状态信息等；第二个“O”代表判断，就是对收集到的情报进行分析，对目标信息判断确认；“D”代表决策，即基于情况判断定下决心；“A”代表执行，即根据做出的决策，采用相应的武器发起攻击。

根据以上无人机空战过程分析可知，无人机空战是多阶段多决策的过程，决定无人机空战战术决策的分别是机动、信息和武器三要素。这就要求无人机自主空战战术决策仿真系统满足如下需求：

（1）具备较精确的无人机、导弹、雷达等战场实体模型，且上述模型可配置。以保证战术决策的适用性和可靠性。

（2）具备战场环境模型和预警机或地面雷达模型。以支撑战术决策对远距目标探测信息的需求。

（3）具备与空战战术决策模型实现数据交互的功能，以支撑决策模型的数据激励并接收模型输出，驱动各实体模型完成相应指令。

（4）具备按照空战过程建立仿真场景，导调控制和人机交互功能，以支撑多无人机开展空战仿真。

（5）具备各实体对抗仿真数据采集和回放功能，以支撑决策结果分析，为决策方法改进提供大数据支持。

1.2 仿真系统设计

基于以上需求分析，根据无人机空战OODA 环理论，设计了无人机自主空战战术决策仿真系统。系统原理如图1所示。

该系统通过分布式仿真技术支持红蓝双方多无人机并行仿真，红蓝双方无人机战术决策模型通过与仿真系统交互获取战场环境和外部支撑信息，结合无人机状态、雷达探测和武器等信息，处理得到战场态势；再由战术决策算法输出无人机机动决策指令，驱动无人机模型采取相应的对抗行为，形成实时变化的战术态势，进行对抗迭代，以可视化的方式呈现，并采集空战对抗数据。

根据仿真系统原理设计了仿真系统的功能架构如图2所示。

仿真系统采用分层架构体系和模块化设计思想构建，整体上分为数据层、模型层和控制层，各层之间低耦合，各层内部高内聚[6-8]。对系统功能进行分解并开发相应模块负责实现，数据输入、处理、输出流程彼此独立，在系统总体框架内实现数据交互，以此增加系统的灵活性和可扩展性。

（1）数据层

负责接收并存储系统运行所需各类数据，将数据提交模型层用于计算，并将模型层的计算结果接收或保存。其中，数据类型主要包括：①无人机参数、导弹参数、雷达参数等装备性能数据。②无人机空战过程设定和交战规则数据。③无人机空战战术决策模型传递的数据。④地形、高程、地图和支撑信息等战场环境数据。

（2）模型层

由若干功能模型组成，负责无人机空战对抗中各相关实体和过程的模型计算及状态转换。主要包括：①无人机飞行仿真模型，模拟无人机在各种机动决策控制下的运动。②导弹攻击区和弹道模型，模拟导弹发射前的攻击范围和导弹发射后追击目标的运动过程。③雷达探测模型，模拟在不同态势条件下无人机机载雷达对目标的探测能力。④毁伤裁决模型，用于判定导弹是否击中目标及毁伤效果。

（3）控制层

实现对抗仿真所必须的功能。主要包括：①战术决策模型接入控制。②仿真对抗过程可视化显示控制。③仿真场景编辑，对空战作战任务、交战空域、双方兵力和装备等进行配置。④仿真系统的运行管理、数据记录和对抗过程回放控制。⑤仿真过程中参数显示和态势显示控制。

1.3 仿真系统数据交互设计

红蓝对抗双方通过决策模型接入仿真系统，与各实体模型通过数据接口交互数据。仿真系统主要的数据交互设计如图3 所示，主要包括：己方无人机位置、速度、高度、姿态等状态数据；雷达开关机指令、工作模式参数和测量得到的目标距离、速度、角度等数据；导弹攻击区计算所需的敌我测量参数和计算结果；导弹发射后弹道计算初始条件和实时位置参数；导弹毁伤计算所需的目标位置、速度数据和毁伤概率结果；以及用于显示交互的所有实体状态数据和三维态势数据。

2 仿真系统的实现

按照第1 章所设计的仿真系统方案，进行模块化分层实现，各模块之间通过标准化协议进行信息交互。权衡逼真度、实时性和系统复杂性三者关系，建立以支撑战术决策方法研究为目标的不同逼真度战场实体模型。

2.1 仿真系统架构的实现

数据分发服务（data distribution service，DDS）是一种消息通信的开放技术标准，具有开放接口、便于集成、扩展性强、传输速度快、支持多平台等特点。将DDS运用于分布式仿真系统中可以使仿真系统具有统一的以数据为中心的分布式仿真架构，实现异构仿真模块的即插即用的功能，便于系统扩展，并满足实时通信的需求。

因此，仿真系统采用基于DDS 的分布式仿真架构，实现仿真系统与战术决策模块之间，系统内部功能模块之间实时的数据和控制指令的发送与接收。整个仿真系统分为实体仿真软件和场景管理与显示软件联合实现。其中实体仿真软件实现无人机和导弹的飞行动力学仿真，以及机载雷达的仿真，根据战术决策模型输出的控制指令，实现战术机动、雷达探测、导弹发射和毁伤评估；场景管理与显示软件实现战术决策模型的导入、仿真场景的初始化、红蓝双方对抗仿真的启动和停止，实现采用三维模型与三维场景显示双方对抗过程。

DDS 所采用的发布/订阅数据通信模式，使得发布和订阅的消息主题成为模型之间的数据通信接口。为实现仿真系统共建立了12 个主题，设计了137 个参数，具体见表1所示。

DDS具体交互流程如下所示：

步骤1 注册无人机名称，表明敌我双方状态位，1表示为我机，2表示为敌机。

步骤2 初始化作战背景，交互场景数据。

步骤3 初始化无人机状态，初始化飞行动力学模块，自动驾驶仪模块与机动控制模块，完善飞行前准备，执行起飞。

步骤4 利用无人机控制指令，进行飞行控制，向作战空域靠近。

步骤5 进入作战空域后雷达下达开机指令。

步骤6 通过雷达模块计算双方实时状态信息。

总之，美国对“南海航行自由”规范的扩散采取了“教化”模式，并体现了霸权主导以及对本国和它国国内制度的利用和操控。自上而下单向的规范扩散模糊了规范本身的积极意义，致使规范议程变得越来越偏狭，甚至无视他国合理的主权诉求，这构成扩散中固有的缺陷与疏漏。正常的规范扩散是互动的、复杂的且难以预期的。未来的“南海航行自由”新规范既要抵制美国的霸权主导又要彰显其积极价值，这无疑指向了一种互动型的双向规范扩散。

步骤7 将雷达数据传输至导弹攻击区解算模块，满足发射条件时，下达武器发射指令。

步骤8 导弹仿真系统通过动力学模型，相对运动模型，比例导引模型进行导弹制导计算。

步骤9 将导弹飞行状态信息传输至毁伤模块计算毁伤概率。

步骤10 导弹命中，作战结束，导弹未命中返回步骤6，继续作战。

2.2 战场实体仿真模型

考虑到仿真系统用于支撑无人机战术决策仿真的目的，因此，各类模型不需要做到信号级仿真。从作战OODA 环角度出发，为了保证决策的正确性，在系统仿真过程中，对涉及到态势获取的雷达模型、决策执行的无人机模型和导弹毁伤模型需要有较高的逼真度。分别建模如下。

2.2.1 无人机仿真模型

通过文献阅读总结，目前的空战战术决策算法研究通常都是基于三自由度飞机模型设计，因此，为了使仿真系统与战术决策模型实现高效数据交互，以三自由度飞机模型作为无人机仿真模型的基础，同时考虑到提高无人机模型的逼真度并表现不同无人机的差异性，设计了带气动系数和推力模型无人机仿真模型，以迎角、滚转角和发动机推力为控制量。

式中，(x,y,z)表示无人机在惯性坐标系中的位置，m是质量，v是速度，γ是航迹倾角，ψ是偏航角；α是迎角，μ是滚转角，T表示发动机推力；D表示气动阻力，L表示气动升力，g表示重力加速度常值，公式中L、D、T可进一步分别由升力系数模型、阻力系数模型和推力模型表达，以此表示不同的无人机类型，在仿真系统中可以配置。具体模型坐标系定义请参考文献[9]。

2.2.2 雷达仿真模型

机载脉冲多普勒雷达是现代作战飞机的主要传感器，由于只针对空对空作战，所以，雷达仿真模型对雷达典型的对空扫描方式进行模拟，以便尽可能反映空战中雷达的功能[10]。

在雷达仿真模型中设计边搜索边测距（RWS）和边扫描边跟踪（TWS）模式支持中远距空战战术决策，设计机动空战（ACM）模式支持近距空战战术决策。具体参数见表2所示。

表2 雷达功能参数表Table 2 Radar function parameter table

雷达探测的功能实现主要分两步：（1）确定指定目标是否可以被探测到；（2）如果雷达能被探测到，输出雷达探测结果。具体实现流程见图4所示。

流程图中目标机RCS 的计算是根据目标和雷达的坐标、姿态角等交互数据，按照目标的标准RCS值和系数表，算出该态势下目标的RCS值。

其中方位角与俯仰角是以目标为中心的坐标系定义如图5。

目标RCS计算公式为：

其中，a表示方位角，p表示俯仰角，Rside为正侧向探测的目标RCS数值，设为目标标准RCS值。Rhead为从正迎头探测，Rtail为从正尾后探测，Rup为从正上方探测，Rdown为从正下方探测。

2.2.3 导弹仿真模型

导弹攻击区是影响无人机空战战术决策的重要因素之一，因此，在导弹仿真模型建立时，充分考虑到导弹攻击区的远近边界和不可逃逸区边界的重要作用，运用文献[11]所提出的导弹攻击区计算方法建立导弹攻击区计算模型。通过实时采集本机和目标的位置、速度、角度等信息可实时计算导弹攻击区特征参数值，用于我机战术决策。当战术决策模型发出导弹发射指令后，启动弹道仿真子系统，用于模拟导弹初段非制导飞行过程、中段惯导+数据链制导飞行过程以及末段弹载雷达主动制导飞行过程，根据仿真场景中的目标信息，实现导弹的飞行弹道计算。弹道仿真根据发射时刻的载机空间位置和运动参数开始运行，中段飞行过程中根据载机提供的目标信息，由比例导引律输出制导指令实现导弹跟踪，末段模拟导引头模块对目标跟踪。弹道仿真实时输出导弹的运动参数，驱动视景中的三维模型。弹道仿真子系统模型如图6所示，主要由动力学和运动学模块、相对运动模块、比例导引律模块、毁伤模块组成。

其中，动力学与运动学模块负责计算导弹的可能飞行弹道及其主要飞行特性，用考虑气动阻力的可操控质点运动方程组表示。相对运动模块通过考虑弹目距离、目标视线角、目标视线角速度等参数提供末段目标截获条件判断结果和传递目标视线角速率给比例导引率模型。比例导引模块根据设定的比例系数和获取的参数计算水平和垂直面过载需求，传递给导弹运动学模块，驱动导弹运动。在弹目距离小于导弹战斗部作用距离时，启动毁伤计算模块[12]，根据配置的TNT 因子、炸药量、毁伤增量和衰减指数等参数计算导弹最大杀伤能力，并与目标可承受的最大损伤联合计算毁伤百分比，提供毁伤结论。

3 实验效果

本仿真系统采用C++编程实现，主界面如图7 所示。左侧主显示区包括：仿真实体/事件列表和三维态势显示区域，右侧控制区包括：态势显控管理、规则编辑场景管理和仿真成员状态显示等区域。通过输入红蓝双方仿真参数开展决策算法的验证研究。

为了验证仿真系统与战术决策算法数据交互的可靠性和实时性，以及仿真系统各模型运行的实际效果，运用所开发的系统对文献[13]提出的基于知识推理的空战战术决策方法开展了双机对抗仿真实验。实验流程如图8所示。

通过把知识推理空战战术决策算法编写为Matlab程序，用仿真软件的规则编辑功能接口接入仿真软件。设置双机对抗的初始态势为敌机未进行雷达锁定、武器攻击与电子干扰行为，处于本机前半球，飞行高度大致相同，双方相距56 km，敌机与本机构成侧迎面态势。启动仿真后，战术决策算法模型和仿真软件实时交互信息，仿真软件实时判断结束条件是否满足，如满足则仿真结束，存储仿真数据。

实验仿真过程的三维态势显示如图9 所示。图中显示了红蓝对抗过程中，红方无人机采用绕侧攻击中远距空战战术的过程，并实时显示双方的状态信息。

本仿真系统已针对不同类型的无人机空战战术决策算法[14-19]进行了全面的仿真实验。结果表明，仿真系统具备支持红蓝双方各16架无人机开展空战对抗仿真的能力，仿真系统与战术决策模型数据交互在10 ms以内能够满足实时性要求，仿真系统内部各模型运行稳定，参数传递准确可靠，可有效支撑无人机空战战术决策算法设计开发。

4 结语

本文从无人机空战战术决策研究的实际需求出发，设计了模块化多层次的无人机空战战术决策仿真系统技术方案和数据交互框架；并基于DDS 的分布式仿真技术和不同颗粒度战场实体模型实现了该仿真系统，最后对仿真系统的效果进行的实验验证。

本文建立的仿真系统紧贴无人机空战使用流程，涵盖影响无人机空战战术决策的主要因素，功能较为完善，为无人机空战战术决策模型的开发提供了可靠有用的工具。为了更有效地支撑战术决策模型的建模仿真，下一步将针对提升战场模型逼真度和决策算法验证评价两方面开展进一步研究。