基于DWK的飞机平台模型研究

张 宇，张高峰

（中国人民解放军91336部队，河北秦皇岛066326）

随着武器装备的不断发展和高新技术的广泛应用，现代战争的信息化、智能化程度越来越高，战术研究的技术手段和方法也越来越多，作战模拟技术的广泛应用，为战法研究提供了有效手段[1-2]。参试兵力作战行动模拟的逼真度，将成为战术研究和战法检验的关键，同时也为战法提出了合理的修正，为战法推广应用创造了有利条件[3-5]。

目前，军用飞机仿真技术是军事仿真领域的热点技术并具有广泛的应用前景[6]。飞机平台模型在海军作战理论研究、战法推演、模拟训练、装备效能评估等方面有着重要作用，是整个飞行仿真模型的核心内容[7-9]，并为飞行仿真系统的其它组成部分提供仿真的基础平台，其仿真的效果将直接影响到飞机仿真模型的精度和置信度。

文中基于数字武器开发平台（DWK，Digital Weapon Kit），给出了飞机平台模型的开发思路和设计实现过程。基于模块化建模方法，将飞机平台模型划分为各个功能模块，并结合组件化开发思想，将各个模块进行组件化开发实现，大大提高了模型的通用性、可移植性和可扩展性，对战法研究具有重要意义。

1 数字武器开发平台概述

1.1 数字武器开发平台简介

数字武器开发平台DWK是神州普惠公司为了满足复杂仿真系统开发需求而研发的一套高效、快捷的分布式仿真系统开发工具，数字武器开发平台DWK产品充分借鉴MDA思想，采用面向仿真组件开发的方法，支持组件组装，提供仿真应用开发，运用所需的一系列工具，能够与第三方仿真工具集成，构建了全新的开发式一体化仿真开发过程，降低了仿真开发难度，实现了对系统仿真应用全生命周期的支撑，使用户无需了解HLA的复杂技术细节即可进行仿真应用开发[10-11]。

1.2 基于DWK的建模过程

作战飞机系统通常包括飞机平台模型、飞机显控模型、电子信息装备模型和指挥控制系统模型4个部分，其中飞机平台模型是作战飞机系统的核心，也为其它组成部分提供仿真的基础平台。基于分布式交互仿真平台DWK，并结合其支持组件化开发的建模特点，对飞机平台进行建模仿真，以提高模型的可重用性和可扩展性。

基于DWK开发平台，飞机平台模型的设计过程如图1所示。首先对飞机平台模型进行需求分析，然后分析模型的功能，其次对模型接口及算法进行详细设计，最后完成模型的组件开发和功能测试工作。

图1 基于DWK的仿真模型设计过程

2 飞机平台模型需求分析

根据需求不同，飞机平台运动性能仿真模型可简可繁，如当研究突防问题时，就关心飞机在不同时刻的空间位置，这时只需建立描述飞机空间位置随时间变化规律的运动学模型[12-14]。但当评估飞机技战术性能或用于战术研究时，就需要了解每一时刻飞机的空间位置及其姿态变化，要能反映飞机在飞行员的操纵下完成机动动作的情况，这就需要根据牛顿运动定律和飞行动力学原理，建立能够反映飞机飞行时，在发动机推力、空气动力（升力和阻力）以及自身重力的综合作用下，其空间位置和姿态随诸力的变化而变化的动力学方程。

鉴于本模型主要应用于战法研究，需要建立远距离直航、近距离直航和旋回运动的模型，模拟加速、减速运动，并考虑姿态角对飞机飞行带来的影响，同时计算燃油消耗量。另外，为了检验指挥员的战术运用能力，需要考虑作战飞机的一些战术动作，如起飞、降落、爬升、降高、超音速飞行、超低空飞行等。但不考虑发动机推力、空气动力（升力和阻力）以及自身重力对飞机运动的影响，不对其进行建模。

3 飞机平台模型设计

3.1 模型功能分析

模块化是指解决一个复杂问题时，自顶向下逐层把系统划分成若干模块的过程[15]。本文基于模块化设计思想，兼顾飞机平台模型的功能特点，将其分为飞机起飞降落功能、单机运动模拟功能、航路规划功能、编队运动模拟功能、敌我识别模拟功能和导调控制响应功能6个功能模块，功能模块组成如图2所示。

图2 飞机平台模型功能模块组成图

各个模块的主要功能如下：

1）飞机起飞降落功能：能够模拟飞机的起飞降落过程。飞机在机场停靠时，有一级战备和二级战备两种状态，如果飞机处于一级战备状态，则可以通过飞机显控操纵飞机起飞，完成起飞动作[16]。也可以通过飞机显控选择可降落的机场，并发出降落请求，得到机场应答允许后，完成飞机降落动作；

2）单机运动模拟功能：能够模拟飞机的直线、旋回、加速、减速运动；能够模拟飞机在不同速度下的偏航、滚转、倾斜等姿态变化；能够模拟飞机的超音速和超低空飞行能力；能够模拟不同挂载、不同速度和不同高度下的油料消耗对飞机飞行航程的影响，能够计算飞机的剩余续航里程；

3）航路规划功能：能够模拟开放航路和封闭航路两种航迹点运动；

4）编队运动模拟功能：能够模拟飞机独立飞行和编队飞行两种飞行模式，编队飞行模式又分为保持队形和独立转向两种编队飞行方式；

5）敌我识别模拟功能：能够模拟敌我识别器，并可设置开或关两种状态；

6）导调控制响应功能：能够模拟导调控制指令的响应功能，包括对生存状态、位置、油料状态和毁伤判定模式导调指令的响应，以及对起飞、降落、高度、航速、航向和敌我识别器状态等控制指令的响应。

3.2 模型接口设计

通过系统的接口设计，能够清楚的描述模型内部各部分之间的交互关系，模型与外部的交互接口。图3对飞机平台模型内部组件之间的交互关系进行了直观的描述，主要包括信息接收存储部件、平台导调控制消息处理部件、攻击结果处理部件、飞机运动模拟部件、飞机油耗计算部件和信息发送生成部件，以及各个数据存储区。各个部件内部具有独立的算法处理功能，并通过交互接口完成信息收发。

图3 飞机平台模型逻辑结构图

3.3 模型组件化设计

基于飞机平台模型的接口设计部分，对平台导调控制消息处理部件、攻击结果处理部件、飞机运动模拟部件、飞机油耗计算部件4个核心部分进行详细分析，对其算法流程进行详细设计。

3.3.1 平台导调控制消息处理部件

飞机平台接收来自导演部和飞机显控的平台导调控制消息，通过对接收ID的判断，确定导调的目标平台为本平台，然后针对相应的导调控制项目参数进行相应的算法处理，最后得到导调后的最新状态。平台导调控制消息处理部件算法流程如图4所示。

3.3.2 攻击结果消息处理部件

飞机平台可被舰空导弹、地空导弹和空空导弹所攻击，即会收到三类导弹的对空导弹攻击结果消息；也会被高炮、航炮和舰炮所攻击，收到三类火炮的火炮攻击结果消息。攻击结果消息处理部件通过对这两类消息的处理，改变飞机平台的生存状态和运动性能。攻击结果消息处理部件算法流程如图5所示。

图4 平台导调控制消息处理部件算法流程图

3.3.3 平台油耗计算部件

飞机平台的油耗速率主要受飞行速度、飞行高度和导弹挂载的影响。平台油耗计算部件通过接收导弹武器系统状态消息和飞机平台信息获得各类导弹的挂载量和飞机飞行状态，从而计算出油耗影响因子来改变油料消耗的速率，并计算出飞机的剩余飞行航程。平台油耗计算部件算法流程如图6所示。

图5 攻击结果消息处理部件算法流程图

图6 平台油耗计算部件算法流程图

3.3.4 飞机运动模拟部件

飞机运动模拟部件是飞机平台的核心部件，它通过接收飞机运动信息、平台控制参数和平台性能参数来更新飞机平台的位置信息、姿态信息和运动状态信息。并可以通过高度变化实现飞机的爬升和降高[14]，航向的变化实现飞机的左右回旋，也可以模拟飞机超音速和超低空飞行，以及编队航行和独立航行等航行模式。飞机运动模拟部件算法流程如图7所示。

图7 飞机运动模拟部件算法流程图

4 仿真模型开发与测试

飞机平台模型的开发是基于DWK开发平台，通过生成模型代码框架，利用C++语言，对模型进行开发实现。

仿真模型测试过程分为两个阶段，第一阶段为单机测试阶段，主要通过测试模块对模型输入输出接口及算法功能进行单机测试。

第二阶段为系统联调测试阶段，通过制定作战想定，进行方案部署，对模型间的信息流和算法功能进行全面测试。测试效果如图8所示，模拟某战法推演过程中，飞机模型根据战术要求，完成基本战术动作。其中，A、B两点是飞机开始左回旋、右回旋动作的起点；C点为飞机被摧毁状态，当需要该飞机完成接下来的战术任务时，可以通过实时导调的方式，导调飞机生存状态为正常；D、E为飞机爬升、降高过程；F点为飞机收到降落机场命令后的降落过程。通过导演部导调控制软件，可以实时导调飞机的油料状态。

图8 飞机运动模型战术动作效果图

通过两个阶段的测试，本文设计开发的飞机平台模型，可以成功应用于战法推演过程中。通过改变性能参数实现不同机型的模拟，具有很好的可重用性和可扩展性，对战法研究具有重要意义。

5 结 论

在数字武器开发平台DWK研究的基础上，为了战法研究的实际需求，本文基于模块化分析方法，并结合组件化设计思想，完成了飞机平台模型的需求分析、功能分析、接口设计、算法设计和开发测试工作。通过应用验证，该模型具有很好的可重用性和可扩展性，并可以根据实际需求，通过改变性能参数实现不同机型的模拟。目前，该模型已经在某战法推演系统中得到很好的应用，模型功能完善、运行稳定，对检验作战预案的合理性，提高战法的运用能力具有重要意义。