海軍武器裝備仿真與試驗一體化

魏太林，宋志剛

（92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引言

為適應海軍轉(zhuǎn)型的發(fā)展，海軍武器裝備鑒定定型面臨著適應轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求，無疑帶動了靶場轉(zhuǎn)型。由傳統(tǒng)靶場到新時期轉(zhuǎn)型發(fā)展的轉(zhuǎn)型靶場，從制定科學的靶場轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，到處理好轉(zhuǎn)型過程中的若干關系及方法等，必然有一系列問題值得探討。[1]新時期靶場轉(zhuǎn)型必然推動海軍武器裝備試驗鑒定模式及方法的轉(zhuǎn)變和效率的提高。

美國的試驗鑒定策略已經(jīng)從傳統(tǒng)的“試驗—調(diào)整—試驗”方法向“模型—仿真—試驗—迭代”方法轉(zhuǎn)變，即首先建立模型，其次仿真，然后進行試驗，最后將試驗結(jié)果迭代回仿真模型中，稱之為仿真、試驗與鑒定過程。[2]最終要建立一組能夠盡可能精確代表系統(tǒng)且有相當置信度的模型，用來預測系統(tǒng)的性能、作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性。

縱觀發(fā)達國家武器裝備的研制過程，我們看到計算機仿真技術(shù)的發(fā)展和在軍事領域的深入應用，使得海軍武器裝備試驗鑒定方法、裝備部署和作戰(zhàn)使用都可通過模擬實現(xiàn)。

在仿真試驗、外場動態(tài)飛行試驗和其他試驗的支持下的對整個被試裝備的綜合研究和發(fā)展，這就是一體化的概念。型號設計、改進設計、仿真試驗、外場動態(tài)飛行試驗不僅是海軍武器系統(tǒng)型號研制的組成部分，并且是一個有機的整體，相互補充和促進，一體化研究貫穿于武器系統(tǒng)研制的全壽命周期。

1 武器裝備試驗模式分析

1.1 常規(guī)試驗方法

武器裝備的靶場試驗一般采用常規(guī)的外場試驗方法，即在真實目標及真實環(huán)境背景的試驗條件下，考核武器裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的試驗方法。特別是對動態(tài)目標的跟蹤精度、對目標的射擊精度、可靠性等主要指標的評估主要是以外場試驗作為考核依據(jù)。

真實目標及真實環(huán)境背景的試驗條件下，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）與真實打擊的目標特性接近。

為使目標的幾何形狀、輻射、噪聲等目標特性接近或等同于武器裝備作戰(zhàn)實際打擊的對象，一般選用與武器裝備打擊對象性能相近的諸如導彈、飛機、艦船等典型真實目標作為試驗靶標，或者直接以典型打擊對象作為試驗靶。

2）試驗環(huán)境背景真實。

在海上或者以海洋為背景條件下進行的試驗環(huán)境背景與武器裝備實際使用環(huán)境相同，考核武器裝備在真實環(huán)境背景、氣象條件下的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，尤其是在考核武器裝備克服海浪雜波干擾和多路徑效應等作戰(zhàn)性能。

3）電磁環(huán)境與作戰(zhàn)環(huán)境相近。

武器裝備在作戰(zhàn)艦艇上進行的試驗，可以形成與實際作戰(zhàn)條件完全相近的電磁環(huán)境，從而能夠考核武器裝備在電磁環(huán)境下的實際使用性能。[3]

1.2 一體化試驗方法

武器裝備試驗模式的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在靶場建設、試驗手段、試驗管理、試驗人才、試驗理論等方面的發(fā)展。裝備試驗技術(shù)的發(fā)展主要歸結(jié)為向作戰(zhàn)使用性能試驗和向可信、高效仿真試驗的一體化方向發(fā)展。

1）趨勢一：向考核作戰(zhàn)使用性能的試驗模式方向發(fā)展。

外場試驗鑒定技術(shù)的發(fā)展更加注重對于實戰(zhàn)條件、試驗方法和具體實現(xiàn)手段的研究，最大限度地形成被試武器裝備所要求的作戰(zhàn)目標、環(huán)境和對抗雙方實施對抗的動態(tài)過程。為此，外場試驗將采用各種動態(tài)靶標來模擬裝備的攻擊目標，或者性能相似的電子裝設備模擬作為電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)條件下所對抗的電子目標，特殊情況下也將使用實際的裝備作為對抗的對象進行試驗和鑒定。有助于提高裝備試驗與鑒定的質(zhì)量和水平，更加趨于適應未來作戰(zhàn)的需求。

2）趨勢二：向開展可信、高效的仿真試驗模式方向發(fā)展。

武器裝備的試驗與鑒定對目標和環(huán)境的要求越來越高，外場真實條件下實現(xiàn)的難度也越來越大，有的目標甚至無法實現(xiàn)，這對外場試驗技術(shù)的發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。武器系統(tǒng)的復雜性和實戰(zhàn)條件目標與環(huán)境的多變性，對其試驗鑒定提出了更高要求，有些試驗環(huán)境或目標特性限于試驗周期、經(jīng)費、供靶能力、組織實施、氣候等各種因素的制約，在外場試驗中將無法或難以實現(xiàn)，武器裝備的某些戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能依靠單一的外場真實目標試驗無法完成對其全面考核，無法提供設計定型的依據(jù)。將仿真技術(shù)與試驗技術(shù)結(jié)合對武器裝備進行綜合試驗鑒定，其實質(zhì)是用仿真的戰(zhàn)術(shù)試驗環(huán)境考核真實武器系統(tǒng)性能，彌補外場試驗考核不充分的缺陷，用外場試驗結(jié)果與仿真試驗結(jié)果綜合評定武器裝備。[4]

2 仿真與試驗一體化研究內(nèi)容和技術(shù)途徑

2.1 一體化研究的內(nèi)容

一體化研究的主要思想是要重視仿真技術(shù)的應用，加強仿真在試驗與鑒定中的作用，同時以外場真飛試驗和實彈射擊試驗作為驗證仿真可信度的手段。一體化研究以仿真為核心，將仿真試驗與外場試驗及其他試驗貫穿起來。一體化研究的內(nèi)容包括以下幾個方面。

1）對武器系統(tǒng)性能的考核評定主要是動態(tài)精度和射擊概率。

2）研制各階段的仿真試驗包括數(shù)學仿真和半實物仿真，應研究滿足各階段仿真試驗要求的仿真環(huán)境和仿真方法。

3）對武器系統(tǒng)性能考核評定的動態(tài)精度仿真試驗和射擊精度仿真試驗，關鍵是精度和置信度滿足要求，應對動態(tài)精度仿真試驗和射擊精度仿真試驗的精度進行確認，研究確認方法。

4）數(shù)學模型和仿真環(huán)境是一體化研究的主線，設計過程中要進行建模，各試驗過程要進行驗模，仿真射擊要使用模型。在整個過程中要研究合理的模型體系，進行模型的分解細化。

5）模型的驗證要綜合仿真試驗和外場動態(tài)試驗等各方面的信息。驗模同建模相對應，也要分階段進行，要研究合理的驗模方法。

6）建立一體化的數(shù)據(jù)庫，包括仿真試驗、外場真飛試驗等的數(shù)據(jù)庫，提高試驗數(shù)據(jù)處理、分析、使用的效率。

7）研究仿真試驗與外場試驗相結(jié)合的一體化評定方法，有效正確利用仿真試驗的驗前信息，應用Bayes 統(tǒng)計分析方法、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等理論，綜合仿真試驗與外場試驗的兩個母體的試驗數(shù)據(jù)，按最佳配合的原則進行仿真試驗與外場試驗方案的優(yōu)化設計。[5]

8）建立一體化的實用方法、軟件、數(shù)據(jù)庫及相應的射擊精度仿真試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有規(guī)范化設計、理論和方法的通用性，并能推廣到各種海軍武器系統(tǒng)中。

2.2 一體化研究的技術(shù)途徑

一體化研究的最終目的在于提高試驗質(zhì)量、減少失誤、節(jié)省試驗航次數(shù)。實際上就是改變以前單一外場試驗模式，通過建立仿真試驗環(huán)境和校驗模型，使用仿真模型和仿真試驗系統(tǒng)進行半實物仿真試驗，補充外場試驗的不足，進而實現(xiàn)縮短試驗周期和減少試驗經(jīng)費的總體任務。

根據(jù)一體化研究的技術(shù)特點，擬采取的技術(shù)措施和方案如圖1所示。[4]

圖1 一體化研究技術(shù)方案框圖

一體化研究的技術(shù)途徑主要包括系統(tǒng)模型的建立與校驗、外場動態(tài)精度試驗的數(shù)據(jù)綜合分析、仿真試驗環(huán)境和試驗設計、建立試驗信息數(shù)據(jù)庫技術(shù)、仿真試驗與外場動態(tài)精度試驗綜合評定技術(shù)等幾個方面。

2.2.1 仿真系統(tǒng)模型的建立與校驗

對于任何一個被試系統(tǒng)而言，其仿真試驗系統(tǒng)的關鍵是建立正確可信的系統(tǒng)模型和仿真模型，系統(tǒng)模型是根據(jù)被仿對象的物理特性研制的各種模擬器和建立數(shù)學模型的一次建模，仿真模型是把被試系統(tǒng)的數(shù)學模型轉(zhuǎn)化成仿真計算機可執(zhí)行的仿真模型的二次建模。對于武器仿真試驗系統(tǒng)而言，其目標環(huán)境的仿真尤為重要。建模、驗模和確認是實現(xiàn)仿真試驗的重要基礎。

建模遵循從“模擬器的器件、部件”到“子系統(tǒng)”、“全系統(tǒng)”的方式建模，其仿真模型包括確定性模型、隨機誤差模型和不確定性模型，即是對象模型、干擾、各種噪聲模型以及工作誤差模型等等。工程實踐中，有些對象模型的物理特性能用數(shù)學方程來描述，有些卻難以用數(shù)學方程來表達；或者有些參數(shù)難以用設計參數(shù)來描述，只能通過試驗數(shù)據(jù)來確認。比如有些彈道方程的參數(shù)就是通過試驗確認的。并且這些參數(shù)恰恰是一體化研究的重點和難點所在。

驗模主要是建立在數(shù)字計算機上的仿真模型與工程數(shù)學模型的一致性。驗模的方法主要是通過校驗模型動態(tài)特性的一致性要求確定。對某型武器系統(tǒng)的半實物仿真而言，主要是通過檢驗仿真試驗與外場試驗輸出的一致性。通過建模與驗模的物理過程及仿真試驗系統(tǒng)的實際效果即可進行確認。[6]

2.2.2 外場動態(tài)精度試驗的數(shù)據(jù)綜合分析

1）數(shù)據(jù)融合方法。

某型武器系統(tǒng)試驗中，靶場運用光測、遙測、雷測等多種觀測設備進行測量，對這些數(shù)據(jù)進行綜合分析、數(shù)據(jù)融合等，以達到對該型號武器系統(tǒng)的各種戰(zhàn)技性能參數(shù)的檢測、估計和獲取。

2）仿真試驗數(shù)據(jù)的一致性檢驗。

仿真試驗可以輔助外場試驗，一定意義上是對外場試驗的補充和完善；同時，必須檢驗仿真試驗與外場試驗結(jié)果的一致性，用外場試驗驗證仿真試驗結(jié)果。如何檢驗仿真試驗結(jié)果的有效性或仿真系統(tǒng)的逼真度,是武器系統(tǒng)仿真試驗中必須解決的重要課題。仿真試驗數(shù)據(jù)的一致性檢驗，即仿真試驗結(jié)果的有效性（或逼真度）檢驗，主要途徑是運用統(tǒng)計檢測方法，比較相同條件下仿真試驗數(shù)據(jù)和外場試驗數(shù)據(jù)的一致性，實質(zhì)上是進行精度檢驗。以檢驗武器系統(tǒng)仿真試驗結(jié)果和真實外場試驗結(jié)果是否匹配。[5]

3）有效試驗航次與作廢航次的綜合應用。

武器裝備外場動態(tài)精度試驗具有試驗費用高、周期長、試驗航次數(shù)少的特點，試驗成功和失敗的可能性都有，即有的試驗航次有效、有的試驗航次由于各種因由可能就是作廢航次。比如某次某型武器系統(tǒng)試驗，有的試驗航次針對整個系統(tǒng)的動態(tài)精度試驗而言是無效的，但對于所屬單機的其他性能試驗而言可能是有效或部分航路段有效。這就要結(jié)合仿真試驗和外場試驗數(shù)據(jù)的綜合分析處理，全面評定試驗航次的有效與否。[4]

4）動態(tài)精度飛行試驗預估與試驗結(jié)果分析技術(shù)。

動態(tài)精度飛行試驗前的仿真試驗和動態(tài)精度飛行試驗的數(shù)據(jù)分析兩者有機結(jié)合，有效地支持外場真實目標試驗，充分挖掘、利用各種試驗數(shù)據(jù)，支持實現(xiàn)射擊精度仿真試驗和減少外場試驗航次數(shù)。其基本方法是建立正確的射擊精度仿真試驗模型，以及仿真彈道方程，積累出反映被試系統(tǒng)典型特征的彈丸測偏精度和脫靶量等關鍵參數(shù)數(shù)據(jù)。[7]

5）復現(xiàn)外場動態(tài)精度試驗的仿真試驗技術(shù)。

以外場真飛試驗數(shù)據(jù)為基礎，疊加背景噪聲和雷達噪聲，重新注入仿真試驗系統(tǒng)中，以這種復現(xiàn)外場試驗的仿真方法實時驅(qū)動武器系統(tǒng)，完成被試系統(tǒng)的“仿真復現(xiàn)外場試驗過程”，配合被試系統(tǒng)故障搜尋和系統(tǒng)分析工作。

2.2.3 仿真試驗環(huán)境和試驗設計

仿真試驗系統(tǒng)建立一個仿真支撐環(huán)境，可以完成對整個武器系統(tǒng)不同階段不同內(nèi)容的工作提供輔助支持，并為試驗現(xiàn)場考核提供輔助決策功能。這種支持軟件系統(tǒng)包括主管理系統(tǒng)，引導和控制不同的功能模塊；功能軟件包括仿真支撐軟件、仿真試驗管理軟件和系統(tǒng)測試軟件等。武器系統(tǒng)設備組成多、結(jié)構(gòu)復雜、不同型號武器裝備涉及空/海/岸等多個立體作戰(zhàn)區(qū)域，目標環(huán)境特性和作戰(zhàn)自然條件復雜多變，全面考核的試驗工作量大。故仿真試驗設計是一體化研究的重點內(nèi)容之一，主要包括考核項目設計、仿真試驗航路設計、仿真試驗程序設計、仿真模型驗證和仿真試驗結(jié)果信息處理技術(shù)等。[7]

2.2.4 建立試驗信息數(shù)據(jù)庫技術(shù)

建立試驗信息數(shù)據(jù)庫是一體化研究的重要組成部分。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將一體化的所有信息資源，包括半實物仿真試驗、外場真飛試驗和其他試驗的所有數(shù)據(jù)作為一個整體劃一的資源系統(tǒng)實現(xiàn)管理共享，完成數(shù)據(jù)信息一體化。這樣一個試驗信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為“基礎層”、“支撐層”、“數(shù)據(jù)層”和“應用層”4個層次。基礎層構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的基礎結(jié)構(gòu)；支撐層支持仿真研究和各類試驗數(shù)據(jù)的處理分析工作；數(shù)據(jù)層實現(xiàn)各類試驗數(shù)據(jù)的管理；應用層借助圖形可視化工具等實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的綜合分析與應用。

2.2.5 仿真試驗與外場動態(tài)精度試驗綜合評定技術(shù)

動態(tài)精度仿真試驗和射擊精度仿真試驗的結(jié)果為減少外場試驗航次數(shù)、小子樣鑒定方法提供充分的驗前信息，是武器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能評定的重要依據(jù)。仿真試驗與外場試驗相結(jié)合的小子樣鑒定方法以動態(tài)精度仿真和射擊精度仿真提供的驗前信息為重要依據(jù)，實現(xiàn)對武器系統(tǒng)綜合鑒定方法的應用。主要包括：Bayes 統(tǒng)計推斷方法、小子樣統(tǒng)計推斷的驗前信息應用和動態(tài)精度試驗設計等。[8]

3 結(jié)束語

海軍武器裝備仿真、試驗與鑒定的一體化研究，融合了計算機技術(shù)、系統(tǒng)仿真等多學科的最新科學技術(shù)成果和方法，能根據(jù)作戰(zhàn)任務實際需求，進行系統(tǒng)研制、設計定型、改進設計、軍事訓練和作戰(zhàn)性能評估等，適應武器對抗日益增長的需求和現(xiàn)代高科技的發(fā)展。一體化研究涉及多學科、多部門、多信息來源，仿真系統(tǒng)仿真模型的建立與校驗、閉環(huán)系統(tǒng)的辨識、仿真模型的確認、仿真系統(tǒng)的設計、仿真環(huán)境的逼真度、仿真試驗的一致性檢驗、仿真與外場試驗的數(shù)據(jù)融合、小子樣鑒定定型試驗方法等許多關鍵技術(shù)都需攻關和解決。這些課題的深入研究和完成對解決仿真、試驗與鑒定一體化研究起到重要作用；一體化研究也是靶場轉(zhuǎn)型過程試驗理論發(fā)展的一個趨勢，必將對海軍武器裝備的發(fā)展、對靶場試驗鑒定水平的提高起進一步推動作用。

[1]楊榜林,岳全發(fā),金振中,等.軍事裝備試驗學[M].北京∶國防工業(yè)出版社,2002∶29-35.

[2]孫柏林,靳大安.外軍建模與仿真綜述[J].計算機仿真,2002,19(1)∶4-8.

[3]曲寶忠,孫曉峰,李守秀,等.海軍戰(zhàn)術(shù)導彈試驗與鑒定[M].北京∶國防工業(yè)出版社,2005∶253-255.

[4]黃守訓,楊榜林,田穎,等.艦炮武器系統(tǒng)試驗與鑒定[M].北京∶國防工業(yè)出版社,2005∶277-301.

[5]唐雪梅,張金槐,邵鳳昌,等.武器裝備小子樣試驗分析與評估[M].北京∶國防工業(yè)出版社,2001∶1-19.

[6]何江華,郭果敢.計算機仿真與軍事應用[M].北京∶國防工業(yè)出版社,2006∶74-82.

[7]魏太林,張艷.海上試驗中電磁環(huán)境驗證應用研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2009,37(3)∶81-84.

[8]田穎.軍用仿真技術(shù)與靶場仿真試驗技術(shù)應用[C]//火力與指揮控制2005 學術(shù)年會論文集,太原∶火力與指揮控制研究會,2006∶439-444.