艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺的建立與應(yīng)用＊

石 巖 嚴(yán) 東

（92941部隊94分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

新時期水面艦艇作戰(zhàn)能力的提升，推動了武器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的提高。艦炮武器系統(tǒng)作為水面艦艇重要作戰(zhàn)裝備之一，是提供對岸火力支援和打擊海上低空來襲目標(biāo)的有效武器［1］。隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，新型艦炮武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能越來越強、功能也越來越全。與以往艦炮武器系統(tǒng)相比，新型艦炮武器系統(tǒng)具有自動化程度高、反應(yīng)時間短、高發(fā)射率、高可靠性，對目標(biāo)高殺傷率等技術(shù)性能，如何在更加貼近實戰(zhàn)條件下對艦炮武器系統(tǒng)性能進行全面、準(zhǔn)確地考核與評估已成為艦炮武器系統(tǒng)試驗急需解決的問題。

隨著以計算機并行處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、仿真技術(shù)為主的信息技術(shù)日趨成熟，仿真試驗在武器系統(tǒng)試驗和鑒定中被廣泛使用，成為試驗和鑒定必不可少的工具和有效手段［2］。傳統(tǒng)上對武器系統(tǒng)的考核主要依賴外場試驗，但其有不可忽視的缺點和局限性，尤其是在目標(biāo)環(huán)境、靶標(biāo)特性、試驗周期、試驗經(jīng)費以及組織實施等方面都受到客觀條件的限制。而仿真試驗可以充分彌補外場試驗的不足，并可能實現(xiàn)較為“真實”的戰(zhàn)場環(huán)境［3］。根據(jù)國外有關(guān)統(tǒng)計資料分析，由于采用系統(tǒng)仿真技術(shù)，使武器系統(tǒng)靶場試驗次數(shù)減少了30%～60%，研制費用節(jié)省了10%～40%，研制周期縮短了30%～40%［4］，仿真技術(shù)在試驗和鑒定中越來越體現(xiàn)出重要性。

2 艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺設(shè)計

建模與仿真是一系列的活動，進行這一系列的活動需要一個支撐環(huán)境或支撐平臺［5］。建立艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺的作用主要是在試驗時，產(chǎn)生特定戰(zhàn)術(shù)環(huán)境，在半實物仿真模式下驅(qū)動被試系統(tǒng)，或在數(shù)字仿真模式下模擬艦炮武器系統(tǒng)工作狀態(tài)，完成對艦炮武器系統(tǒng)的主要戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能評估和評定以及提供試驗顯示，輔助試驗指揮決策等功能。艦炮武器系統(tǒng)仿真是將艦炮武器系統(tǒng)在戰(zhàn)場上的行為模型化、模擬化，用計算機模擬技術(shù)對艦炮武器系統(tǒng)的組成、運行狀態(tài)及作戰(zhàn)過程進行仿真。圖1為建立的艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺結(jié)構(gòu)圖。

圖1 艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺結(jié)構(gòu)圖

艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺主要由艦艇綜合模擬、戰(zhàn)術(shù)環(huán)境仿真、模擬傳感器、模擬火控、艦炮綜合模擬、數(shù)據(jù)庫、評估處理系統(tǒng)等模塊組成。通過該仿真平臺，既可以與被試艦炮武器系統(tǒng)有機結(jié)合，完成系統(tǒng)半實物仿真試驗；也可自成體系，完成數(shù)字仿真試驗任務(wù)。

2.1 艦艇綜合模擬模塊

能夠模擬艦艇綜合導(dǎo)航設(shè)備，模擬水面艦艇在規(guī)定海情的搖擺運動，并以網(wǎng)絡(luò)報文形式提供模擬生成的艦艇姿態(tài)、航向、升沉、航速、地理位置、氣象參數(shù)等信息。同時，在內(nèi)部（或外部）脈沖采樣信號控制下，能夠?qū)崟r采集錄取搖擺姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)接口向其它仿真模塊及被試艦炮武器系統(tǒng)提供。

2.2 戰(zhàn)術(shù)環(huán)境仿真模塊

戰(zhàn)術(shù)環(huán)境仿真模塊模擬生成作戰(zhàn)兵力，這些虛擬兵力可以按照其運動學(xué)模型自主運動，由程序控制其行為，執(zhí)行預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)。通過建立典型的戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢和交戰(zhàn)模型，為隨機統(tǒng)計試驗創(chuàng)造條件。戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢和交戰(zhàn)模型的建立應(yīng)根據(jù)目標(biāo)的種類、性能、使用的兵器和攻擊的樣式、突然性等來建立，各類目標(biāo)包含多種典型攻擊樣式，并能和艦炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)的典型樣式相吻合，目標(biāo)的運動軌跡應(yīng)能通過典型的攻擊樣式進行確定。在艦炮武器系統(tǒng)對空、對海和低空反導(dǎo)作戰(zhàn)方式下，能夠完成顯示目標(biāo)態(tài)勢、按時序解算仿真航路理論值、發(fā)送仿真目標(biāo)現(xiàn)在點坐標(biāo)值等工作，并根據(jù)目標(biāo)運動方式變化而隨之變化。

2.3 模擬傳感器模塊

該模塊模擬艦炮武器系統(tǒng)搜索雷達、跟蹤雷達和光電跟蹤儀等跟蹤器的功能和性能，主要采用視頻、中頻模擬，并加入設(shè)定好的噪聲模型?？梢酝ㄟ^大量收集所模擬的傳感器的外場試驗數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)計的方法進行分析，得出系統(tǒng)的誤差模型。通過給定的誤差模型，使模擬生成的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計特性上和設(shè)定的傳感器相吻合。

2.4 模擬火控模塊

該模塊模擬火控系統(tǒng)的功能和性能，完成目標(biāo)解算、信息傳遞和火力控制等任務(wù)。在建模過程中對火控模塊的建模應(yīng)滿足整體的性能評估要求，對火控系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)建模在外特性上應(yīng)力爭和實際系統(tǒng)保持一致。并可通過對系統(tǒng)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的收集，給出擬和的精確度，以滿足整體評估的仿真要求。

2.5 艦炮綜合模擬模塊

模擬艦炮武器系統(tǒng)主要武器包括大、中口徑艦炮、小口徑近程反導(dǎo)艦炮、艦載火箭炮等武器的主要功能和性能，并通過設(shè)定好的攻擊成功概率，模擬生成外彈道數(shù)據(jù)，也可模擬各型艦炮隨動系統(tǒng)特征參量。

2.6 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫用于存儲仿真任務(wù)設(shè)定參數(shù)、目標(biāo)特性參數(shù)、武器系統(tǒng)特性參數(shù)、戰(zhàn)場環(huán)境參數(shù)、易損性參數(shù)、任務(wù)評定數(shù)據(jù)和仿真模型。其中目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫、武器特性數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)庫、易損性參數(shù)庫和仿真模型庫作為源數(shù)據(jù)庫［6］，任務(wù)設(shè)定參數(shù)庫從源庫中提取設(shè)定參數(shù)，仿真評估系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)設(shè)定參數(shù)庫初始化仿真參數(shù)，仿真結(jié)束后，試驗數(shù)據(jù)和評定結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中。

2.7 評估處理系統(tǒng)

通過網(wǎng)絡(luò)交換機，收發(fā)系統(tǒng)運行控制／狀態(tài)報文，接收戰(zhàn)情數(shù)據(jù)報文、目標(biāo)真值數(shù)據(jù)、以及艦炮武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)報文等，計算火控諸元真值，錄取仿真試驗的測試數(shù)據(jù)，評估艦炮武器系統(tǒng)探測、跟蹤、解算精度、系統(tǒng)精度及反應(yīng)時間等精度指標(biāo)，將處理結(jié)果數(shù)據(jù)存儲，并通過評估體系給出艦炮武器系統(tǒng)的效能參數(shù)。評價體系中包括信息綜合能力、武器組織能力等。這些能力參數(shù)根據(jù)測量值予以評價，并且采用可度量化的指標(biāo)，減少主觀的人為判斷。

3 艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺應(yīng)用

圖2 仿真試驗流程圖

艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗主要是在仿真試驗平臺的支持下進行的半實物仿真和數(shù)字仿真試驗。其目的在于更多地獲取艦炮武器系統(tǒng)全壽命管理過程中的信息，發(fā)現(xiàn)和解決裝備研制、生產(chǎn)、使用和管理方面的問題，為最終科學(xué)評定艦炮武器系統(tǒng)提供有效依據(jù)。艦炮武器系統(tǒng)的仿真試驗流程如圖2所示。

艦炮武器系統(tǒng)仿真主要應(yīng)用在戰(zhàn)情仿真、目標(biāo)特性模擬以及模擬精度試驗、效能評估等方面。

3.1 戰(zhàn)情仿真

依據(jù)真實的戰(zhàn)場環(huán)境，模擬戰(zhàn)場態(tài)勢、復(fù)雜背景及多目標(biāo)環(huán)境，通過搜索雷達模擬器根據(jù)仿真計算機輸出的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)環(huán)境點跡數(shù)據(jù)生成多批目標(biāo)與背景噪聲信息驅(qū)動搜索雷達，檢驗搜索雷達多目標(biāo)處理能力、輸出點跡精度以及情報系統(tǒng)的威脅判斷功能、目標(biāo)分配功能、火力分配功能、目標(biāo)指示精度和系統(tǒng)反應(yīng)時間等［8］。

3.2 目標(biāo)特性模擬

在外場試驗中，由于提供的靶標(biāo)受到諸多條件限制，許多特殊的目標(biāo)運動方式無法提供［6］，如比例導(dǎo)引、蛇形運動、圓弧運動、等加速運動、零捷徑等。這些在外場試驗中很難實現(xiàn)的目標(biāo)運動方式通過模擬試驗方法卻能很方便的生成，從而實現(xiàn)被試系統(tǒng)對機動目標(biāo)處理能力的檢查和考核［7］。另外，對于目標(biāo)的速度特性、紅外特性、反射特性等亦可通過模擬的方式來實現(xiàn)。

3.3 模擬精度試驗

利用仿真試驗的簡單易行、大量可重復(fù)性的特點，可通過大量的模擬精度試驗作為外場精度試驗的補充與驗證。

在仿真試驗中，仿真系統(tǒng)模擬飛機、水面艦艇、掠海飛行導(dǎo)彈等類型的目標(biāo)航路，由搜索雷達模擬器產(chǎn)生視頻模擬信息驅(qū)動搜索雷達、火控設(shè)備，給跟蹤器發(fā)送目標(biāo)指示信息；仿真系統(tǒng)向跟蹤模擬器發(fā)送目標(biāo)航路數(shù)據(jù)，跟蹤模擬器驅(qū)動跟蹤器捕獲、跟蹤模擬目標(biāo)，從而實時驅(qū)動全武器系統(tǒng)自動工作。通過仿真試驗，可以有效的檢驗和驗證跟蹤傳感器跟蹤精度、系統(tǒng)動態(tài)精度、系統(tǒng)射擊精度等。

3.4 效能評估

仿真是武器系統(tǒng)進行作戰(zhàn)效能評估不可缺少的環(huán)節(jié)和手段。利用仿真試驗對作戰(zhàn)過程進行大量模擬測得的數(shù)據(jù)，通過模型運算得出評估結(jié)果，給出艦炮武器系統(tǒng)效能評估量化數(shù)據(jù)［9］。在此基礎(chǔ)上，可對結(jié)果的可信度進行分析，并以此為依據(jù)分析如何對艦炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行改進。

本仿真系統(tǒng)采用模糊Petri（FPN）的方法對艦炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行評估［11］。其評估過程可以描述為系統(tǒng)狀態(tài)變化的過程，系統(tǒng)效能可看作各組成部分的效能之和，采用Petri網(wǎng)方法，其“庫所”節(jié)點和托肯值表明了系統(tǒng)的某個局部狀態(tài)，影響系統(tǒng)效能的因素轉(zhuǎn)換成FPN的庫所，判斷因素事件引起某種效能的過程轉(zhuǎn)換成FPN的變遷，系統(tǒng)中對因素事件可能的估計對應(yīng)于FPN庫所中的托肯值，系統(tǒng)中對各個事件影響系統(tǒng)效能的權(quán)重對應(yīng)于FPN的置信度。

利用FPN來分析由多個因素引起的系統(tǒng)的綜合效能的下一狀態(tài)為

其中：

M（k）：庫所在發(fā)生k次變遷后的狀態(tài)矩陣；

⊕：X⊕Y＝Z。X，Y，Z為n 維向量，zi＝max（xi，yi）；

?：X?Y＝Z。X為m 維，Y，Z為n×m維向量，zij＝xiyij。

如果在某一步有M（k＋1）與M（k）相等，根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的可達性定義，可認(rèn)為存在一系列的點火事件使系統(tǒng)從初始狀態(tài)M（0）變遷到狀態(tài)M（k），此時所得的狀態(tài)矩陣即為庫所事件、中間事件和頂事件的優(yōu)劣程度判斷矩陣。在獲得各庫所事件以及頂事件的優(yōu)劣評判矩陣之后，用加權(quán)平均法確定評測意見，其方法如下：設(shè)評價矩陣為：Q＝（10，8，6，4，2），其中，10表示效能為“優(yōu)”；8表示效能為“良”；6表示效能為“中”；4表示效能為“差”；2表示效能為“劣”。由公式：M（k＋1）·QT可獲得各庫所事件和頂事件的評價值。該向量的最后一個元素表示總體效能的優(yōu)劣程度。

4 結(jié)語

本文以仿真技術(shù)為牽引對艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗方法進行了研究，建立了艦炮武器系統(tǒng)仿真試驗平臺，指出了艦炮武器系統(tǒng)仿真的主要應(yīng)用范圍。在實際當(dāng)中，艦炮武器仿真系統(tǒng)已在多次系統(tǒng)試驗中得到了成功的應(yīng)用，證明了仿真技術(shù)在艦炮武器系統(tǒng)試驗中的適用性和可行性?？梢灶A(yù)見，隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，其在武器裝備性能測試和效能評估等領(lǐng)域中將會具有越來越廣泛的應(yīng)用前景。

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