雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)可信度分析*

趙紅云

(91336部隊(duì) 秦皇島 066326)

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雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)可信度分析*

趙紅云

(91336部隊(duì) 秦皇島 066326)

論文以末制導(dǎo)雷達(dá)半實(shí)物仿真系統(tǒng)為研究對(duì)象,在討論可信度與VV&A關(guān)系基礎(chǔ)上,對(duì)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)各階段不同模型開(kāi)展可信度分析,主要是對(duì)不同模型開(kāi)展V&V,并綜合各VV結(jié)論進(jìn)行,確保了雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的高的可信度。通過(guò)該系統(tǒng)可信度分析總結(jié)給出了可信度的性質(zhì)以及工程應(yīng)用中半實(shí)物仿真系統(tǒng)可信度應(yīng)遵循的幾條原則。

半實(shí)物仿真; 可信度; VVA

Class Number TN957

1 引言

雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)定型和研制中發(fā)揮著重要的作用,不僅可提高效率,極大縮短研制周期,而且節(jié)省大量的研制經(jīng)費(fèi)。仿真系統(tǒng)作為原型系統(tǒng)的相似替代系統(tǒng),在特定建模與仿真目的和意義下,存在一個(gè)可信性問(wèn)題。在某種意義來(lái)說(shuō),只有保證了系統(tǒng)仿真的正確性和可信度,最終得到的仿真結(jié)果才有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外仿真界一致認(rèn)同:沒(méi)有經(jīng)過(guò)校核與驗(yàn)證的模型和系統(tǒng)不可信。國(guó)內(nèi)對(duì)仿真系統(tǒng)可信度的定性評(píng)價(jià)、定量評(píng)估方法、仿真模型的校核驗(yàn)證等問(wèn)題的研究近幾年一直未間斷,也作了大量有益的工作,且隨之VVA技術(shù)在提高建模正確性和可信性方面的作用,而日益受到重視。

本文從系統(tǒng)研制工程實(shí)際出發(fā),在介紹可信度與VVA關(guān)系基礎(chǔ)上,對(duì)反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)不同階段結(jié)合VVA結(jié)論開(kāi)展可信性分析,確保了系統(tǒng)的高可信度。

2 雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)基本構(gòu)成

導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)半實(shí)物仿真系統(tǒng)利用微波暗室及各種射頻仿真設(shè)備提供的試驗(yàn)環(huán)境,對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)下的模擬打靶。主要包括飛行模擬器、射頻目標(biāo)環(huán)境仿真系統(tǒng)、彈道仿真工作站、總控計(jì)算機(jī)與其它測(cè)控和通信接口設(shè)備。其配置圖如圖1所示。

其中末制導(dǎo)雷達(dá)作為實(shí)物架設(shè)在飛行模擬器上,飛行模擬器用來(lái)復(fù)現(xiàn)彈體在空中飛行姿態(tài)的變化;微波暗室主要功能是在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造一個(gè)近似自由空間傳播電磁波的環(huán)境;射頻目標(biāo)環(huán)境仿真系統(tǒng)用于復(fù)現(xiàn)目標(biāo)及干擾空間屬性及目標(biāo)的射頻信號(hào)特征;總控計(jì)算機(jī)是該半實(shí)物仿真系統(tǒng)的指揮控制中心,統(tǒng)一管理和控制回路各設(shè)備協(xié)調(diào)工作,其上運(yùn)行總控軟件,控制回路其它設(shè)備設(shè)有分系統(tǒng)計(jì)算機(jī),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與總控進(jìn)行信息交互。通信網(wǎng)絡(luò)及接口設(shè)備是指在仿真實(shí)驗(yàn)軟件作用下控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)記錄、信息傳輸?shù)裙ぷ?。彈道仿真工作站運(yùn)行導(dǎo)彈彈體特性及制導(dǎo)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)配置圖

3 仿真可信性/可信度與VVA關(guān)系

近年來(lái)隨著仿真可信性研究和應(yīng)用工作的深入,國(guó)際仿真領(lǐng)域皆認(rèn)為模型校核與驗(yàn)證(V&V)與模型和仿真有效性密切相關(guān)。

仿真可信性/可信度是對(duì)仿真系統(tǒng)在一定環(huán)境和條件下解決問(wèn)題正確性的定性/定量評(píng)估。

VVA技術(shù)是保障仿真可信性的重要手段,校核是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性角度,強(qiáng)調(diào)是否按照預(yù)期應(yīng)用期望進(jìn)行工作,它是對(duì)建模與仿真確認(rèn)過(guò)程。驗(yàn)證是從仿真系統(tǒng)應(yīng)用目的出發(fā),確定仿真系統(tǒng)反應(yīng)真實(shí)程度的過(guò)程。確認(rèn)是對(duì)仿真系統(tǒng)是否滿足應(yīng)用目標(biāo)的一種認(rèn)證,一種相信并被接受的權(quán)威性決定。

VVA技術(shù)貫穿于仿真系統(tǒng)全生命周期,仿真系統(tǒng)VVA的實(shí)施過(guò)程包含了可信性評(píng)估需要的信息和證據(jù),確認(rèn)結(jié)論實(shí)際就是仿真可信性評(píng)估結(jié)論,也可以說(shuō)仿真系統(tǒng)的確認(rèn)實(shí)際就是對(duì)仿真可信性的評(píng)估。只有VVA才能為仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)全生命周期提供全方位跟蹤、審查和監(jiān)督,才能有效保證系統(tǒng)的可信性。

4 系統(tǒng)模型可信度分析

雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)是強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng),對(duì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的可信度分析必須以對(duì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的校核和驗(yàn)證為基礎(chǔ),針對(duì)不同階段和對(duì)象,選用不同VVA方法,綜合集成各階段的VV結(jié)論進(jìn)行仿真系統(tǒng)的可信度分析。

模型作為仿真系統(tǒng)的靈魂,從系統(tǒng)論證設(shè)計(jì)開(kāi)始就必須開(kāi)展對(duì)模型的VVA工作,根據(jù)雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)建設(shè)工程實(shí)際,在建設(shè)中采用如圖2所示模型VVA壽命周期。

圖2 系統(tǒng)模型的V&V壽命周期

4.1 仿真需求模型VV

需求分析是整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)生命周期的初始階段,也是關(guān)鍵階段。主要內(nèi)容是明確系統(tǒng)建設(shè)目的,搜集、調(diào)研當(dāng)前仿真領(lǐng)域尤其是軍內(nèi)仿真領(lǐng)域的需求,對(duì)系統(tǒng)建設(shè)的可接受性進(jìn)行判斷,對(duì)預(yù)期應(yīng)用、預(yù)期結(jié)果進(jìn)行分析,并建立需求分析的可描述性模型。

需求分析階段的VVA工作主要是對(duì)需求報(bào)告進(jìn)行審定。重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)、計(jì)算機(jī)資源性能、工程因素、接口設(shè)備、開(kāi)發(fā)計(jì)劃、風(fēng)險(xiǎn)分析以及系統(tǒng)建成的可接受標(biāo)準(zhǔn)等建立規(guī)范性文檔,確保需求被一致、完整、清晰的描述。通過(guò)組織專家組對(duì)模型的完整性、正確性,系統(tǒng)的功能、性能相關(guān)設(shè)計(jì)要素與所期望的系統(tǒng)功能相一致性等進(jìn)行研究。最后形成分析報(bào)告,在進(jìn)行下一步工作之前解決所有分歧。

4.2 概念模型VV

概念模型是連接需求和實(shí)現(xiàn)的橋梁,是將需求轉(zhuǎn)換為詳細(xì)設(shè)計(jì)框架的途徑,是建模和仿真中對(duì)真實(shí)世界的第一次抽象。唯有正確的概念模型才能真實(shí)地反映客觀世界、才能實(shí)現(xiàn)可信度高的仿真。

概念模型是仿真開(kāi)發(fā)者對(duì)仿真系統(tǒng)中涉及的軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)和各種系統(tǒng)設(shè)備的概念信息進(jìn)行集合抽象,運(yùn)用精確語(yǔ)言、框圖、符號(hào)和流程等形式進(jìn)行規(guī)范化描述,多以科技報(bào)告等文檔形式體現(xiàn),定性成分高,而定量成分低。根據(jù)此特點(diǎn)概念模型驗(yàn)證常采用審查、桌面檢查、審核等非規(guī)范方法和控制分析、接口分析、結(jié)構(gòu)分析、可追溯性分析等靜態(tài)分析方法驗(yàn)證概念模型描述完整性、清晰簡(jiǎn)潔性、合理性。

4.3 數(shù)學(xué)模型、仿真模型VV

數(shù)學(xué)模型主要包括導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型;彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型;自動(dòng)駕駛儀模型;干擾模型;坐標(biāo)變換等模型。這些模型不是簡(jiǎn)單的疊加,而是通過(guò)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的完整整體。數(shù)學(xué)模型的校核主要包括模型的簡(jiǎn)化的合理性,結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系正確性、數(shù)學(xué)公式正確性、模型參數(shù)設(shè)置合理性等。本系統(tǒng)研制中采用某典型彈道模型,其數(shù)學(xué)模型是可信的。其校核與驗(yàn)證體現(xiàn)在其仿真模型與數(shù)學(xué)模型一致性上。仿真模型是在深入理解數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的二次開(kāi)發(fā),使之成為能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真程序,它的校驗(yàn)和驗(yàn)證與仿真軟件的校驗(yàn)與驗(yàn)證有其相似處。而目標(biāo)和干擾信號(hào)的模型建立方法、逼真度和復(fù)雜度不同,根據(jù)需求要考慮包括費(fèi)效比在內(nèi)的模型建模和驗(yàn)?zāi)！?/p>

4.4 仿真設(shè)備與物理效應(yīng)模型VV

仿真設(shè)備V&V主要是考核仿真設(shè)備是否可正確反映和復(fù)現(xiàn)物理效應(yīng)模型,在功能、性能、兼容性等指標(biāo)是否可用并且可信。物理效應(yīng)模型是指導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中所處的環(huán)境以及所受的激勵(lì)信號(hào),以及雷達(dá)導(dǎo)引頭接收到的目標(biāo)信號(hào)、電磁干擾信號(hào)、彈體姿態(tài)運(yùn)動(dòng)等效應(yīng)模型。

仿真設(shè)備的工作原理及功能結(jié)果復(fù)雜且專業(yè)性強(qiáng),對(duì)仿真設(shè)備的校核主要有設(shè)備研制方或第三方評(píng)測(cè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成。在設(shè)備驗(yàn)收時(shí),設(shè)備研制方必須提供詳細(xì)的設(shè)備校核報(bào)告,為設(shè)備可信提供證據(jù)。仿真設(shè)備驗(yàn)證從設(shè)備驗(yàn)收測(cè)試階段起動(dòng),測(cè)試仿真設(shè)備的各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,考察設(shè)備誤差對(duì)仿真結(jié)果影響情況。三軸飛行轉(zhuǎn)臺(tái)作為典型的非線性機(jī)電設(shè)備,存在控制誤差;微波暗室作為仿真環(huán)境設(shè)備,存在墻壁反射電平引入得多路徑效應(yīng);射頻環(huán)境模擬設(shè)備存在精度控制誤差。對(duì)這些硬件誤差的校核通過(guò)分析說(shuō)明誤差來(lái)源和可能引起的仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的差異,通過(guò)專家評(píng)估的方法詳細(xì)分析誤差產(chǎn)生機(jī)理,進(jìn)而進(jìn)行分析或修正。

由于該半實(shí)物仿真系統(tǒng)中涉及的仿真設(shè)備和子系統(tǒng)多,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)子系統(tǒng)和子設(shè)備表面上沒(méi)有問(wèn)題,而系統(tǒng)連接一起誤差大,誤差源不容易發(fā)現(xiàn)的情形。所以整體系統(tǒng)的誤差分析、系統(tǒng)耦合、電磁兼容等帶來(lái)的系統(tǒng)誤差更需要進(jìn)行分析驗(yàn)證,這部分結(jié)合系統(tǒng)集成綜合測(cè)試進(jìn)行。

4.5 仿真軟件VV

仿真軟件包括仿真程序在總控機(jī)上運(yùn)行的控制軟件和彈道仿真工作站上運(yùn)行的彈道仿真軟件是控制半實(shí)物仿真的“靈魂”。

仿真軟件模型校核包括算法校核,流程圖校核和程序代碼校核等,主要檢查仿真算法正確性與精確性,檢查程序流程圖是否正確反映了仿真算法和編程過(guò)程以及程序代碼是否正確,是否符合編程語(yǔ)言風(fēng)格及接口是否規(guī)范等。一般由編程人員或不參與開(kāi)發(fā)但熟悉仿真語(yǔ)言的相關(guān)人員承擔(dān),常采用控制分析、數(shù)據(jù)分析、接口分析、結(jié)構(gòu)分析、代碼走查等靜態(tài)方法和邊界值分析、動(dòng)態(tài)調(diào)試、人工校對(duì)等動(dòng)態(tài)方法。

4.6 集成測(cè)試與結(jié)果驗(yàn)證

系統(tǒng)仿真軟硬件通過(guò)校驗(yàn)驗(yàn)證后進(jìn)行綜合集成,根據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)制定集成測(cè)試大綱,規(guī)定測(cè)試范圍、測(cè)試環(huán)境、集成次序等,將仿真設(shè)備、仿真程序及仿真設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模型、系統(tǒng)內(nèi)部的各種接口和網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行綜合測(cè)試,檢驗(yàn)仿真系統(tǒng)能否正確交互數(shù)據(jù)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)集成完畢后,通過(guò)合理設(shè)置試驗(yàn)態(tài)勢(shì)進(jìn)行模擬打靶,在相同試驗(yàn)條件下分析彈道中典型參數(shù),如位置、姿態(tài)角、攻角,舵指令等與實(shí)際飛行彈道的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)進(jìn)行驗(yàn)證。在缺少標(biāo)準(zhǔn)外場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí),可憑請(qǐng)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)試驗(yàn)過(guò)程中導(dǎo)彈運(yùn)行軌跡、中間變量等進(jìn)行審查。

通過(guò)集成測(cè)試,綜合考慮V&V結(jié)果、M&S的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用記錄、系統(tǒng)的配置資源環(huán)境,系統(tǒng)從功能、指標(biāo)、仿真精度、交互能力等各個(gè)方面結(jié)果滿足預(yù)期目標(biāo)。

在對(duì)雷達(dá)制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)可信度分析可看出,仿真系統(tǒng)可信度有以下性質(zhì):

1) 目的相關(guān)性。系統(tǒng)的可信度反映的是仿真行為與仿真對(duì)象對(duì)仿真可用性的影響程度,仿真系統(tǒng)可信度的高低與研制該仿真系統(tǒng)的目的緊密相關(guān)。

2) 綜合性。仿真系統(tǒng)可信度是集成不同模型、算法、通信以及硬件等的綜合反映,某一因素也可能影響可信度的多個(gè)側(cè)面。

3) 客觀性。具體應(yīng)用目的的仿真系統(tǒng)其可信度是確定的,不以評(píng)估者的態(tài)度和評(píng)估方法為轉(zhuǎn)移。而不同評(píng)估者采用不同方法所得的評(píng)估結(jié)論有所區(qū)別不是因?yàn)橄到y(tǒng)可信度本身,而是區(qū)別于評(píng)估過(guò)程。

4) 層次性。大型復(fù)雜的仿真系統(tǒng)有多個(gè)子系統(tǒng)組成,各子系統(tǒng)都存在可信度問(wèn)題,這也必然會(huì)反映在整個(gè)系統(tǒng)的可信度中。

在進(jìn)行可信度分析時(shí)要做到:

1) 可信度與仿真模型的用途有關(guān),仿真結(jié)果的偏差不能大到影響其有用性的程度。

2) 將VVA過(guò)程貫穿于仿真系統(tǒng)研究的全生命周期中,使之成為仿真工程的有機(jī)組成部分,不能等工程結(jié)束后才進(jìn)行。

3) 半實(shí)物仿真中仿真模型的可信度要綜合考慮物理效應(yīng)設(shè)備的技術(shù)可行性和所需費(fèi)用。

4) 一般說(shuō)來(lái),仿真設(shè)備性能越高越能保證仿真的精度,但在工程實(shí)踐中,不能以此為原則,仿真模型和物理效應(yīng)仿真設(shè)備的置信度水平是相互制約的,盲目追求其中一項(xiàng)的仿真精度是沒(méi)有意義的。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,半實(shí)物仿真試驗(yàn)地位不斷增強(qiáng),系統(tǒng)研制過(guò)程伴隨有效的V&V,能確保系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、高效的完成。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和確認(rèn)的高可信度半實(shí)物仿真系統(tǒng),可靈活、可靠、高效的完成導(dǎo)彈直接實(shí)物試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的綜合性試驗(yàn),對(duì)提高仿真結(jié)果可信度具有重要意義。

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Analysis on Credibility of Radar Seeker Hardware-in-the-loop Simulation System

ZHAO Hongyun

(No. 91336 Troops of PLA, Qinhuangdao 066326)

Regarding Radar seeker HILP system as the research object, the credibility on different stages of the system construction are analyzed, mainly the VV’s use on different model based on the discussing of the relationship confidence between VV&A, thus ensuring the system is successfully accomplished. At last the character of credibility is summed up and some rules should be followed on credibility analysis.

HILS, confidence, VVA

2014年10月22日,

2014年11月30日

趙紅云,女,碩士研究生,工程師,研究方向:導(dǎo)彈制導(dǎo)仿真。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.024