基于裝備試驗的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真建模

崔連虎

(91336 部隊，河北 秦皇島 066000)

基于裝備試驗的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真建模

崔連虎

(91336 部隊，河北 秦皇島 066000)

針對作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的可信性問題，提出了將裝備試驗和作戰(zhàn)仿真建模相結(jié)合的思想。以戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真建模為例，具體分析了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及其導(dǎo)引頭裝備試驗項目設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用，設(shè)計了模型結(jié)構(gòu)，基于裝備試驗數(shù)據(jù)修正了模型參數(shù)，基于Agent的建模思想構(gòu)建了復(fù)雜電磁環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈行為模型。應(yīng)用結(jié)果表明：模型仿真運行結(jié)果與半實物仿真試驗結(jié)果具有較好的一致性，可直接服務(wù)于戰(zhàn)術(shù)級仿真推演應(yīng)用。此外，模型構(gòu)建思想及方法也可為靶場開展裝備作戰(zhàn)試驗和平行試驗研究提供新思路。

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈；裝備試驗；作戰(zhàn)仿真； Agent

作戰(zhàn)仿真是和平年代研究戰(zhàn)爭最為有效的手段之一[1]，近年來受到各國(地區(qū))軍方的高度重視，但可信性問題仍然制約著作戰(zhàn)仿真結(jié)果的應(yīng)用。作戰(zhàn)仿真是基于模型的試驗活動，模型的逼真度直接影響仿真結(jié)果的可信度。因此，如何建立具有較高逼真度的作戰(zhàn)仿真模型，提高作戰(zhàn)仿真結(jié)果的可信度，是作戰(zhàn)仿真研究人員面臨的一個關(guān)鍵性問題。

依據(jù)仿真的規(guī)模，作戰(zhàn)仿真可以分為4個層次，從大到小依次為戰(zhàn)略仿真、戰(zhàn)役仿真、戰(zhàn)術(shù)仿真和技術(shù)仿真[2-3]。在不同層次的仿真系統(tǒng)中，模型的精細(xì)程度不同。但對于同一裝備實體，不同精細(xì)程度的模型應(yīng)具有一致性，統(tǒng)一于建模對象客觀存在的屬性和行為能力，這也是多分辨率建模思想的重要內(nèi)涵之一。筆者在工程實踐中發(fā)現(xiàn)：由于作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用的復(fù)雜性，熟悉裝備性能、研究武器平臺層次仿真的技術(shù)人員往往不關(guān)注戰(zhàn)術(shù)層次的作戰(zhàn)仿真；研究戰(zhàn)術(shù)層次作戰(zhàn)仿真的技術(shù)人員往往不熟悉實際裝備，所構(gòu)建的裝備實體模型只是一般性的基本原理描述，難以全面、準(zhǔn)確地描述裝備屬性和能力。可以說，裝備試驗和宏觀層次的作戰(zhàn)仿真之間存在“脫節(jié)”現(xiàn)象，難以保證作戰(zhàn)仿真的可信性。

針對這一問題，本文借鑒平行試驗[4]的概念，提出將裝備試驗和作戰(zhàn)仿真建模相結(jié)合的思想，并以戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在復(fù)雜電磁環(huán)境下的行為特性為研究對象，分析戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈裝備試驗項目與試驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建可用于戰(zhàn)術(shù)層次作戰(zhàn)仿真的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈模型，初步實現(xiàn)了裝備試驗與作戰(zhàn)仿真建模的有機結(jié)合。

1 裝備試驗的項目設(shè)計與數(shù)據(jù)應(yīng)用

隨著裝備研制、生產(chǎn)、采購、使用流程的不斷完善，裝備試驗幾乎貫穿戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全壽命周期的各個階段，主要包括研制性試驗、設(shè)計定型試驗、作戰(zhàn)試驗、批抽檢試驗和部隊作戰(zhàn)使用試驗等[5]。不同階段試驗的側(cè)重點不同，綜合起來就可以比較全面地反映戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的戰(zhàn)技性能和使用性能。下面以復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的行為特性建模為目標(biāo)，分析相關(guān)試驗項目設(shè)計及試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用問題。

由于復(fù)雜電磁環(huán)境對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的影響主要反映在導(dǎo)引頭部位，因此本文重點分析與導(dǎo)引頭性能試驗相關(guān)的3大類試驗項目：導(dǎo)彈半實物仿真試驗、導(dǎo)引頭對海試驗和導(dǎo)彈飛行試驗。

1.1 導(dǎo)彈半實物仿真試驗

對于雷達(dá)制導(dǎo)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，可在微波暗室內(nèi)利用各種射頻仿真設(shè)備構(gòu)設(shè)復(fù)雜電磁環(huán)境，以實現(xiàn)對雷達(dá)導(dǎo)引頭各種性能的綜合檢驗；同時，輔以三軸飛行轉(zhuǎn)臺及測控系統(tǒng)，還可以與彈道仿真模型實時交互，開展復(fù)雜電磁環(huán)境下的模擬打靶試驗[6]。這種半實物仿真系統(tǒng)具有應(yīng)用靈活、性價比高的顯著優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于研制性試驗與設(shè)計定型試驗。

半實物仿真試驗環(huán)境設(shè)置靈活，數(shù)據(jù)記錄完整，因而可以開展以下研究：

1)基本性能測試，包括導(dǎo)引頭探測靈敏度、角度測量精度、角度分辨力和距離分辨力等；

2)設(shè)置典型干擾環(huán)境，記錄試驗導(dǎo)引頭工作狀態(tài)、測量誤差隨干擾參數(shù)的變化規(guī)律；

3)干擾條件下的模擬打靶試驗，完整記錄不同干擾條件下導(dǎo)彈的行為特性。

1.2 導(dǎo)引頭對海試驗

將導(dǎo)引頭架設(shè)在海邊，在海背景條件下選擇適當(dāng)航路，利用真實目標(biāo)(艦艇或者模擬靶船)的運動來檢驗導(dǎo)引頭的各項性能指標(biāo)，如導(dǎo)引頭作用距離、目標(biāo)選擇性、捕捉可靠性、跟蹤穩(wěn)定性、跟蹤精度、環(huán)境適應(yīng)能力以及抗干擾性能等[7]。對海試驗是導(dǎo)引頭外場試驗的第一步。

相對而言，對海試驗的優(yōu)勢在于真實的海背景和艦船目標(biāo)；其缺點在于干擾環(huán)境設(shè)置靈活性差，試驗方案的實現(xiàn)程度有限。試驗結(jié)果的主要用途為：

1) 利用作用距離、跟蹤穩(wěn)定性、跟蹤精度等基本性能試驗結(jié)果，修正導(dǎo)引頭模型參數(shù)；

2) 驗證典型態(tài)勢下導(dǎo)引頭的抗干擾能力，如壓制干擾的“跟雜”臨界轉(zhuǎn)換狀態(tài)、距離拖引干擾有效/無效轉(zhuǎn)換的臨界條件等內(nèi)容。

1.3 導(dǎo)彈飛行試驗

導(dǎo)彈飛行試驗是在研制、定型、批生產(chǎn)等不同階段進(jìn)行最終檢驗、考核導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的實踐手段，通過飛行試驗可以比較全面地檢驗導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的戰(zhàn)技性能，以及各分系統(tǒng)的工作性能和相互間的協(xié)調(diào)性，飛行試驗是任何其他試驗手段所無法替代的[5]。

飛行試驗可以分別在無干擾和有干擾環(huán)境下實施，其中：無干擾條件下的試驗數(shù)據(jù)反映了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在一般海面環(huán)境下的飛行穩(wěn)定性、制導(dǎo)控制性能等全彈基本性能，具有最高的可信度，可用于校驗和修正仿真模型；干擾條件下的試驗數(shù)據(jù)在一定程度上反映了人為干擾與制導(dǎo)飛行的映射關(guān)系?？傮w來說，導(dǎo)彈飛行試驗代價昂貴，不可能開展大樣本試驗，更合理的應(yīng)用模式是在內(nèi)外場一體化試驗框架下對關(guān)鍵試驗態(tài)勢進(jìn)行綜合性驗證。

1.4 試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計

上述3類試驗項目各有側(cè)重點，相應(yīng)試驗結(jié)果都可以在一定程度上支撐戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真模型的構(gòu)建工作。通過對裝備試驗數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，可按圖1所示思路構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在復(fù)雜電磁環(huán)境下的行為模型。

圖1 裝備試驗與作戰(zhàn)仿真模型關(guān)系

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真建模采用模型與數(shù)據(jù)相分離的思想，在模型結(jié)構(gòu)中確定了系統(tǒng)邊界，規(guī)定了實體的屬性和行為，給出了模型質(zhì)的規(guī)定性；模型參數(shù)則與具體的建模對象相匹配，描述實體行為能力實際能達(dá)到的程度。導(dǎo)彈半實物仿真試驗項目完整、數(shù)據(jù)豐富，可以全面反映導(dǎo)彈的屬性和行為，因而可以確定相應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)；而對海試驗則可以在自然環(huán)境相關(guān)的導(dǎo)引頭基本性能試驗方面對模型參數(shù)進(jìn)行修正；小樣本的飛行試驗通過典型態(tài)勢下的全彈高可信度試驗數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)一步修正，形成準(zhǔn)確描述特定戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈復(fù)雜電磁環(huán)境下行為能力的作戰(zhàn)仿真模型。

2 典型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈行為建模

作戰(zhàn)系統(tǒng)具有非線性、不確定性、多層次性和涌現(xiàn)性等特點，屬于復(fù)雜社會巨系統(tǒng)?，F(xiàn)有基于還原論的建模方法已不能很好地刻畫復(fù)雜系統(tǒng)，而基于Agent的建模方法是一種自底向上的建模方法，能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)中個體的微觀行為與系統(tǒng)的整體宏觀“涌現(xiàn)性”有機地結(jié)合起來，是一種有效的復(fù)雜系統(tǒng)建模方式，適合于對復(fù)雜作戰(zhàn)系統(tǒng)的建模與仿真，正逐漸成為體系對抗仿真建模的重要研究方向[8-9]。本文基于Agent的建模思想，將戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈抽象成為具有自主行為能力的Agent。

2.1 模型總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)Agent建模思想，Agent是一個具有智能和交互能力的自治計算實體，它通過感應(yīng)器來感知環(huán)境，并通過效應(yīng)器作用于環(huán)境，能夠在變化的環(huán)境中靈活、理性地自主行動。因此，主動式雷達(dá)制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的完全自主攻擊過程可以由一個Agent的自主行為進(jìn)行描述?；贏gent的行為一般包括感知、認(rèn)知處理和行為輸出3個部分[8]，具體到戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈Agent，則可進(jìn)行如下設(shè)計。

1) 感知：雷達(dá)導(dǎo)引頭探測目標(biāo)信息。

2) 認(rèn)知處理：信息融合及目標(biāo)識別、抗干擾處理等。

3) 行為輸出：導(dǎo)彈制導(dǎo)飛行。

圖2 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈Agent行為建模框架

基于Agent建模思想的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈行為建模框架如圖2所示，其中：戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈Agent通過導(dǎo)引頭感知環(huán)境中的目標(biāo)、雜波及敵方施放的多種人為干擾；再經(jīng)目標(biāo)信息融合給出角度、距離等目標(biāo)測量信息；制導(dǎo)控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)測量信息控制導(dǎo)彈進(jìn)行方位跟蹤，并根據(jù)彈目相對距離適時進(jìn)行末端躍升俯沖攻擊，同時將導(dǎo)彈位置、姿態(tài)信息實時輸出給其他Agent，構(gòu)成了完整的環(huán)境感知、認(rèn)知處理和行為輸出過程，真實再現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的自主行為能力。

2.2 目標(biāo)探測模型

雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈的目標(biāo)探測傳感器是末制導(dǎo)雷達(dá)(導(dǎo)引頭)。關(guān)于雷達(dá)仿真建模，一般可分為功能級和信號級2個層次，其中：信號級仿真是基于零中頻信號的信號流仿真，計算量大，適合研究單套裝備的技術(shù)仿真應(yīng)用環(huán)境；功能級仿真以描述雷達(dá)基本行為能力、體現(xiàn)性能指標(biāo)為主要目標(biāo)，滿足戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)仿真需求。在作戰(zhàn)仿真應(yīng)用中，對于雷達(dá)目標(biāo)檢測問題，一般關(guān)心2個方面：一是能否檢測到遠(yuǎn)距離的小目標(biāo)(目標(biāo)雷達(dá)反射截面積小)；二是噪聲干擾條件下能否正常捕捉、跟蹤目標(biāo)。其核心都是最小可檢測信噪比問題。

在裝備試驗過程中，受自然環(huán)境、試驗裝備性能等諸多因素的限制，直接試驗雷達(dá)對小目標(biāo)的檢測能力存在困難，可行的做法是:在微波暗室環(huán)境下設(shè)置典型目標(biāo)和噪聲壓制干擾，形成連續(xù)可控的信干比(目標(biāo)信號與干擾功率比值)，試驗雷達(dá)在噪聲干擾條件下的目標(biāo)檢測能力，得到最小可檢測信干比，近似等效最小可檢測信噪比(S/N)min，然后通過雷達(dá)方程[10]確定雷達(dá)對小目標(biāo)的作用距離Rmax，其表達(dá)式為

(1)

式中：Pt為發(fā)射功率；G為天線增益；Ae為天線有效孔徑；σ為目標(biāo)雷達(dá)反射截面積；系數(shù)kT0=4×10-21W/Hz；B為接收機帶寬；Fn為噪聲系數(shù)。

在實際戰(zhàn)場環(huán)境中，環(huán)境雜波和電磁散射信號會不同程度地影響末制導(dǎo)雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力，在條件允許情況下可通過對海試驗結(jié)果進(jìn)行修正。在作戰(zhàn)仿真應(yīng)用中，將目標(biāo)探測問題轉(zhuǎn)化為信噪比(或信干比)的計算問題。

2.3 干擾處理模型

在不同干擾條件下給出與導(dǎo)引頭性能一致的目標(biāo)測量信息，是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈Agent認(rèn)知處理的主要內(nèi)容。除自然環(huán)境的雜波以外，人為干擾主要分為壓制干擾和欺騙干擾，其中：壓制干擾一是影響導(dǎo)引頭的目標(biāo)檢測，相關(guān)處理體現(xiàn)在目標(biāo)檢測模型中，二是影響導(dǎo)引頭的目標(biāo)角度、距離測量精度，可通過分析裝備試驗中的誤差統(tǒng)計特性進(jìn)行復(fù)現(xiàn)；欺騙干擾則可根據(jù)干擾手段進(jìn)一步細(xì)分為艦載有源干擾、舷外有源干擾、箔條沖淡/質(zhì)心干擾等。

在建模過程中，需要針對每一種干擾分析相應(yīng)試驗項目和試驗結(jié)果，建立相應(yīng)的干擾處理模型。以箔條質(zhì)心干擾為例，試驗中發(fā)現(xiàn)質(zhì)心干擾形成條件比理論上的更為苛刻，導(dǎo)引頭跟蹤的實際角位置也不是簡單的能量質(zhì)心。分析認(rèn)為：理論上的計算模型多是在靜態(tài)條件下計算能量質(zhì)心，忽略了從目標(biāo)到質(zhì)心的跟蹤轉(zhuǎn)換過程;而對高速飛行的導(dǎo)彈而言，這一轉(zhuǎn)換過程不可忽略?？紤]導(dǎo)引頭跟蹤轉(zhuǎn)換過程，結(jié)合試驗結(jié)果分析，可實時計算導(dǎo)引頭跟蹤位置θ：

(2)

式中：σ1、σ2分別為艦船目標(biāo)和箔條干擾的雷達(dá)反射截面積；G1、G2分別為艦船目標(biāo)和箔條干擾位置在導(dǎo)引頭天線當(dāng)前指向下的增益；θ1、θ2分別為艦船目標(biāo)和箔條干擾位置相對基準(zhǔn)位置的方位角。

質(zhì)心干擾態(tài)勢如圖3所示。在式(2)的質(zhì)心計算模型中，每一時刻的質(zhì)心位置不僅與艦船目標(biāo)、箔條干擾的位置及雷達(dá)反射截面積相關(guān)，還與導(dǎo)引頭的天線指向及天線方向圖相關(guān)，從而準(zhǔn)確模擬了導(dǎo)引頭跟蹤位置從艦船目標(biāo)轉(zhuǎn)向質(zhì)心的過渡過程。

圖3 質(zhì)心干擾態(tài)勢

2.4 運動控制模型

制導(dǎo)控制系統(tǒng)一般包括俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)3通道控制回路，以及相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)——舵系統(tǒng)。對于單平面制導(dǎo)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，在建模時可以忽略滾轉(zhuǎn)通道，簡化為俯仰和偏航2個獨立通道，其中：俯仰通道按指定規(guī)律完成導(dǎo)彈的高度控制；偏航通道則按指定的制導(dǎo)律(導(dǎo)引方法)控制導(dǎo)彈機動，在方位上追蹤指定的目標(biāo)。

制導(dǎo)律是導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，廣泛應(yīng)用的比例導(dǎo)引法模型[11]可描述為

(3)

式中：θM為導(dǎo)彈速度方向；q為目標(biāo)視線角；K為比例系數(shù)。

該模型以微分方程形式描述了導(dǎo)彈飛行過程中速度向量轉(zhuǎn)動角速度與目標(biāo)線轉(zhuǎn)動角速度的比例導(dǎo)引關(guān)系。

除了制導(dǎo)控制系統(tǒng)的簡化處理，彈體動力學(xué)/運動學(xué)6自由度模型也需要進(jìn)行相應(yīng)簡化：一是將速度方向近似等效為彈軸指向；二是以導(dǎo)彈位置為核心，僅保留與制導(dǎo)律相關(guān)的運動參數(shù)，最大程度地減小模型解算的計算量。對于簡化的導(dǎo)彈運動控制模型，可通過與6自由度彈體及制導(dǎo)控制模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對比來驗證模型的正確性，并修正模型參數(shù)。

3 模型應(yīng)用與驗證

為了驗證上述模型結(jié)構(gòu)的正確性和參數(shù)的準(zhǔn)確性，本文設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的仿真應(yīng)用及驗證環(huán)境，模型以動態(tài)鏈接庫形式接入該仿真環(huán)境，設(shè)置戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、艦船目標(biāo)、箔條干擾等戰(zhàn)場要素的主要參數(shù)后，形成一個典型的箔條質(zhì)心干擾對抗態(tài)勢，仿真運行結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果表明：該戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈Agent模型能夠正確描述其主要戰(zhàn)場行為特性，驗證了該模型結(jié)構(gòu)的正確性。同時，將基于該模型的典型仿真結(jié)果和相應(yīng)的半實物仿真結(jié)果進(jìn)行比較，采用Theil不等式系數(shù)法(Theil Inequality Coefficient, TIC)在時域內(nèi)對比分析跟蹤方位角、導(dǎo)彈位置坐標(biāo)等數(shù)據(jù)的一致性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：計算結(jié)果一般處于0.1～0.2區(qū)間內(nèi)，滿足工程經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)(TIC<0.3)，說明模型運算結(jié)果與半實物仿真結(jié)果具有較好的一致性，驗證了模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖4 箔條質(zhì)心干擾仿真結(jié)果

4 結(jié)論

綜合分析豐富的裝備試驗數(shù)據(jù)，面向作戰(zhàn)仿真需求構(gòu)建裝備實體的行為模型，是對試驗數(shù)據(jù)的深加工，既可以提高裝備試驗的附加效益，又可以提高作戰(zhàn)仿真模型的逼真度，增加宏觀層次作戰(zhàn)仿真的可信性。本文通過戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)仿真模型構(gòu)建實例，給出了裝備試驗與作戰(zhàn)仿真建模相結(jié)合的工程化方法，為靶場開展裝備作戰(zhàn)試驗和平行試驗研究提供了一條新思路。

裝備試驗可以為作戰(zhàn)仿真建模提供支撐，作戰(zhàn)仿真需求也可以反過來指導(dǎo)裝備試驗，促使武器裝備試驗由“標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的性能試驗”向“近似實戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)試驗”轉(zhuǎn)變。在二者結(jié)合過程中，相關(guān)的作戰(zhàn)試驗數(shù)據(jù)處理、作戰(zhàn)仿真建?？蚣?、作戰(zhàn)試驗項目設(shè)計等理論方法仍有待進(jìn)一步深入研究。

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(責(zé)任編輯:尚彩娟)

Tactical Missile Operational Simulation Modeling Based on Equipment Test

CUI Lian-hu

(Troop No. 91336 of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Aiming at the problem of credibility of combat simulation system, the idea of combining equipment test and operational simulation modeling is put forward. Taking the tactical missile operational simulation modeling as an example, the equipment test result of tactical missile and seeker is analyzed, the structure of the model is designed, the model parameters are revised based on equipment test data, and tactical missile behavior model under complex electromagnetic environment based on Agent method is constructed. The results of application show that, the results of model simulation and the hardware-in-the-loop simulation test has a better consistency, and can directly serve the tactical level simulation deduction. In addition, the modeling thought and method can also provide new ideas for the development of combat test and parallel experiment in military range.

tactical missile; equipment test; operational simulation; Agent

1672-1497(2015)03-0095-05

2015-01-08

崔連虎(1983-)，男，工程師，碩士。

TJ761.1；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.019