高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗方法

葛承壟，朱元昌，邸彥強，孟憲國

（軍械工程學院，石家莊 050003）

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗方法

葛承壟，朱元昌，邸彥強，孟憲國

（軍械工程學院，石家莊 050003）

首先介紹了高炮武器系統(tǒng)對空射擊精度試驗現狀，針對傳統(tǒng)試驗方法存在的成本高昂、組織繁瑣、試驗周期長等不足，提出了一種基于抽樣的虛擬射擊試驗方法，介紹了虛擬射擊試驗原理，給出了虛擬射擊試驗系統(tǒng)結構圖，重點討論了各系統(tǒng)的主要功能，最后給出了虛擬射擊試驗的數據流分析、組織實施流程和驗證思路。

高炮武器系統(tǒng)，射擊試驗，虛實結合

0 引言

虛擬試驗場VPG（Virtual Proving Ground）技術是美軍于20世紀90年代末提出的一種旨在實現多靶場一體化聯合試驗訓練和靶場仿真資源互操作、可重用的一種新技術，代表了武器系統(tǒng)試驗鑒定的發(fā)展方向。國內研究人員針對虛擬試驗場也取得了部分研究成果。文獻［1］系統(tǒng)闡述了虛擬靶場的特點及技術內涵，設計了基于TENA的虛擬靶場總體框架；文獻［2］從虛擬試驗場體系結構、一體化信息系統(tǒng)、通用合成環(huán)境等方面介紹了虛擬試驗場的研究現狀，并給出了虛擬試驗場未來的幾點發(fā)展趨勢；文獻［3］介紹了虛實合成試驗的基本內涵，闡述了研究反艦導彈突防虛實合成試驗方法的必要性和意義，構建了反艦導彈突防虛實合成系統(tǒng)并論述了其組成功能。

高炮武器系統(tǒng)是地面防空領域的重要力量，然而國內針對高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗方法的研究還是空白?，F有的射擊精度試驗方法是以航模作為目標靶機，隨著高炮武器系統(tǒng)性能的不斷提升，對高速航模靶機的需求也日益增加。這使得現有射擊精度試驗方法面臨試驗成本的急劇增加，為了更好、更快、更經濟地完成靶場高炮武器系統(tǒng)射擊試驗任務，本文突破傳統(tǒng)物理靶場的觀念，就高炮武器系統(tǒng)對空虛擬射擊試驗技術進行了研究并提出了一種可行的虛擬射擊試驗方法。

1 虛擬射擊試驗方法原理

針對靶場試驗過程中存在的試驗成本、試驗誤差、試驗周期等突出問題，提出了基于抽樣的虛擬射擊試驗方法，其原理如圖1所示。

圖1 基于抽樣的虛擬射擊試驗原理圖

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗方法的基本思想為：首先基于動態(tài)精度飛行試驗數據，利用抽樣理論獲得目標測量值數據和目標真值數據，然后用目標真值數據替代目標靶機，用目標測量值數據替代目標坐標測定器的測量值，將目標測量值數據注入到被試武器系統(tǒng)中，解算射擊諸元，驅動火力系統(tǒng)進行射擊，利用脫靶量測量標準設備得到彈道坐標數據，通過脫靶量數據處理分析武器系統(tǒng)射擊精度。其中，基于抽樣理論的目標測量值數據和目標真值數據的生成過程稱之為航跡生成。

2 虛擬射擊試驗系統(tǒng)組成及功能

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗是以評估高炮綜合體在接近真實試驗環(huán)境下的射擊精度為目的，采用虛實結合的試驗方式，構建成本低廉、周期較短、可信度高的試驗平臺。高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗系統(tǒng)結構如圖2所示，主要由被試武器系統(tǒng)、實時測試系統(tǒng)、航跡生成系統(tǒng)、航跡注入系統(tǒng)、虛擬場景合成系統(tǒng)、虛擬空間和坐標映射關系組成。整個系統(tǒng)在數據流的支持下構成統(tǒng)一的整體。

圖2 虛擬射擊試驗系統(tǒng)結構圖

2.1 航跡生成系統(tǒng)

由于整個虛擬射擊試驗系統(tǒng)由數據流驅動，獲取虛擬射擊試驗所需的航跡是進行虛擬射擊試驗的前提條件，因此，航跡生成系統(tǒng)起到“數據源”的作用，是整個虛擬射擊試驗系統(tǒng)的核心組成部分。

航跡生成過程由確定數學假設、確定動態(tài)精度飛行試驗有效航次數［4］、抽樣算法［5］、航跡生成驗證4部分組成，在邏輯上形成問題研究的閉環(huán)。首先，完成對某一時刻測量誤差分布的假定，為生成航跡奠定理論基礎。其次，通過估計全航路的系統(tǒng)誤差置信區(qū)間［6］長度和均方差置信區(qū)間長度，觀察二者隨動態(tài)精度飛行試驗航次數（樣本量）的變化趨勢，確定動態(tài)精度飛行試驗的有效航次數，使得N條航跡數據在一定置信水平下代表同一試驗條件下全部航次的數據特征，同時計算全航路動態(tài)精度性能指標［7］。再次，確定有效航次數之后，通過分析航跡個體間的差異程度，選取適當的抽樣算法，抽取虛擬射擊試驗所需的一條航跡。最后從相關數學假設的驗證和檢驗動態(tài)精度性能指標的置信水平出發(fā)，利用假設檢驗理論對航跡生成過程進行驗證。

2.2 航跡注入系統(tǒng)

航跡注入系統(tǒng)完成將生成的目標測量值數據注入到火控系統(tǒng)中，主要由航跡注入接口完成。注入接口是被試武器與虛擬試驗系統(tǒng)之間進行數據交互的硬件接口設備。針對不同型號、不同物理接口電氣關系、不同數據傳輸協(xié)議的被試武器系統(tǒng)，利用特定的注入接口進行航跡注入。

2.3 被試武器系統(tǒng)

被試武器系統(tǒng)是虛擬射擊試驗中的真實資源，其主要作用是經航跡生成得到目標測量值之后進行射擊諸元解算，得到射角和方位角，并驅動火力系統(tǒng)對靶機的虛擬航跡進行射擊。

2.4 實時測試系統(tǒng)

火力系統(tǒng)對虛擬航跡進行射擊后，彈丸彈道坐標的獲取主要依靠實時測試系統(tǒng)，即靶場測量設備。在真實射擊精度試驗中，目標測量值數據和目標真值數據分別由目標坐標測定器和目標標準測量設備測得；而在虛擬射擊試驗中，目標測量值數據和目標真值數據經抽樣產生，因而真實資源中的靶場測量設備主要是指彈道標準測量設備。

2.5 坐標映射關系

構建基于Virtools下的虛擬試驗環(huán)境，“虛”、“實”之間需要交互大量的數據，而這些數據是在不同坐標系下定義的。主要涉及4個坐標系［8］：靶場中的車體坐標系、靶場中的北天東大地坐標系、Virtools中的世界坐標系、Virtools中的大地坐標系。因而坐標映射關系主要解決靶場和虛擬試驗環(huán)境的坐標系不一致問題，使二者達到空間一致。首先，明確坐標系的建立原則，即坐標原點位置及X、Y、Z的方向定義。其次，根據火控系統(tǒng)原理，確定坐標系的旋轉、平移轉換關系。最后，確定坐標系的映射關系。

2.6 虛擬場景合成系統(tǒng)

虛擬場景合成系統(tǒng)主要完成兩大任務。一方面，利用3dsmax軟件實現虛擬試驗環(huán)境及靶機、彈丸等的幾何、物理建模，并基于Virtools軟件將建模對象合成到統(tǒng)一的試驗環(huán)境中。另一方面，實現相關數據信息的融合和交互，為在虛擬空間中統(tǒng)計射擊精度提供保證。

2.7 虛擬空間

虛擬空間為虛擬射擊試驗提供虛擬環(huán)境，主要包括虛擬靶場環(huán)境、虛擬靶機和虛擬彈丸等。為逼真地反映對空射擊試驗過程，在虛擬空間必須完成對目標實體的行為建模。其中虛擬靶機依靠生成的目標真值數據驅動飛行，彈丸由經坐標映射獲得的坐標數據驅動飛行，同時在虛擬空間內得到脫靶量計算結果，用于評定高炮武器系統(tǒng)射擊精度。

3 虛擬射擊試驗數據流分析

虛擬射擊試驗的數據流主要有兩條。一條是“由虛入實”數據流；另一條是“由實入虛”數據流。虛擬射擊試驗數據流示意圖如圖3所示。

“由虛入實”數據流：航跡生成后得到目標測量值數據，然后通過火控接口注入火控系統(tǒng)中，解算射擊諸元，驅動彈丸飛行。一方面，航跡生成后得到目標真值數據，并導入虛擬空間驅動虛擬靶機飛行；另一方面，在高炮武器系統(tǒng)對虛擬航跡進行射擊過程中，彈道標準測量設備實時測量彈丸坐標，通過坐標映射方法將彈丸坐標數據映射入虛擬空間并驅動虛擬彈丸的射擊飛行。除了以上兩條數據流外，相關虛擬射擊試驗數據將被存儲，用于回放虛擬射擊試驗過程。

圖3 虛擬射擊試驗數據流分析

4 虛擬射擊試驗組織實施

為更有效開展虛擬射擊試驗，需要規(guī)范的組織實施流程。首先根據試驗要求、靶場經驗、抽樣指標、抽樣算法等確定樣本要求并得到樣本（樣本量為N），然后判斷樣本是否滿足要求，若不滿足則重新進行動態(tài)精度飛行試驗獲取新樣本，直至樣本滿足要求。若滿足樣本要求，則根據樣本內部個體差異、抽樣規(guī)模和相應抽樣參數等因素選擇一定的抽樣方法進行抽樣得到目標測量值和目標真值。接下來進行對空虛擬射擊試驗，并進行脫靶量計算，最后得到射擊精度的統(tǒng)計結果。虛擬射擊試驗組織實施流程如圖4所示。

圖4 虛擬射擊試驗組織實施流程

5 試驗驗證思路

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗突破了傳統(tǒng)實裝試驗模式，是一種虛擬試驗與實裝相結合的試驗方法，試驗的可信性反映了試驗方法的正確與否，亟需適當的驗證方法進行驗證。

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗與傳統(tǒng)實裝試驗的主要區(qū)別在于：以虛擬靶機替代實際靶機飛行，虛擬靶機的飛行由抽樣產生的實測數據驅動；負責拍攝同幀畫幅的靶場光學設備無法拍攝到靶機，射擊精度統(tǒng)計（脫靶量的計算）需要在虛擬環(huán)境中完成。因而試驗方法的驗證主要從以下兩點入手。①針對提出的相關假設，利用分布檢驗和假設檢驗理論對航跡生成進行驗證；②對傳統(tǒng)試驗方法和“虛實結合”試驗方法得到的脫靶量數據進行對比分析，根據脫靶量統(tǒng)計特性（均值、方差）判定兩種方法是否有顯著差異。

6 結論

高炮武器系統(tǒng)對空射擊精度試驗成本高、試驗周期長、組織復雜，在真實環(huán)境中進行試驗受到制約，因而必須逐漸改變當前的試驗模式。本文提出的一種高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗方法，將仿真技術應用到靶場試驗中，實現由傳統(tǒng)實裝試驗向“虛實結合”試驗的轉變。

［1］關萍萍，翟正軍.虛擬靶場運行支撐體系結構研究［J］.計算機測量與控制，2009，17（2）：2475-2478.

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［3］李一，馮楠.反艦導彈突防虛實合成試驗方法［J］.火力與指揮控制，2012，37（10）：185-188.

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［5］杜子芳.抽樣技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，2005：105-110.

［6］盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數理統(tǒng)計［M］.北京：高等教育出版社，2000：195-200.

［7］GJB3856—99.中華人民共和國國家軍用標準——高炮綜合體定型試驗規(guī)程［S］.北京：國防科工委，1999.

［8］梁冠輝，朱元昌，邸彥強.基于HLA/Virtools的高炮火控系統(tǒng)仿真平臺設計［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（21）：6954-6958.

Research on Virtual Firing Test Method for Anti-aircraft Weapon System

GE Cheng-long，ZHU Yuan-chang，DI Yan-qiang，MENG Xian-guo
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The status of anti-aircraft weapon system firing precision test is introduced firstly，and aiming at the deficiencies of high cost and long cycle and complicated organization process，a virtual firing test method based on sampling is proposed and the principle of virtual firing test is introduced. Then the structure chart of virtual firing test system is put forward，and system’s major functions are mainly discussed in this paper.The data flow，organizing execution flow and validation notion of virtual firing test are acquired finally.

anti-aircraft weapon system，firing test，virtual and real complex

TP391.9

A

1002-0640（2015）05-0157-03

2014-03-02

2014-04-21

葛承壟（1990- ），男，山東平陰人，碩士。研究方向：武器系統(tǒng)仿真。