彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)通用設(shè)計(jì)方法*

肖 凡，張 濤，馬 暄

(1 海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042;2 海軍裝備研究院，北京 100161)

0 引言

精度［1］是彈道導(dǎo)彈重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)之一，在論證、評(píng)定及作戰(zhàn)使用階段都具有重要價(jià)值。由于試驗(yàn)費(fèi)用、靶場(chǎng)測(cè)試條件等影響，飛行試驗(yàn)數(shù)量受到了極大的限制，精度分析即使采用小子樣分析的方法［2］，飛行試驗(yàn)子樣也難以滿(mǎn)足要求，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真技術(shù)的發(fā)展，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用于彈道導(dǎo)彈精度分析成為了一種重要手段。

文獻(xiàn)［3］采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)導(dǎo)彈命中精度進(jìn)行仿真試驗(yàn)與評(píng)估;文獻(xiàn)［4］介紹了仿真方法在精度分析中的應(yīng)用;文獻(xiàn)［5］給出了基于 HLA/RTI［6］彈道導(dǎo)彈精度分析仿真系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方案和一個(gè)系統(tǒng)體系架構(gòu)的技術(shù)參考模型。上述文獻(xiàn)及國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究主要涉及仿真方法、模型驗(yàn)證及系統(tǒng)體系架構(gòu)等問(wèn)題，側(cè)重于仿真技術(shù)的具體運(yùn)用。

隨著彈道導(dǎo)彈型號(hào)和精度分析目的的逐步豐富，其精度仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的通用性、重用性需求日益顯現(xiàn)。文中將對(duì)此進(jìn)行探討和研究，以滿(mǎn)足需求的不斷變化，為提高彈道精度仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重用性和通用性提供了技術(shù)途徑。

1 系統(tǒng)功能及流程簡(jiǎn)析

彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的應(yīng)用可以概括為4個(gè)方面:精度指標(biāo)分配、精度評(píng)定、精度預(yù)測(cè)及精度試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)。精度指標(biāo)分配是裝備論證階段的重要工作，精度仿真系統(tǒng)能夠加入任意干擾，提供不同飛行程序所對(duì)應(yīng)的落點(diǎn)偏差，據(jù)此為精度指標(biāo)分配提供決策依據(jù);精度評(píng)定是彈道導(dǎo)彈定型的重要工作之一，精度仿真系統(tǒng)應(yīng)該具備模擬打靶和精度估計(jì)功能;精度預(yù)測(cè)對(duì)彈道導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，目的是預(yù)測(cè)一定干擾條件下導(dǎo)彈的落點(diǎn)精度，為作戰(zhàn)使用提供決策依據(jù);精度試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)能夠再現(xiàn)飛行試驗(yàn)的飛行彈道，有效考核各項(xiàng)誤差分離結(jié)果的準(zhǔn)確性。

精度仿真的基本流程如圖1所示。干擾是精度仿真系統(tǒng)的輸入條件，精度指標(biāo)分配中輸入的數(shù)據(jù)屬于預(yù)設(shè)干擾;精度評(píng)定中的輸入屬于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者模型;精度預(yù)測(cè)和精度試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)中的輸入屬于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。精度仿真的目的是得到標(biāo)準(zhǔn)彈道和干擾彈道的六自由度數(shù)值仿真落點(diǎn)。結(jié)果分析是采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)仿真所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如求取數(shù)據(jù)方差、均值，利用Bayes方法［7］求精度點(diǎn)或者區(qū)間估計(jì)等。

圖1 精度仿真的基本過(guò)程

2 模型設(shè)計(jì)

建模是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，無(wú)論精度仿真系統(tǒng)的仿真對(duì)象是何種型號(hào)、仿真的目的是什么，系統(tǒng)建模都離不開(kāi)需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和系統(tǒng)行為分析。

UML(unified modeling language)是面向?qū)ο蟮目梢暬ＵZ(yǔ)言，是面向?qū)ο箢I(lǐng)域中的重要成果，UML建模提供了新的軟件模型描述方法，能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段提供統(tǒng)一的可視化模型描述，其統(tǒng)一過(guò)程的迭代式生命周期適應(yīng)于需求的不斷變化，為提高系統(tǒng)重用性提供了保證［8-9］。

UML對(duì)精度仿真系統(tǒng)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)時(shí)步驟如下:第一步是需求描述模型設(shè)計(jì)，第二步是結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，第三步是行為模型設(shè)計(jì)。UML的用例圖(usecase diagram)非常適合需求描述模型設(shè)計(jì);UML的靜態(tài)模型中的類(lèi)圖(class diagram)、對(duì)象圖(object diagram)、包圖(package diagram)、構(gòu)件圖(component diagram)和配置圖(deployment diagram)等能夠從不同角度描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適合于精度仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì);第三步行為模型設(shè)計(jì)可以通過(guò)UML動(dòng)態(tài)模型中的順序圖(sequence diagram)、協(xié)作圖(collaboration diagram)、狀態(tài)圖(state diagram)和活動(dòng)圖(activity diagram)完成。

2.1 需求描述模型

用例圖描述系統(tǒng)外部的執(zhí)行者與系統(tǒng)提供的用例之間的某種聯(lián)系，其中用例是對(duì)系統(tǒng)功能的描述，執(zhí)行者則是使用這些用例的角色或外部系統(tǒng)［10-11］。

如前所述，用戶(hù)使用精度仿真系統(tǒng)的目的無(wú)外乎以下4個(gè)方面:精度指標(biāo)分配、精度評(píng)定、精度預(yù)測(cè)及精度試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)，這便是系統(tǒng)最大的需求，這些需求的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)六自由度仿真，包括標(biāo)準(zhǔn)彈道仿真和干擾彈道仿真。通過(guò)UML的用例圖描述如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)需求描述用例圖

2.2 結(jié)構(gòu)模型

精度仿真系統(tǒng)涉及的單元非常多，包括指標(biāo)、干擾、精度算法、測(cè)試數(shù)據(jù)、六自由度仿真、結(jié)果分析等，各單元之間相互交錯(cuò)、單元內(nèi)部構(gòu)成復(fù)雜。類(lèi)(class)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)中最基本的元素，類(lèi)模型揭示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［12］。因此可以通過(guò)UML類(lèi)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的升級(jí)能力和通用性，建模時(shí)首先應(yīng)該理清類(lèi)之間的層次關(guān)系，再對(duì)各層的類(lèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2.1 類(lèi)間層次關(guān)系

根據(jù)彈道導(dǎo)彈精度仿真的特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)的通用性出發(fā)，文中將系統(tǒng)的類(lèi)設(shè)計(jì)為4個(gè)層次:算法層、專(zhuān)業(yè)層、應(yīng)用層和用戶(hù)層，如圖3所示。

精度仿真中涉及到大量的通用計(jì)算，如插值、矩陣、矢量、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、方程求解、積分、均值、方差、常見(jiàn)數(shù)據(jù)分布、隨機(jī)抽樣、點(diǎn)估計(jì)、區(qū)間估計(jì)、小子樣Bayes計(jì)算等。算法層通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算類(lèi)庫(kù)(calculation class)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述通用計(jì)算，為專(zhuān)業(yè)層中的類(lèi)提供計(jì)算支持，代碼重用性好。

圖3 類(lèi)間層次關(guān)系

專(zhuān)業(yè)層是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，提供飛行仿真與干擾生成的各種功能。它針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)，調(diào)用算法層中的算法，在彈道導(dǎo)彈精度仿真應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)是完全通用的，代碼重用性好。

應(yīng)用層是對(duì)專(zhuān)業(yè)層的具體化，針對(duì)特定的型號(hào)和仿真應(yīng)用，代碼重用性稍差。

用戶(hù)層負(fù)責(zé)與用戶(hù)交互，其代碼是完全具體的，不具有重用性。

在算法層、專(zhuān)業(yè)層、應(yīng)用層和用戶(hù)層中，專(zhuān)業(yè)層的建模最為重要，既是彈道導(dǎo)彈精度仿真專(zhuān)業(yè)的集成，而且設(shè)計(jì)要具有重用性，即能夠滿(mǎn)足不同型號(hào)和應(yīng)用的需要，下面將對(duì)其建模進(jìn)行分析。

2.2.2 專(zhuān)業(yè)層模型

專(zhuān)業(yè)層是系統(tǒng)建模的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)成由飛行仿真類(lèi)庫(kù)和干擾類(lèi)庫(kù)兩大部分組成，飛行仿真類(lèi)庫(kù)包含眾多的子類(lèi)，最終組成飛行仿真類(lèi)，包含的一級(jí)子類(lèi)有火箭類(lèi)、彈頭類(lèi)、地球類(lèi)、大氣類(lèi)、空氣動(dòng)力類(lèi)和發(fā)射信息類(lèi)，如圖4所示。限于篇幅，各子類(lèi)的建模文中不予詳述，其具體設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)［13］。

圖4 飛行仿真類(lèi)結(jié)構(gòu)模型

干擾類(lèi)(disturbance class)在精度仿真系統(tǒng)中具有重要地位，對(duì)其進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的建模關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。彈道導(dǎo)彈一般采用慣性制導(dǎo)的主動(dòng)式方案，影響落點(diǎn)精度的主要干擾為兩大類(lèi):初始誤差和工具誤差，方法誤差、氣動(dòng)參數(shù)誤差、質(zhì)量偏差、擾動(dòng)引力、高空風(fēng)等對(duì)精度有一定影響，但影響相對(duì)較小。結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 干擾類(lèi)結(jié)構(gòu)模型

2.3 行為模型

厘清精度仿真系統(tǒng)各實(shí)體間的行為關(guān)系是建模的重要環(huán)節(jié)。UML的順序圖能夠很好的描述系統(tǒng)實(shí)體內(nèi)部和實(shí)體之間的交互行為，體現(xiàn)實(shí)體間消息傳遞的時(shí)間順序。

本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要涉及發(fā)射信息、算法器、干擾器、六自由度仿真器、結(jié)果分析器及界面處理器等實(shí)體，通過(guò)六自由度的標(biāo)準(zhǔn)彈道和干擾彈道仿真獲取精度仿真結(jié)果，這一行為過(guò)程用順序圖描述如圖6所示。

圖6 仿真順序圖

3 軟硬件設(shè)計(jì)

需求描述模型、結(jié)構(gòu)模型及行為模型的建立使得系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)和交互關(guān)系得以清晰描述，為彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了支撐。

以模型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)的通用性出發(fā)，文中將彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙機(jī)多軟件結(jié)構(gòu):雙機(jī)即采用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的硬件方案;多軟件即以結(jié)構(gòu)模型和行為模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)六自由度飛行仿真軟件、干擾生成軟件、界面交互軟件、結(jié)果分析軟件及可視化等軟件，軟硬件結(jié)構(gòu)及配置關(guān)系如圖7所示。

圖7 軟硬件結(jié)構(gòu)及配置關(guān)系

管理計(jì)算機(jī)中運(yùn)行界面交互軟件、干擾生成軟件、結(jié)果分析軟件及可視化等軟件。界面交互軟件處理用戶(hù)的操作響應(yīng)、仿真結(jié)果的顯示;干擾生成軟件生成各種干擾，用于干擾彈道仿真;結(jié)果分析軟件對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)彈道和干擾彈道仿真結(jié)果，進(jìn)行精度計(jì)算;可視化軟件對(duì)六自由度飛行過(guò)程進(jìn)行可視化顯示，增加系統(tǒng)的交互效果和美感(這部分軟件根據(jù)需要可以不進(jìn)行設(shè)計(jì))。

由于六自由度飛行仿真需要的系統(tǒng)資源較多，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，仿真計(jì)算機(jī)只運(yùn)行六自由度飛行仿真軟件。管理計(jì)算機(jī)將參數(shù)及干擾等信息發(fā)送給仿真計(jì)算機(jī)，仿真計(jì)算機(jī)將仿真結(jié)果傳給管理計(jì)算機(jī)。圖8為所設(shè)計(jì)某型彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的軟件部分界面圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿(mǎn)足不同型號(hào)和仿真目的的需要，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性和重用性為目標(biāo)，文中將UML建模技術(shù)用于彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)，建立了適合于多種型號(hào)及不同仿真目的的需求描述模型、結(jié)構(gòu)模型和行為模型，在模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)的通用性出發(fā)，建立了彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的雙機(jī)多軟件架構(gòu)，并據(jù)此設(shè)計(jì)了某型彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)。

該設(shè)計(jì)方法適應(yīng)需求的不斷變化，為提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重用性和通用性提供了保證。計(jì)算類(lèi)及飛行仿真類(lèi)的功能和設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的通用性至關(guān)重要，是工程運(yùn)用中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注和值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

圖8 軟件界面

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