潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地優(yōu)選輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 凡 陸銘華 張 濤

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

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潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地優(yōu)選輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 凡1陸銘華1張 濤2

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

在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用UML建模技術(shù)從需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)交互過程3個(gè)方面對潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地優(yōu)選輔助決策進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)。構(gòu)建了系統(tǒng)需求描述的UML模型，通過分解用例模型，分析系統(tǒng)的類結(jié)構(gòu)體系及關(guān)聯(lián)關(guān)系建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用順序圖構(gòu)建了系統(tǒng)行為描述模型。該方法有效提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)在實(shí)用性基礎(chǔ)上，還具有復(fù)用性及拓展性。 關(guān)鍵詞 UML；潛基導(dǎo)彈；陣地；優(yōu)選；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；模型

對陸基導(dǎo)彈而言，作戰(zhàn)任務(wù)中目標(biāo)的方位、防護(hù)、性質(zhì)以及預(yù)期的打擊效果等都制約著發(fā)射陣地的選擇[1]。目前，對于陸基導(dǎo)彈發(fā)射陣地的研究較為深入，文獻(xiàn)[1]探討了陸基導(dǎo)彈最優(yōu)發(fā)射陣地的選擇問題，運(yùn)用層次分析法建立了評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算模型；文獻(xiàn)[2]針對發(fā)射陣地上的設(shè)施、裝備、人員、組織、管理及陣地環(huán)境等多方面因素進(jìn)行綜合性風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估，提出了發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與處置的方法；文獻(xiàn)[3]主要分析了彈道導(dǎo)彈發(fā)射陣地可能面臨的來自空間和空中的威脅，包括被偵察和被攻擊的威脅，提出了提高彈道導(dǎo)彈發(fā)射陣地生存能力和防護(hù)能力應(yīng)配備的電子防護(hù)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]將DS證據(jù)理論引入，研究了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射陣地選擇的DS/AHP方法；文獻(xiàn)[5]根據(jù)評(píng)估指標(biāo)，運(yùn)用模糊多屬性理論，建立了飽和攻擊反艦導(dǎo)彈發(fā)射陣位優(yōu)選評(píng)判模型。相對于陸基導(dǎo)彈，潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地的選擇、艇載導(dǎo)彈的數(shù)量、通信保障和海區(qū)水文氣象等因素都需要研究和考慮，其制約因素多、選擇難度大。目前，這方面的研究在國內(nèi)尚處于起始階段，相關(guān)研究成果鮮有報(bào)道，亟待深入研究。

潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地優(yōu)選需考慮的因素多，且與裝備戰(zhàn)技指標(biāo)密切相關(guān)，本文將對潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，探討一種適用于不同代型潛基導(dǎo)彈、能夠拓展與重用的通用設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

考慮到潛基洲際導(dǎo)彈需要隱蔽性好、發(fā)射可靠，發(fā)射條件高等因素，其發(fā)射陣地輔助決策系統(tǒng)應(yīng)至少具備如下功能：

1)火力控制范圍計(jì)算與圖示；

2)通信保障范圍圖示；

3)海區(qū)水文氣象統(tǒng)計(jì)；

4)發(fā)射陣地優(yōu)選區(qū)域計(jì)算。

若考慮全時(shí)值班，待命發(fā)射等情況，還應(yīng)具備潛艇航路規(guī)劃、航渡與發(fā)射區(qū)域值班時(shí)間計(jì)算、兵力保障能力分析等功能。

火力控制范圍是發(fā)射區(qū)域選擇的關(guān)鍵制約因素。對于潛基遠(yuǎn)程(洲際)彈道導(dǎo)彈而言，由于受地球自轉(zhuǎn)等因素影響，對于給定的任意發(fā)射點(diǎn)(南、北極除外)相對戰(zhàn)標(biāo)給定的標(biāo)準(zhǔn)射程，實(shí)際射程偏差為正負(fù)數(shù)百至幾千公里。多彈齊射時(shí)，同一發(fā)射位置不同射向的導(dǎo)彈其最大(最小)可達(dá)射程也存在數(shù)百乃至上千公里的差異。 因此，火力控制范圍計(jì)算與圖示對于發(fā)射區(qū)域選擇輔助決策尤為重要。可以采用彈道飛行仿真的計(jì)算方法精確計(jì)算同一位置導(dǎo)彈不同射向(可取射向間隔一定角度，比如10°)的打擊范圍，從而構(gòu)建某發(fā)射位置的火力控制范圍。

陸基導(dǎo)彈一般處于領(lǐng)土范圍內(nèi)發(fā)射，通信保障良好。而潛艇常常處于大洋深入，距離海岸線較遠(yuǎn)，且行動(dòng)隱蔽，其通信保障困難,存在隱蔽要求與通信暴露的矛盾。由于遠(yuǎn)離腹地，通信距離遠(yuǎn)，通信波段受到限制(一般采用長波方式)，且速度慢、錯(cuò)碼率高。通信保障對潛基導(dǎo)彈發(fā)射非常重要，尤其對于潛基戰(zhàn)略導(dǎo)彈而言。發(fā)射指令的正確傳輸是確?？煽堪l(fā)射的基本要求。因此，發(fā)射區(qū)域選擇應(yīng)該符合通信保障范圍要求，而通信保障范圍圖示為輔助決策提供了最為直觀的手段。

水文氣象是潛基導(dǎo)彈發(fā)射的重要約束條件，是發(fā)射區(qū)域優(yōu)選需要重點(diǎn)考慮的因素。風(fēng)浪、洋流對導(dǎo)彈發(fā)射影響最為顯著，風(fēng)浪過大易導(dǎo)致導(dǎo)彈出水姿態(tài)失穩(wěn)而失?。谎罅髅土覍?dǎo)致潛艇難于操縱、平臺(tái)不易瞄準(zhǔn)，導(dǎo)彈無法發(fā)射。因此，統(tǒng)計(jì)不同海區(qū)、不同季節(jié)的水文氣象歷史數(shù)據(jù)，對于優(yōu)選發(fā)射區(qū)域具有重要的輔助決策作用。

綜合考慮各種因素，選取恰當(dāng)?shù)姆椒ㄓ?jì)算發(fā)射陣地優(yōu)選區(qū)域是輔助決策的核心功能,關(guān)鍵是算法的選取?？紤]輔助決策的特性，一般可以采用層次分析法、模糊決策等方法。相對重要度(相對優(yōu)屬度)是上述方法計(jì)算中重要的影響因子，為了有效減少人為主觀臆斷，可以采用扎德教授提出的優(yōu)屬度計(jì)算方法[6]。

2 系統(tǒng)建模

UML(Unified Modeling Language)是一種基于面向?qū)ο蟮目梢暬ＵZ言[7]，它用圖形符號(hào)表示模型元素，可消除一些潛在的不必要的差異，還可通過統(tǒng)一語義和符號(hào)表示，使項(xiàng)目根植于一個(gè)成熟的標(biāo)準(zhǔn)建模語言，拓寬所開發(fā)的軟件系統(tǒng)的適用范圍，提高靈活程度，是一種在軍事戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略仿真等大型復(fù)雜系統(tǒng)建模領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用并得到普遍認(rèn)可的軟件工程方法[8-9]。

UML包括基本構(gòu)造塊、支配運(yùn)用構(gòu)造塊的規(guī)則和機(jī)制3個(gè)要素。基本構(gòu)造塊包括事物、關(guān)系和圖，事物包括結(jié)構(gòu)事物、行為事物和分組事物；關(guān)系包括依賴、關(guān)聯(lián)、泛化和實(shí)現(xiàn)。規(guī)則包括為事物、關(guān)系和圖命名，給名字以特定含義即范圍，使用即可見性；事物正確、一致地相互聯(lián)系即完整性；運(yùn)行或模擬動(dòng)態(tài)模型即執(zhí)行。機(jī)制包括詳細(xì)說明、修飾、通用劃分和擴(kuò)展。

UML支持從需求分析開始的軟件開發(fā)全過程。UML通過3類圖形建立系統(tǒng)模型：用例圖、靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖(對象類圖、對象圖、組件圖及配置圖)和動(dòng)態(tài)行為圖(順序圖、協(xié)同圖、狀態(tài)圖及活動(dòng)圖)，這些圖從不同的抽象角度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化。本文將從需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)交互過程(行為)這3個(gè)方面完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 需求描述

用例模型明確系統(tǒng)需求、范圍和作用，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的基礎(chǔ)[10]。用例圖中，橢圓表示用例，執(zhí)行者用“人形”圖符表示，用例和執(zhí)行者之間的連線表示二者之間的關(guān)聯(lián)和信息交流。

決策者通過火力控制范圍計(jì)算與圖示、通信保障范圍圖示和海區(qū)水文氣象統(tǒng)計(jì)綜合判斷、自行優(yōu)選發(fā)射區(qū)域，或者通過發(fā)射陣地優(yōu)選區(qū)域計(jì)算直接優(yōu)選發(fā)射陣地。優(yōu)選算法、水文氣象數(shù)據(jù)分析、通信覆蓋范圍計(jì)算、彈道飛行仿真和擴(kuò)展功能模塊是實(shí)現(xiàn)輔助決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)。圖1為系統(tǒng)UML需求描述的用例圖。

圖1 系統(tǒng)用例圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

類(Class)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)中最基本的元素，類模型揭示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[11]。建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型一般分2步進(jìn)行：先細(xì)化用例模型, 提取系統(tǒng)中的類，再對類的屬性和操作進(jìn)行描述。

根據(jù)需求描述的用例圖，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模方法，細(xì)化用例模型，提取系統(tǒng)中的主要類如下：彈道飛行仿真類(TraSimulation)、通信范圍覆蓋計(jì)算類(ComunicationCal)、水文氣象數(shù)據(jù)分析類(HydroAnalyse)、擴(kuò)展功能類(ExFunction)、優(yōu)選計(jì)算類(Select)、數(shù)據(jù)管理類(DataManage)和圖示類(Visual)，其關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 類間關(guān)聯(lián)關(guān)系

1)彈道飛行仿真類

彈道飛行仿真類是火力覆蓋功能實(shí)現(xiàn)的核心支撐，其計(jì)算復(fù)雜，依賴的類包括導(dǎo)彈類、諸元類、干擾類及標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境類等。

導(dǎo)彈類(Missile)由狀態(tài)變量類(State)、導(dǎo)航制導(dǎo)控制類(GNC)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)類(Actuator)、發(fā)動(dòng)機(jī)組類(EngineGroup)、平臺(tái)類(Platform)、彈載計(jì)算機(jī)類(Computer)和彈頭類(Head)組成。狀態(tài)變量類隨坐標(biāo)系和計(jì)算模型而異，不同狀態(tài)變量對應(yīng)不同的積分右函數(shù)；導(dǎo)航制導(dǎo)控制類負(fù)責(zé)導(dǎo)彈的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制算法；執(zhí)行機(jī)構(gòu)類提供控制力及力矩；發(fā)動(dòng)機(jī)組類提供導(dǎo)彈的推力；平臺(tái)類提供平臺(tái)接口及功能；彈載計(jì)算機(jī)類提供彈上計(jì)算機(jī)通信接口及功能；彈頭類提供彈頭各種參數(shù)信息。

諸元類(Data)由實(shí)時(shí)諸元類(RealtimeData)和固定諸元類(FixData)組成。實(shí)時(shí)諸元類提供發(fā)射時(shí)潛艇位置、速度、深度、姿態(tài)等有關(guān)信息；固定諸元類提供飛行程序角、導(dǎo)引參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)和單元測試參數(shù)等信息。

干擾類(Disturb)由定位誤差類(PosWarp)、定向誤差類(OrientWarp)、速度誤差類(VeloWrap)、高空風(fēng)類(AltitudeWind)、擾動(dòng)引力類(AbGravitation)、氣壓偏差類(AirPressWrap)及大氣密度偏差類(AirDenWrap)組成。

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境類(StanEvi)提供標(biāo)準(zhǔn)彈道相關(guān)參數(shù)，由地球類(Earth)、大氣類(Air)及參數(shù)類(Coefficient)組成。地球類提供地球參數(shù)和不同坐標(biāo)系下的正常引力計(jì)算；大氣類提供大氣密度、溫度、壓強(qiáng)等計(jì)算模型；參數(shù)類提供壓心和重心位置、氣動(dòng)系數(shù)、比推力、秒流量等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)信息。

上述各類結(jié)構(gòu)體系及關(guān)系如圖3所示。

圖3 彈道飛行仿真類結(jié)構(gòu)體系及關(guān)系

2)通信范圍覆蓋計(jì)算類

通信范圍覆蓋計(jì)算類用于計(jì)算長波、北斗等對潛艇通信實(shí)體的通信覆蓋區(qū)域。

3)水文氣象數(shù)據(jù)分析類

水文氣象數(shù)據(jù)分析類針對導(dǎo)彈發(fā)射影響較大的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要包括各海區(qū)不同季節(jié)(Time)洋流(OceanCur)、海浪(OceanWave)和風(fēng)(Wind)等數(shù)據(jù)。

4)擴(kuò)展功能類

擴(kuò)展功能類用于優(yōu)選陣地時(shí)延伸考慮的其它因素，如海區(qū)通航密度、兵力保障范圍和突防概率等。

5)優(yōu)選計(jì)算類

優(yōu)選計(jì)算類采用不同的算法(Method)通過彈道飛行仿真類、通信范圍覆蓋計(jì)算類、水文氣象數(shù)據(jù)分析類以及擴(kuò)展功能類計(jì)算優(yōu)選陣地。

6)數(shù)據(jù)管理類、圖示類

數(shù)據(jù)管理類用于管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供彈道諸元、水文氣象等數(shù)據(jù)讀寫接口；圖示類負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)的圖形顯現(xiàn)及坐標(biāo)數(shù)據(jù)的地圖標(biāo)繪。

2.3 行為描述

UML的順序圖也稱序列圖，描述系統(tǒng)實(shí)體內(nèi)部和實(shí)體之間的交互情況，有利于快速建模和反復(fù)重用，提高系統(tǒng)開發(fā)效率。潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地優(yōu)選與考慮的因素密切相關(guān)，但不管因素?cái)?shù)量如何，其計(jì)算行為過程基本一致，本文以考慮火力覆蓋和通信保障為例，對發(fā)射陣地優(yōu)選行為過程進(jìn)行描述。

數(shù)據(jù)管理實(shí)體接收相關(guān)數(shù)據(jù)并更新；彈道計(jì)算實(shí)體調(diào)用數(shù)據(jù)管理實(shí)體相關(guān)計(jì)算參數(shù)解算某射向下的導(dǎo)彈火力覆蓋坐標(biāo)域，再計(jì)算余下射向下的導(dǎo)彈火力覆蓋坐標(biāo)域(射向由0°起，間隔10°，直至射向?yàn)?60°)，最后將火力坐標(biāo)域匯總發(fā)送給圖示實(shí)體；圖示實(shí)體根據(jù)坐標(biāo)域數(shù)據(jù)繪制火力覆蓋范圍；通信覆蓋實(shí)體計(jì)算通信保障范圍；陣地優(yōu)選實(shí)體接收火力坐標(biāo)域(火力范圍)、通信保障范圍，優(yōu)選計(jì)算，得出輔助決策優(yōu)選陣地，并將優(yōu)選陣地區(qū)域發(fā)給數(shù)據(jù)管理實(shí)體存儲(chǔ)。該行為過程如圖4所示。

圖4 優(yōu)選陣地行為順序圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

通過前述過程，可以建立由界面交互程數(shù)據(jù)庫和功能動(dòng)態(tài)庫(dll文件)組成的潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地優(yōu)選輔助決策系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)如圖5所示。其中，界面交互程序與用戶進(jìn)行交互，并完成火力標(biāo)繪等圖形顯示工作；數(shù)據(jù)庫進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，主要是水文氣象、彈道諸元等輔助決策數(shù)據(jù)；彈道計(jì)算動(dòng)態(tài)庫(DDJS.dll)實(shí)現(xiàn)彈道計(jì)算功能，通信覆蓋動(dòng)態(tài)庫(TXFG.dll)實(shí)現(xiàn)通信覆蓋功能判別計(jì)算，擴(kuò)展功能動(dòng)態(tài)庫(KZ.dll)用于計(jì)算通航密度、兵力保障范圍及突防概率等； 陣地優(yōu)選動(dòng)態(tài)庫(ZDYX.dll)集成優(yōu)選算法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)選區(qū)域計(jì)算。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖

4 結(jié)束語

潛基導(dǎo)彈發(fā)射海域多，打擊范圍廣，其發(fā)射陣地優(yōu)選涉及戰(zhàn)技指標(biāo)、通信保障及海區(qū)水文氣象等因素多，亟待深入研究。本文將UML建模技術(shù)應(yīng)用于潛基導(dǎo)彈發(fā)射陣地優(yōu)選輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在分析系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，從需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)交互過程(行為)這3個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)來看，采用該方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)用性基礎(chǔ)上，系統(tǒng)功能拓展、模型修改通過修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)模型以及在動(dòng)態(tài)庫中對修改模型進(jìn)行代碼微調(diào)便可實(shí)現(xiàn)，復(fù)用性及拓展性好。

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Design of Submarine-Launched Missile Position Optimization System

Xiao Fan1,Lu Minghua1,Zhang Tao2

1. Navy Submarine Academy,Qingdao 266042，China 2. Navy Equipment Research Academy,Beijing 100161，China

Onthebasisofanalyzingfunctionsofsubmarine-launchedmissilepositionoptimizationsystem,UnifiedModelingLanguage(UML)isusedtodesignthesystem.Regardingtheaspectsofrequirementanalysis,classstructureandrelationshipofthesystemareanalyzed.Requirementsdescriptionmodelofsubmarine-launchedmissilepositionoptimizationsystemisconstructedwithUML.Bydecomposingtheusecasemodel,analyzingclassstructureandrelationshipofthesystem,thesystemstructuremodelisestablished.Thebehaviordescriptionmodeloffiringdataverificationsystemisestablishedbysequencediagrams.Thedesignefficiencyisimprovedeffectivelybyapplyingthemethod,andthedesignedsystemisnotonlypractical,butalsoreusableandexpansive.

UML;Submarine-launchedmissile;Position;Optimization;Systemdesignmodel

2016-10-25

肖 凡 (1980-)，男，湖南望城人，博士研究生，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈作戰(zhàn)使用；陸銘華(1963-)，男，浙江湖州人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闈撏ё鲬?zhàn)軟件；張 濤(1978-),男,湖北公安人,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈總體。

V488.15

A

1006-3242(2017)02-0078-05