先進防空導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術研究

張 勵

(上海機電工程研究所，上海，201109)

0 引 言

先進防空導彈武器具有高速高機動快速響應、復雜環(huán)境下精確打擊高效毀傷、組網協(xié)同多目標打擊等突出特點，傳統(tǒng)的導彈武器孤立設計、分段驗證的設計研發(fā)模式已不能適應先進防空導彈武器發(fā)展的需要。研究導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術并構建全武器系統(tǒng)一體化聯(lián)合仿真平臺，能夠有效支撐導彈武器系統(tǒng)論證與設計研制、導彈武器系統(tǒng)與分系統(tǒng)協(xié)同設計驗證、復雜環(huán)境下武器系統(tǒng)適應性驗證、導彈武器系統(tǒng)的性能/效能評估等[1-9]。

先進防空導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術，是以新一代先進防空導彈武器系統(tǒng)為應用對象，在模擬真實工作的環(huán)境條件下，將不同地點的導彈武器系統(tǒng)各分系統(tǒng)單仿真器集成和實時交互，實現(xiàn)導彈武器從探測、指揮控制、制導控制、引戰(zhàn)配合直至命中目標的全系統(tǒng)閉環(huán)仿真，對導彈武器系統(tǒng)設計的正確性、協(xié)調性進行驗證和優(yōu)化，驗證和評估導彈武器系統(tǒng)性能和效能。防空導彈武器系統(tǒng)綜合仿真具有多層次、多粒度、異構等特點，其運行模式分為分系統(tǒng)級運行模式、武器系統(tǒng)級運行模式和多級聯(lián)合運行模式，綜合仿真類型包括全數字仿真和半實物/數字一體化仿真[2-5]。通過構建綜合仿真試驗平臺，有機地集成綜合仿真試驗所需的仿真子系統(tǒng)、模型、數據、工具環(huán)境，組成一體化的綜合仿真試驗設施，為導彈武器系統(tǒng)的論證、設計、定型和使用提供試驗驗證手段[4,5]。

本文以作者所在團隊研究成果為基礎，論述了先進防空導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術的需求與現(xiàn)狀，并從綜合仿真總體技術、導彈武器系統(tǒng)建模與仿真技術、導彈武器系統(tǒng)性能/效能評估技術等方面闡述了綜合仿真關注的關鍵技術問題。

1 導彈武器系統(tǒng)綜合仿真需求

進入21世紀，仿真技術發(fā)展呈現(xiàn)“數字化、虛擬化、網絡化、智能化、集成化、協(xié)同化”的趨勢[2]，為應對世界新軍事變革帶來的挑戰(zhàn)，導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術應運而生，并主要服務于導彈武器研制的三個階段：

a) 在方案論證階段的導彈武器系統(tǒng)仿真，是根據總體任務要求，分解各分系統(tǒng)的指標要求，各分系統(tǒng)根據指標要求，建立數學仿真模型，并開展仿真驗證。同時，導彈武器系統(tǒng)總體根據各系統(tǒng)模型和系統(tǒng)間的耦合模型建立總體級仿真模型，并進行系統(tǒng)級仿真驗證，驗證總體指標分解的正確性，并評估導彈武器系統(tǒng)性能是否滿足方案階段任務書要求[3,6]。

b) 在工程研制階段的導彈武器系統(tǒng)仿真，一是需要驗證導彈武器各系統(tǒng)間的匹配性、性能指標的合理性以及總體性能指標的可達性。根據各分系統(tǒng)數學/半實物仿真試驗結果，構建總體層面的數學/半實物綜合仿真平臺，并根據任務剖面，開展總體層面的全系統(tǒng)聯(lián)合仿真試驗。二是需要驗證復雜環(huán)境下導彈武器系統(tǒng)適應性，根據防空導彈多制導體制需要，建立目標、環(huán)境及干擾仿真模型，構建較真實的戰(zhàn)場環(huán)境和電磁環(huán)境[8]。

c) 在鑒定定型階段的導彈武器系統(tǒng)仿真，需要對導彈武器系統(tǒng)綜合性能/效能進行驗證和評估，包括武器系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務的能力及滿足作戰(zhàn)任務的程度、導彈系統(tǒng)/指控系統(tǒng)/火控系統(tǒng)的快速反應能力和性能、靶場試驗難以考核的武器系統(tǒng)邊界性能等[9,10]。

導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術近年來發(fā)展迅速，如不同仿真系統(tǒng)間的組網協(xié)同設計驗證技術、一體化綜合試驗系統(tǒng)集成技術、不同地點仿真系統(tǒng)聯(lián)合試驗與評估技術等，正在應用于導彈武器系統(tǒng)仿真與試驗評估。

目前發(fā)達國家仿真技術已實現(xiàn)了對產品全生命周期的支撐，如美軍重點研究以下三個方面的建模與仿真能力，即復雜、動態(tài)和自適應系統(tǒng)的建模與仿真能力，以評估軍事戰(zhàn)略；嵌入式建模與仿真能力，以將仿真嵌入武器裝備之中；網絡中心戰(zhàn)的建模與仿真能力，以反映現(xiàn)代的網絡中心戰(zhàn)概念。美國等西方軍事強國高度重視導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術在武器系統(tǒng)研制、鑒定試驗等過程中的應用。美軍為了進一步提升跨區(qū)域、跨兵種的聯(lián)合仿真能力，研究并構建了具有開放標準的體系架構(TENA)，能夠整合真實、虛擬和構造的各類資源實現(xiàn)跨區(qū)域、無邊界的仿真系統(tǒng)構建，可模擬戰(zhàn)場復雜多樣的環(huán)境，全面考核武器系統(tǒng)的主要性能是否滿足戰(zhàn)術技術指標的要求[11,12]。

國內用于導彈武器系統(tǒng)設計驗證的仿真試驗方法與建模技術發(fā)展迅速，已從實體建模向對環(huán)境、過程與現(xiàn)象及行為的建模方向發(fā)展；武器系統(tǒng)仿真應用逐步由分系統(tǒng)仿真、單個武器平臺的性能仿真向多武器平臺作戰(zhàn)環(huán)境下的聯(lián)合仿真方向發(fā)展，且復雜系統(tǒng)聯(lián)合仿真研究正逐步從發(fā)展初期的過程演示仿真向滿足型號設計研制的工程應用方向轉變[3-5]。

2 導彈武器系統(tǒng)綜合仿真關鍵技術

在導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術研究中，涉及若干關鍵技術需要解決，本文主要闡述以下關鍵技術：綜合仿真總體技術、多頻段一體化建模技術、綜合仿真性能/效能評估技術。

2.1 綜合仿真總體技術

綜合仿真總體技術是要解決導彈武器系統(tǒng)綜合仿真建模、綜合仿真支撐環(huán)境設計及多仿真資源有機集成[5]。

導彈武器系統(tǒng)建模是導彈武器系統(tǒng)綜合仿真的首要工作。依據系統(tǒng)模型理論，對整個導彈武器系統(tǒng)進行抽象而建立的導彈武器系統(tǒng)綜合仿真模型組成如圖1所示，其中包括信息在各子模型之間的傳遞過程。如圖1所示，綜合仿真覆蓋了武器裝備各分系統(tǒng)，其中各子模型可以是數學模型、物理模型、實裝或實物模型，信息交互復雜。

圖1 導彈武器系統(tǒng)綜合仿真模型

綜合仿真支撐環(huán)境設計包括支撐環(huán)境的實現(xiàn)結構、邏輯結構、工作模式、工作流程、時間同步管理、網絡通信、綜合管理與控制軟件、通信接口協(xié)議等設計[11-13]。

綜合仿真的特點決定了其平臺體系結構與單仿真系統(tǒng)體系結構有很大區(qū)別。圖2是本研究中提出的一種“四層雙網”導彈武器系統(tǒng)綜合仿真體系結構，即根據綜合仿真不同的實時性要求，分為苛刻實時、強實時、弱實時和非實時四層，采用反射內存網、以太網雙網，分層次設計，不同層次之間構建數據轉發(fā)模塊，隔離不同層次之間的影響，又在層次間建立數據交互通道，分離具有不同實時性要求的模型計算和數據通信，從而滿足導彈武器系統(tǒng)綜合仿真中不同的實時性要求。設計了GPS時間同步和仿真數據驅動相結合的遞階混合同步方法，采用硬件和時間同步軟件結合、層次內時間同步和層次間時間同步相結合的方式，實現(xiàn)多層次、分布、異構的導彈武器系統(tǒng)綜合仿真的時間同步。

綜合仿真的多仿真資源有機集成是將綜合仿真試驗所需的各類仿真子系統(tǒng)、模型、數據、工具環(huán)境，組成一體化的綜合仿真試驗平臺[14，15]。通過設計網絡通信架構、通信接口協(xié)議等，對不同層次及不同粒度的模型、仿真系統(tǒng)以及各試驗資源組網互聯(lián)，實現(xiàn)異地/異類/異構綜合仿真實時交互，并實現(xiàn)數據實時高效分發(fā)。

圖2 導彈武器系統(tǒng)綜合仿真體系結構

圖3 射頻/紅外復合目標或干擾模型類結構圖

2.2 目標及干擾多頻段特性一體化建模技術

目標及干擾多頻段特性一體化建模技術是解決復雜電磁環(huán)境精確模擬的關鍵，其核心是研究多頻段輻射特性一體建模方法，建立時空一致的目標及干擾多頻段輻射特性復合的模型數據庫和仿真模型庫，實現(xiàn)戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境模擬。

建立目標及干擾仿真模型需考慮涉及頻段的輻射/散射特性和運動特性，以及輻射/散射特性隨時間空間的變化特性。目標及干擾多頻段復合模型一體化設計時，將上述特性融合且形成一個有機整體，使仿真時能夠盡可能地還原目標及干擾的真實狀態(tài)。

多頻段復合模型是在同一個時空環(huán)境下，模擬目標或干擾在不同頻段所表現(xiàn)的輻射/散射特性，這對模型的設計提出了挑戰(zhàn)[16]。采用組件化建模方法可有效解決該問題，面向組件的建模方法，將目標或干擾多頻段復合特性解耦合，再以“搭積木”的方式進行模型構建。以目標或干擾的射頻/紅外復合特性建模為例，說明多頻段復合模型的構建過程。如圖3所示，復合目標的紅外輻射特征模型和射頻散射特征模型分別作為目標的紅外輻射特征信號組件和射頻散射特征信號組件進行使用，使仿真過程中目標及干擾的輻射/散射特性的變化具有時空一致性。

2.3 綜合仿真性能/效能評估技術

在對抗條件下，導彈武器系統(tǒng)通常具有交互性、高動態(tài)性、不確定性等特點，導彈武器系統(tǒng)綜合仿真性能/效能評估，一是需要研究綜合仿真性能/效能評估指標體系構建問題，二是需要研究綜合仿真性能/效能的評估方法。

a) 性能/效能評估指標體系構建

評估指標體系是以仿真評估為目的且具有標準結構的評估因素/指標集，描述了指標的定義和指標間的關聯(lián)，規(guī)定了仿真評估應考查的因素和工作路徑。評估指標需要針對應用背景、系統(tǒng)組成結構，依照分析評估目的構建相應的評估指標體系[17,18]。多屬性決策網MADN(Multiple Attribute Decision Network)是目前應用較廣泛的評估指標體系建立方法。針對導彈武器系統(tǒng)性能/效能體系的層次化特征，利用MADN方法建立“兩層三級”的導彈武器系統(tǒng)性能/效能評估指標體系。“兩層”分別是性能層、作戰(zhàn)效能層；“三級”是將性能指標分為武器系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和設備級，如圖4所示。

b) 綜合仿真性能/效能評估方法

綜合仿真中涉及的仿真試驗資源產生的評估數據具有多源性，可分為不同數據源導致的多源性和綜合仿真在武器系統(tǒng)全生命周期中不同階段導致的多源性[19]。基于多源數據的評估需要注意兩方面的問題，一方面是不同階段能夠采用的數據來源不同，另一方面是不同階段對仿真可信度的要求不同。因此，進行導彈武器系統(tǒng)性能/效能評估，需要針對不同來源的數據制定有針對性的評估方案。

如圖5所示，為導彈武器系統(tǒng)性能/效能評估數據來源圖，描述了多源試驗數據可信度評估兩方面的特征。其中橫坐標表示在武器研發(fā)過程的不同階段對仿真數據可信度的要求，從武器論證階段開始直至定型階段，對于仿真可信度要求是不斷提高的。縱坐標表示武器研發(fā)過程的不同階段，數據來源的區(qū)別以及不同數據來源的可靠性，總體而言，在不同階段，半實物仿真的可信度要大于數字仿真，而外場試驗的可信度要大于半實物仿真。

不同階段數據可信度是層次遞進的關系，因此，進行導彈武器系統(tǒng)綜合評估，既需要實現(xiàn)同一階段不同來源數據的綜合評價，又需要充分利用其它階段的評估結果及數據，根據不同研制階段的特性進行有針對性的評價[20-22]。

圖4 導彈武器系統(tǒng)性能/效能評估指標層次結構示意圖

圖5 導彈武器系統(tǒng)評估數據來源圖

3 先進防空導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術應用

以某型導彈武器系統(tǒng)為應用背景，構建的綜合仿真試驗平臺， 如圖6所示。該平臺包括分布在不同實驗室的武器系統(tǒng)綜合仿真指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)數字仿真、武控半實物仿真、制導半實物仿真、引信半實物仿真、引戰(zhàn)數字仿真等6套仿真系統(tǒng)和目標遠場輻射/散射特性、目標近場散射特性2個數據庫。

圖6 某導彈武器系統(tǒng)綜合仿真應用系統(tǒng)構成示意圖

綜合仿真平臺應用的前提是仿真平臺的可信性滿足要求。基于綜合仿真平臺數字/半實物仿真試驗資源之間融合集成的體系架構，采用逐級驗證的方法對武器系統(tǒng)綜合仿真平臺進行評估驗證。可采用飛行試驗數據驗證半實物仿真試驗的可信性，采用半實物仿真試驗數據、已鑒定的武器系統(tǒng)級試驗數據、武器系統(tǒng)飛行試驗數據、對武器系統(tǒng)建模的可信度進行校核，將有利于數字仿真試驗資源的模型校驗和確認，從而更好地促進數字仿真試驗手段未來能夠單獨承擔武器系統(tǒng)概念及論證階段的全系統(tǒng)全要素的綜合試驗，做出符合真實應用的效能預測和演示[23]。而半實物仿真試驗資源嵌入到全系統(tǒng)數字仿真，將更好地推動研制設計階段的實物樣機基于作戰(zhàn)場景驅動的全系統(tǒng)條件下的武器系統(tǒng)整體性能/效能充分試驗驗證與系統(tǒng)優(yōu)化。

在系統(tǒng)可信度滿足應用需求的條件下，基于該系統(tǒng)，構建接近實戰(zhàn)的仿真環(huán)境，對武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程、目標分配策略、多目標攔截能力、單發(fā)殺傷概率等性能指標進行檢驗，結果與武器系統(tǒng)設計指標吻合。同時，開展了導彈武器作戰(zhàn)效能仿真試驗與評估，經數百次蒙特卡洛仿真統(tǒng)計，得出該導彈武器系統(tǒng)在不同作戰(zhàn)場景下的效能均達到設計要求。綜合仿真試驗結果與靶試統(tǒng)計結果吻合。

4 結束語

先進防空導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術研究探索了一條導彈武器各系統(tǒng)間協(xié)同設計驗證、全系統(tǒng)聯(lián)合仿真驗證與綜合仿真評估的新途徑，為改變仿真資源碎片化的現(xiàn)狀提供一種有效的解決方案。導彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術主要服務對象為導彈武器裝備系統(tǒng)級研制，隨著先進防空導彈作戰(zhàn)樣式的改變，武器裝備本身呈體系化發(fā)展，武器系統(tǒng)的綜合性能/效能、各武器系統(tǒng)之間相互聯(lián)系和相互作用程度將越來越受到高度重視。

我們正在為構建適應先進武器裝備發(fā)展的技術能力而努力，導彈武器綜合仿真技術將不斷提升體系級、系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級等不同層次跨地域的綜合仿真能力，實現(xiàn)數學仿真/半實物仿真/真實裝備等多類型仿真試驗資源的高效、有機集成和融合，形成橫向跨越仿真資源，縱向貫穿導彈武器裝備體系的“大仿真”能力格局，將為解決先進防空導彈武器裝備論證、設計、研制、試驗、評估及保障全生命周期內所關注的問題提供有力保障。

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