張 勵(lì)
(上海機(jī)電工程研究所,上海,201109)
先進(jìn)防空導(dǎo)彈武器具有高速高機(jī)動(dòng)快速響應(yīng)、復(fù)雜環(huán)境下精確打擊高效毀傷、組網(wǎng)協(xié)同多目標(biāo)打擊等突出特點(diǎn),傳統(tǒng)的導(dǎo)彈武器孤立設(shè)計(jì)、分段驗(yàn)證的設(shè)計(jì)研發(fā)模式已不能適應(yīng)先進(jìn)防空導(dǎo)彈武器發(fā)展的需要。研究導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)并構(gòu)建全武器系統(tǒng)一體化聯(lián)合仿真平臺(tái),能夠有效支撐導(dǎo)彈武器系統(tǒng)論證與設(shè)計(jì)研制、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)與分系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)驗(yàn)證、復(fù)雜環(huán)境下武器系統(tǒng)適應(yīng)性驗(yàn)證、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的性能/效能評(píng)估等[1-9]。
先進(jìn)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù),是以新一代先進(jìn)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象,在模擬真實(shí)工作的環(huán)境條件下,將不同地點(diǎn)的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)各分系統(tǒng)單仿真器集成和實(shí)時(shí)交互,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器從探測、指揮控制、制導(dǎo)控制、引戰(zhàn)配合直至命中目標(biāo)的全系統(tǒng)閉環(huán)仿真,對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、協(xié)調(diào)性進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化,驗(yàn)證和評(píng)估導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能和效能。防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真具有多層次、多粒度、異構(gòu)等特點(diǎn),其運(yùn)行模式分為分系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行模式、武器系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行模式和多級(jí)聯(lián)合運(yùn)行模式,綜合仿真類型包括全數(shù)字仿真和半實(shí)物/數(shù)字一體化仿真[2-5]。通過構(gòu)建綜合仿真試驗(yàn)平臺(tái),有機(jī)地集成綜合仿真試驗(yàn)所需的仿真子系統(tǒng)、模型、數(shù)據(jù)、工具環(huán)境,組成一體化的綜合仿真試驗(yàn)設(shè)施,為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的論證、設(shè)計(jì)、定型和使用提供試驗(yàn)驗(yàn)證手段[4,5]。
本文以作者所在團(tuán)隊(duì)研究成果為基礎(chǔ),論述了先進(jìn)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)的需求與現(xiàn)狀,并從綜合仿真總體技術(shù)、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能/效能評(píng)估技術(shù)等方面闡述了綜合仿真關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)問題。
進(jìn)入21世紀(jì),仿真技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)“數(shù)字化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化、協(xié)同化”的趨勢[2],為應(yīng)對(duì)世界新軍事變革帶來的挑戰(zhàn),導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并主要服務(wù)于導(dǎo)彈武器研制的三個(gè)階段:
a) 在方案論證階段的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真,是根據(jù)總體任務(wù)要求,分解各分系統(tǒng)的指標(biāo)要求,各分系統(tǒng)根據(jù)指標(biāo)要求,建立數(shù)學(xué)仿真模型,并開展仿真驗(yàn)證。同時(shí),導(dǎo)彈武器系統(tǒng)總體根據(jù)各系統(tǒng)模型和系統(tǒng)間的耦合模型建立總體級(jí)仿真模型,并進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證,驗(yàn)證總體指標(biāo)分解的正確性,并評(píng)估導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能是否滿足方案階段任務(wù)書要求[3,6]。
b) 在工程研制階段的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真,一是需要驗(yàn)證導(dǎo)彈武器各系統(tǒng)間的匹配性、性能指標(biāo)的合理性以及總體性能指標(biāo)的可達(dá)性。根據(jù)各分系統(tǒng)數(shù)學(xué)/半實(shí)物仿真試驗(yàn)結(jié)果,構(gòu)建總體層面的數(shù)學(xué)/半實(shí)物綜合仿真平臺(tái),并根據(jù)任務(wù)剖面,開展總體層面的全系統(tǒng)聯(lián)合仿真試驗(yàn)。二是需要驗(yàn)證復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)彈武器系統(tǒng)適應(yīng)性,根據(jù)防空導(dǎo)彈多制導(dǎo)體制需要,建立目標(biāo)、環(huán)境及干擾仿真模型,構(gòu)建較真實(shí)的戰(zhàn)場環(huán)境和電磁環(huán)境[8]。
c) 在鑒定定型階段的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真,需要對(duì)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合性能/效能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估,包括武器系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務(wù)的能力及滿足作戰(zhàn)任務(wù)的程度、導(dǎo)彈系統(tǒng)/指控系統(tǒng)/火控系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和性能、靶場試驗(yàn)難以考核的武器系統(tǒng)邊界性能等[9,10]。
導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)近年來發(fā)展迅速,如不同仿真系統(tǒng)間的組網(wǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)、一體化綜合試驗(yàn)系統(tǒng)集成技術(shù)、不同地點(diǎn)仿真系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)等,正在應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)評(píng)估。
目前發(fā)達(dá)國家仿真技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品全生命周期的支撐,如美軍重點(diǎn)研究以下三個(gè)方面的建模與仿真能力,即復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和自適應(yīng)系統(tǒng)的建模與仿真能力,以評(píng)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(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的建模與仿真能力,以反映現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念。美國等西方軍事強(qiáng)國高度重視導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)在武器系統(tǒng)研制、鑒定試驗(yàn)等過程中的應(yīng)用。美軍為了進(jìn)一步提升跨區(qū)域、跨兵種的聯(lián)合仿真能力,研究并構(gòu)建了具有開放標(biāo)準(zhǔn)的體系架構(gòu)(TENA),能夠整合真實(shí)、虛擬和構(gòu)造的各類資源實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、無邊界的仿真系統(tǒng)構(gòu)建,可模擬戰(zhàn)場復(fù)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(shù)技術(shù)指標(biāo)的要求[11,12]。
國內(nèi)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的仿真試驗(yàn)方法與建模技術(shù)發(fā)展迅速,已從實(shí)體建模向?qū)Νh(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(yīng)用逐步由分系統(tǒng)仿真、單個(gè)武器平臺(tái)的性能仿真向多武器平臺(tái)作戰(zhàn)環(huán)境下的聯(lián)合仿真方向發(fā)展,且復(fù)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(hào)設(shè)計(jì)研制的工程應(yīng)用方向轉(zhuǎn)變[3-5]。
在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)研究中,涉及若干關(guān)鍵技術(shù)需要解決,本文主要闡述以下關(guān)鍵技術(shù):綜合仿真總體技術(shù)、多頻段一體化建模技術(shù)、綜合仿真性能/效能評(píng)估技術(shù)。
綜合仿真總體技術(shù)是要解決導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真建模、綜合仿真支撐環(huán)境設(shè)計(jì)及多仿真資源有機(jī)集成[5]。
導(dǎo)彈武器系統(tǒng)建模是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真的首要工作。依據(jù)系統(tǒng)模型理論,對(duì)整個(gè)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)進(jìn)行抽象而建立的導(dǎo)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(shù)學(xué)模型、物理模型、實(shí)裝或?qū)嵨锬P?,信息交互?fù)雜。
圖1 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真模型
綜合仿真支撐環(huán)境設(shè)計(jì)包括支撐環(huán)境的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)、工作模式、工作流程、時(shí)間同步管理、網(wǎng)絡(luò)通信、綜合管理與控制軟件、通信接口協(xié)議等設(shè)計(jì)[11-13]。
綜合仿真的特點(diǎn)決定了其平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)與單仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。圖2是本研究中提出的一種“四層雙網(wǎng)”導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真體系結(jié)構(gòu),即根據(jù)綜合仿真不同的實(shí)時(shí)性要求,分為苛刻實(shí)時(shí)、強(qiáng)實(shí)時(shí)、弱實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)四層,采用反射內(nèi)存網(wǎng)、以太網(wǎng)雙網(wǎng),分層次設(shè)計(jì),不同層次之間構(gòu)建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊,隔離不同層次之間的影響,又在層次間建立數(shù)據(jù)交互通道,分離具有不同實(shí)時(shí)性要求的模型計(jì)算和數(shù)據(jù)通信,從而滿足導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真中不同的實(shí)時(shí)性要求。設(shè)計(jì)了GPS時(shí)間同步和仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的遞階混合同步方法,采用硬件和時(shí)間同步軟件結(jié)合、層次內(nèi)時(shí)間同步和層次間時(shí)間同步相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)多層次、分布、異構(gòu)的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真的時(shí)間同步。
綜合仿真的多仿真資源有機(jī)集成是將綜合仿真試驗(yàn)所需的各類仿真子系統(tǒng)、模型、數(shù)據(jù)、工具環(huán)境,組成一體化的綜合仿真試驗(yàn)平臺(tái)[14,15]。通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)、通信接口協(xié)議等,對(duì)不同層次及不同粒度的模型、仿真系統(tǒng)以及各試驗(yàn)資源組網(wǎng)互聯(lián),實(shí)現(xiàn)異地/異類/異構(gòu)綜合仿真實(shí)時(shí)交互,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高效分發(fā)。
圖2 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真體系結(jié)構(gòu)
圖3 射頻/紅外復(fù)合目標(biāo)或干擾模型類結(jié)構(gòu)圖
目標(biāo)及干擾多頻段特性一體化建模技術(shù)是解決復(fù)雜電磁環(huán)境精確模擬的關(guān)鍵,其核心是研究多頻段輻射特性一體建模方法,建立時(shí)空一致的目標(biāo)及干擾多頻段輻射特性復(fù)合的模型數(shù)據(jù)庫和仿真模型庫,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境模擬。
建立目標(biāo)及干擾仿真模型需考慮涉及頻段的輻射/散射特性和運(yùn)動(dòng)特性,以及輻射/散射特性隨時(shí)間空間的變化特性。目標(biāo)及干擾多頻段復(fù)合模型一體化設(shè)計(jì)時(shí),將上述特性融合且形成一個(gè)有機(jī)整體,使仿真時(shí)能夠盡可能地還原目標(biāo)及干擾的真實(shí)狀態(tài)。
多頻段復(fù)合模型是在同一個(gè)時(shí)空環(huán)境下,模擬目標(biāo)或干擾在不同頻段所表現(xiàn)的輻射/散射特性,這對(duì)模型的設(shè)計(jì)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(biāo)或干擾多頻段復(fù)合特性解耦合,再以“搭積木”的方式進(jìn)行模型構(gòu)建。以目標(biāo)或干擾的射頻/紅外復(fù)合特性建模為例,說明多頻段復(fù)合模型的構(gòu)建過程。如圖3所示,復(fù)合目標(biāo)的紅外輻射特征模型和射頻散射特征模型分別作為目標(biāo)的紅外輻射特征信號(hào)組件和射頻散射特征信號(hào)組件進(jìn)行使用,使仿真過程中目標(biāo)及干擾的輻射/散射特性的變化具有時(shí)空一致性。
在對(duì)抗條件下,導(dǎo)彈武器系統(tǒng)通常具有交互性、高動(dòng)態(tài)性、不確定性等特點(diǎn),導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真性能/效能評(píng)估,一是需要研究綜合仿真性能/效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建問題,二是需要研究綜合仿真性能/效能的評(píng)估方法。
a) 性能/效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建
評(píng)估指標(biāo)體系是以仿真評(píng)估為目的且具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的評(píng)估因素/指標(biāo)集,描述了指標(biāo)的定義和指標(biāo)間的關(guān)聯(lián),規(guī)定了仿真評(píng)估應(yīng)考查的因素和工作路徑。評(píng)估指標(biāo)需要針對(duì)應(yīng)用背景、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu),依照分析評(píng)估目的構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)體系[17,18]。多屬性決策網(wǎng)MADN(Multiple Attribute Decision Network)是目前應(yīng)用較廣泛的評(píng)估指標(biāo)體系建立方法。針對(duì)導(dǎo)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(jí)”的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能/效能評(píng)估指標(biāo)體系?!皟蓪印狈謩e是性能層、作戰(zhàn)效能層;“三級(jí)”是將性能指標(biāo)分為武器系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí),如圖4所示。
b) 綜合仿真性能/效能評(píng)估方法
綜合仿真中涉及的仿真試驗(yàn)資源產(chǎn)生的評(píng)估數(shù)據(jù)具有多源性,可分為不同數(shù)據(jù)源導(dǎo)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(dǎo)致的多源性[19]?;诙嘣磾?shù)據(jù)的評(píng)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(shù)據(jù)來源不同,另一方面是不同階段對(duì)仿真可信度的要求不同。因此,進(jìn)行導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能/效能評(píng)估,需要針對(duì)不同來源的數(shù)據(jù)制定有針對(duì)性的評(píng)估方案。
如圖5所示,為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能/效能評(píng)估數(shù)據(jù)來源圖,描述了多源試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度評(píng)估兩方面的特征。其中橫坐標(biāo)表示在武器研發(fā)過程的不同階段對(duì)仿真數(shù)據(jù)可信度的要求,從武器論證階段開始直至定型階段,對(duì)于仿真可信度要求是不斷提高的??v坐標(biāo)表示武器研發(fā)過程的不同階段,數(shù)據(jù)來源的區(qū)別以及不同數(shù)據(jù)來源的可靠性,總體而言,在不同階段,半實(shí)物仿真的可信度要大于數(shù)字仿真,而外場試驗(yàn)的可信度要大于半實(shí)物仿真。
不同階段數(shù)據(jù)可信度是層次遞進(jìn)的關(guān)系,因此,進(jìn)行導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合評(píng)估,既需要實(shí)現(xiàn)同一階段不同來源數(shù)據(jù)的綜合評(píng)價(jià),又需要充分利用其它階段的評(píng)估結(jié)果及數(shù)據(jù),根據(jù)不同研制階段的特性進(jìn)行有針對(duì)性的評(píng)價(jià)[20-22]。
圖4 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能/效能評(píng)估指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)示意圖
圖5 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)評(píng)估數(shù)據(jù)來源圖
以某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)為應(yīng)用背景,構(gòu)建的綜合仿真試驗(yàn)平臺(tái), 如圖6所示。該平臺(tái)包括分布在不同實(shí)驗(yàn)室的武器系統(tǒng)綜合仿真指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)數(shù)字仿真、武控半實(shí)物仿真、制導(dǎo)半實(shí)物仿真、引信半實(shí)物仿真、引戰(zhàn)數(shù)字仿真等6套仿真系統(tǒng)和目標(biāo)遠(yuǎn)場輻射/散射特性、目標(biāo)近場散射特性2個(gè)數(shù)據(jù)庫。
圖6 某導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
綜合仿真平臺(tái)應(yīng)用的前提是仿真平臺(tái)的可信性滿足要求?;诰C合仿真平臺(tái)數(shù)字/半實(shí)物仿真試驗(yàn)資源之間融合集成的體系架構(gòu),采用逐級(jí)驗(yàn)證的方法對(duì)武器系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證??刹捎蔑w行試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證半實(shí)物仿真試驗(yàn)的可信性,采用半實(shí)物仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)、已鑒定的武器系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、武器系統(tǒng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)、對(duì)武器系統(tǒng)建模的可信度進(jìn)行校核,將有利于數(shù)字仿真試驗(yàn)資源的模型校驗(yàn)和確認(rèn),從而更好地促進(jìn)數(shù)字仿真試驗(yàn)手段未來能夠單獨(dú)承擔(dān)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(yàn),做出符合真實(shí)應(yīng)用的效能預(yù)測和演示[23]。而半實(shí)物仿真試驗(yàn)資源嵌入到全系統(tǒng)數(shù)字仿真,將更好地推動(dòng)研制設(shè)計(jì)階段的實(shí)物樣機(jī)基于作戰(zhàn)場景驅(qū)動(dòng)的全系統(tǒng)條件下的武器系統(tǒng)整體性能/效能充分試驗(yàn)驗(yàn)證與系統(tǒng)優(yōu)化。
在系統(tǒng)可信度滿足應(yīng)用需求的條件下,基于該系統(tǒng),構(gòu)建接近實(shí)戰(zhàn)的仿真環(huán)境,對(duì)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程、目標(biāo)分配策略、多目標(biāo)攔截能力、單發(fā)殺傷概率等性能指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果與武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合。同時(shí),開展了導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)效能仿真試驗(yàn)與評(píng)估,經(jīng)數(shù)百次蒙特卡洛仿真統(tǒng)計(jì),得出該導(dǎo)彈武器系統(tǒng)在不同作戰(zhàn)場景下的效能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。綜合仿真試驗(yàn)結(jié)果與靶試統(tǒng)計(jì)結(jié)果吻合。
先進(jìn)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)研究探索了一條導(dǎo)彈武器各系統(tǒng)間協(xié)同設(shè)計(jì)驗(yàn)證、全系統(tǒng)聯(lián)合仿真驗(yàn)證與綜合仿真評(píng)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(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真技術(shù)主要服務(wù)對(duì)象為導(dǎo)彈武器裝備系統(tǒng)級(jí)研制,隨著先進(jìn)防空導(dǎo)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(gòu)建適應(yīng)先進(jìn)武器裝備發(fā)展的技術(shù)能力而努力,導(dǎo)彈武器綜合仿真技術(shù)將不斷提升體系級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)等不同層次跨地域的綜合仿真能力,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)仿真/半實(shí)物仿真/真實(shí)裝備等多類型仿真試驗(yàn)資源的高效、有機(jī)集成和融合,形成橫向跨越仿真資源,縱向貫穿導(dǎo)彈武器裝備體系的“大仿真”能力格局,將為解決先進(jìn)防空導(dǎo)彈武器裝備論證、設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、評(píng)估及保障全生命周期內(nèi)所關(guān)注的問題提供有力保障。
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