海軍武器裝備仿真與試驗一體化

魏太林，宋志剛

（92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引言

為適應海軍轉型的發展，海軍武器裝備鑒定定型面臨著適應轉型發展的需求，無疑帶動了靶場轉型。由傳統靶場到新時期轉型發展的轉型靶場，從制定科學的靶場轉型戰略，到處理好轉型過程中的若干關系及方法等，必然有一系列問題值得探討。[1]新時期靶場轉型必然推動海軍武器裝備試驗鑒定模式及方法的轉變和效率的提高。

美國的試驗鑒定策略已經從傳統的“試驗—調整—試驗”方法向“模型—仿真—試驗—迭代”方法轉變，即首先建立模型，其次仿真，然后進行試驗，最后將試驗結果迭代回仿真模型中，稱之為仿真、試驗與鑒定過程。[2]最終要建立一組能夠盡可能精確代表系統且有相當置信度的模型，用來預測系統的性能、作戰效能和作戰適用性。

縱觀發達國家武器裝備的研制過程，我們看到計算機仿真技術的發展和在軍事領域的深入應用，使得海軍武器裝備試驗鑒定方法、裝備部署和作戰使用都可通過模擬實現。

在仿真試驗、外場動態飛行試驗和其他試驗的支持下的對整個被試裝備的綜合研究和發展，這就是一體化的概念。型號設計、改進設計、仿真試驗、外場動態飛行試驗不僅是海軍武器系統型號研制的組成部分，并且是一個有機的整體，相互補充和促進，一體化研究貫穿于武器系統研制的全壽命周期。

1 武器裝備試驗模式分析

1.1 常規試驗方法

武器裝備的靶場試驗一般采用常規的外場試驗方法，即在真實目標及真實環境背景的試驗條件下，考核武器裝備戰術技術性能的試驗方法。特別是對動態目標的跟蹤精度、對目標的射擊精度、可靠性等主要指標的評估主要是以外場試驗作為考核依據。

真實目標及真實環境背景的試驗條件下，主要體現在以下幾個方面。

1）與真實打擊的目標特性接近。

為使目標的幾何形狀、輻射、噪聲等目標特性接近或等同于武器裝備作戰實際打擊的對象，一般選用與武器裝備打擊對象性能相近的諸如導彈、飛機、艦船等典型真實目標作為試驗靶標，或者直接以典型打擊對象作為試驗靶。

2）試驗環境背景真實。

在海上或者以海洋為背景條件下進行的試驗環境背景與武器裝備實際使用環境相同，考核武器裝備在真實環境背景、氣象條件下的戰術技術性能，尤其是在考核武器裝備克服海浪雜波干擾和多路徑效應等作戰性能。

3）電磁環境與作戰環境相近。

武器裝備在作戰艦艇上進行的試驗，可以形成與實際作戰條件完全相近的電磁環境，從而能夠考核武器裝備在電磁環境下的實際使用性能。[3]

1.2 一體化試驗方法

武器裝備試驗模式的發展趨勢主要體現在靶場建設、試驗手段、試驗管理、試驗人才、試驗理論等方面的發展。裝備試驗技術的發展主要歸結為向作戰使用性能試驗和向可信、高效仿真試驗的一體化方向發展。

1）趨勢一：向考核作戰使用性能的試驗模式方向發展。

外場試驗鑒定技術的發展更加注重對于實戰條件、試驗方法和具體實現手段的研究，最大限度地形成被試武器裝備所要求的作戰目標、環境和對抗雙方實施對抗的動態過程。為此，外場試驗將采用各種動態靶標來模擬裝備的攻擊目標，或者性能相似的電子裝設備模擬作為電子戰、信息戰條件下所對抗的電子目標，特殊情況下也將使用實際的裝備作為對抗的對象進行試驗和鑒定。有助于提高裝備試驗與鑒定的質量和水平，更加趨于適應未來作戰的需求。

2）趨勢二：向開展可信、高效的仿真試驗模式方向發展。

武器裝備的試驗與鑒定對目標和環境的要求越來越高，外場真實條件下實現的難度也越來越大，有的目標甚至無法實現，這對外場試驗技術的發展提出了嚴峻的挑戰。武器系統的復雜性和實戰條件目標與環境的多變性，對其試驗鑒定提出了更高要求，有些試驗環境或目標特性限于試驗周期、經費、供靶能力、組織實施、氣候等各種因素的制約，在外場試驗中將無法或難以實現，武器裝備的某些戰術技術性能依靠單一的外場真實目標試驗無法完成對其全面考核，無法提供設計定型的依據。將仿真技術與試驗技術結合對武器裝備進行綜合試驗鑒定，其實質是用仿真的戰術試驗環境考核真實武器系統性能，彌補外場試驗考核不充分的缺陷，用外場試驗結果與仿真試驗結果綜合評定武器裝備。[4]

2 仿真與試驗一體化研究內容和技術途徑

2.1 一體化研究的內容

一體化研究的主要思想是要重視仿真技術的應用，加強仿真在試驗與鑒定中的作用，同時以外場真飛試驗和實彈射擊試驗作為驗證仿真可信度的手段。一體化研究以仿真為核心，將仿真試驗與外場試驗及其他試驗貫穿起來。一體化研究的內容包括以下幾個方面。

1）對武器系統性能的考核評定主要是動態精度和射擊概率。

2）研制各階段的仿真試驗包括數學仿真和半實物仿真，應研究滿足各階段仿真試驗要求的仿真環境和仿真方法。

3）對武器系統性能考核評定的動態精度仿真試驗和射擊精度仿真試驗，關鍵是精度和置信度滿足要求，應對動態精度仿真試驗和射擊精度仿真試驗的精度進行確認，研究確認方法。

4）數學模型和仿真環境是一體化研究的主線，設計過程中要進行建模，各試驗過程要進行驗模，仿真射擊要使用模型。在整個過程中要研究合理的模型體系，進行模型的分解細化。

5）模型的驗證要綜合仿真試驗和外場動態試驗等各方面的信息。驗模同建模相對應，也要分階段進行，要研究合理的驗模方法。

6）建立一體化的數據庫，包括仿真試驗、外場真飛試驗等的數據庫，提高試驗數據處理、分析、使用的效率。

7）研究仿真試驗與外場試驗相結合的一體化評定方法，有效正確利用仿真試驗的驗前信息，應用Bayes 統計分析方法、數據融合技術等理論，綜合仿真試驗與外場試驗的兩個母體的試驗數據，按最佳配合的原則進行仿真試驗與外場試驗方案的優化設計。[5]

8）建立一體化的實用方法、軟件、數據庫及相應的射擊精度仿真試驗系統。該系統具有規范化設計、理論和方法的通用性，并能推廣到各種海軍武器系統中。

2.2 一體化研究的技術途徑

一體化研究的最終目的在于提高試驗質量、減少失誤、節省試驗航次數。實際上就是改變以前單一外場試驗模式，通過建立仿真試驗環境和校驗模型，使用仿真模型和仿真試驗系統進行半實物仿真試驗，補充外場試驗的不足，進而實現縮短試驗周期和減少試驗經費的總體任務。

根據一體化研究的技術特點，擬采取的技術措施和方案如圖1所示。[4]

圖1 一體化研究技術方案框圖

一體化研究的技術途徑主要包括系統模型的建立與校驗、外場動態精度試驗的數據綜合分析、仿真試驗環境和試驗設計、建立試驗信息數據庫技術、仿真試驗與外場動態精度試驗綜合評定技術等幾個方面。

2.2.1 仿真系統模型的建立與校驗

對于任何一個被試系統而言，其仿真試驗系統的關鍵是建立正確可信的系統模型和仿真模型，系統模型是根據被仿對象的物理特性研制的各種模擬器和建立數學模型的一次建模，仿真模型是把被試系統的數學模型轉化成仿真計算機可執行的仿真模型的二次建模。對于武器仿真試驗系統而言，其目標環境的仿真尤為重要。建模、驗模和確認是實現仿真試驗的重要基礎。

建模遵循從“模擬器的器件、部件”到“子系統”、“全系統”的方式建模，其仿真模型包括確定性模型、隨機誤差模型和不確定性模型，即是對象模型、干擾、各種噪聲模型以及工作誤差模型等等。工程實踐中，有些對象模型的物理特性能用數學方程來描述，有些卻難以用數學方程來表達；或者有些參數難以用設計參數來描述，只能通過試驗數據來確認。比如有些彈道方程的參數就是通過試驗確認的。并且這些參數恰恰是一體化研究的重點和難點所在。

驗模主要是建立在數字計算機上的仿真模型與工程數學模型的一致性。驗模的方法主要是通過校驗模型動態特性的一致性要求確定。對某型武器系統的半實物仿真而言，主要是通過檢驗仿真試驗與外場試驗輸出的一致性。通過建模與驗模的物理過程及仿真試驗系統的實際效果即可進行確認。[6]

2.2.2 外場動態精度試驗的數據綜合分析

1）數據融合方法。

某型武器系統試驗中，靶場運用光測、遙測、雷測等多種觀測設備進行測量，對這些數據進行綜合分析、數據融合等，以達到對該型號武器系統的各種戰技性能參數的檢測、估計和獲取。

2）仿真試驗數據的一致性檢驗。

仿真試驗可以輔助外場試驗，一定意義上是對外場試驗的補充和完善；同時，必須檢驗仿真試驗與外場試驗結果的一致性，用外場試驗驗證仿真試驗結果。如何檢驗仿真試驗結果的有效性或仿真系統的逼真度,是武器系統仿真試驗中必須解決的重要課題。仿真試驗數據的一致性檢驗，即仿真試驗結果的有效性（或逼真度）檢驗，主要途徑是運用統計檢測方法，比較相同條件下仿真試驗數據和外場試驗數據的一致性，實質上是進行精度檢驗。以檢驗武器系統仿真試驗結果和真實外場試驗結果是否匹配。[5]

3）有效試驗航次與作廢航次的綜合應用。

武器裝備外場動態精度試驗具有試驗費用高、周期長、試驗航次數少的特點，試驗成功和失敗的可能性都有，即有的試驗航次有效、有的試驗航次由于各種因由可能就是作廢航次。比如某次某型武器系統試驗，有的試驗航次針對整個系統的動態精度試驗而言是無效的，但對于所屬單機的其他性能試驗而言可能是有效或部分航路段有效。這就要結合仿真試驗和外場試驗數據的綜合分析處理，全面評定試驗航次的有效與否。[4]

4）動態精度飛行試驗預估與試驗結果分析技術。

動態精度飛行試驗前的仿真試驗和動態精度飛行試驗的數據分析兩者有機結合，有效地支持外場真實目標試驗，充分挖掘、利用各種試驗數據，支持實現射擊精度仿真試驗和減少外場試驗航次數。其基本方法是建立正確的射擊精度仿真試驗模型，以及仿真彈道方程，積累出反映被試系統典型特征的彈丸測偏精度和脫靶量等關鍵參數數據。[7]

5）復現外場動態精度試驗的仿真試驗技術。

以外場真飛試驗數據為基礎，疊加背景噪聲和雷達噪聲，重新注入仿真試驗系統中，以這種復現外場試驗的仿真方法實時驅動武器系統，完成被試系統的“仿真復現外場試驗過程”，配合被試系統故障搜尋和系統分析工作。

2.2.3 仿真試驗環境和試驗設計

仿真試驗系統建立一個仿真支撐環境，可以完成對整個武器系統不同階段不同內容的工作提供輔助支持，并為試驗現場考核提供輔助決策功能。這種支持軟件系統包括主管理系統，引導和控制不同的功能模塊；功能軟件包括仿真支撐軟件、仿真試驗管理軟件和系統測試軟件等。武器系統設備組成多、結構復雜、不同型號武器裝備涉及空/海/岸等多個立體作戰區域，目標環境特性和作戰自然條件復雜多變，全面考核的試驗工作量大。故仿真試驗設計是一體化研究的重點內容之一，主要包括考核項目設計、仿真試驗航路設計、仿真試驗程序設計、仿真模型驗證和仿真試驗結果信息處理技術等。[7]

2.2.4 建立試驗信息數據庫技術

建立試驗信息數據庫是一體化研究的重要組成部分。該數據庫系統將一體化的所有信息資源，包括半實物仿真試驗、外場真飛試驗和其他試驗的所有數據作為一個整體劃一的資源系統實現管理共享，完成數據信息一體化。這樣一個試驗信息數據庫系統分為“基礎層”、“支撐層”、“數據層”和“應用層”4個層次。基礎層構建數據庫的基礎結構；支撐層支持仿真研究和各類試驗數據的處理分析工作；數據層實現各類試驗數據的管理；應用層借助圖形可視化工具等實現試驗數據的綜合分析與應用。

2.2.5 仿真試驗與外場動態精度試驗綜合評定技術

動態精度仿真試驗和射擊精度仿真試驗的結果為減少外場試驗航次數、小子樣鑒定方法提供充分的驗前信息，是武器系統戰術技術性能評定的重要依據。仿真試驗與外場試驗相結合的小子樣鑒定方法以動態精度仿真和射擊精度仿真提供的驗前信息為重要依據，實現對武器系統綜合鑒定方法的應用。主要包括：Bayes 統計推斷方法、小子樣統計推斷的驗前信息應用和動態精度試驗設計等。[8]

3 結束語

海軍武器裝備仿真、試驗與鑒定的一體化研究，融合了計算機技術、系統仿真等多學科的最新科學技術成果和方法，能根據作戰任務實際需求，進行系統研制、設計定型、改進設計、軍事訓練和作戰性能評估等，適應武器對抗日益增長的需求和現代高科技的發展。一體化研究涉及多學科、多部門、多信息來源，仿真系統仿真模型的建立與校驗、閉環系統的辨識、仿真模型的確認、仿真系統的設計、仿真環境的逼真度、仿真試驗的一致性檢驗、仿真與外場試驗的數據融合、小子樣鑒定定型試驗方法等許多關鍵技術都需攻關和解決。這些課題的深入研究和完成對解決仿真、試驗與鑒定一體化研究起到重要作用；一體化研究也是靶場轉型過程試驗理論發展的一個趨勢，必將對海軍武器裝備的發展、對靶場試驗鑒定水平的提高起進一步推動作用。

[1]楊榜林,岳全發,金振中,等.軍事裝備試驗學[M].北京∶國防工業出版社,2002∶29-35.

[2]孫柏林,靳大安.外軍建模與仿真綜述[J].計算機仿真,2002,19(1)∶4-8.

[3]曲寶忠,孫曉峰,李守秀,等.海軍戰術導彈試驗與鑒定[M].北京∶國防工業出版社,2005∶253-255.

[4]黃守訓,楊榜林,田穎,等.艦炮武器系統試驗與鑒定[M].北京∶國防工業出版社,2005∶277-301.

[5]唐雪梅,張金槐,邵鳳昌,等.武器裝備小子樣試驗分析與評估[M].北京∶國防工業出版社,2001∶1-19.

[6]何江華,郭果敢.計算機仿真與軍事應用[M].北京∶國防工業出版社,2006∶74-82.

[7]魏太林,張艷.海上試驗中電磁環境驗證應用研究[J].現代防御技術,2009,37(3)∶81-84.

[8]田穎.軍用仿真技術與靶場仿真試驗技術應用[C]//火力與指揮控制2005 學術年會論文集,太原∶火力與指揮控制研究會,2006∶439-444.