導彈定型鑒定中仿真與飛行試驗一體化研究*

趙喜春，時維科

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

仿真技術用于支持武器裝備研制已有廣泛的研究，早在20世紀90年代末美國就提出了建立一個以虛擬樣機為基礎，以作戰仿真為測試評估環境的裝備采辦全過程，全方位管理系統，以達到快、好、省地開發武器系統的目標。從國內外仿真技術用于輔助武器裝備采辦層面講，大致有3種情況:其一，將技術狀態相同的研制性試驗結果和靶場仿真試驗結果作為驗前信息，將靶場定型飛行試驗信息作為現場試驗信息，用貝葉斯方法［1］進行定型鑒定;其二，利用研制過程的半實物仿真試驗和實彈打靶對其模型進行校核、驗證，其可信度模型被確認后，用大量的仿真打靶進行定型鑒定;其三，利用仿真技術構造一個虛實合成的試驗環境，利用這個環境對真實系統進行測試、評估和鑒定［2-3］。戰術導彈仿真試驗與飛行試驗一體化研究的目的是將仿真試驗與型號設計、飛行試驗及其他試驗貫穿起來，通過飛行試驗打靶校驗模型，使用已校驗的模型進行仿真打靶，通過仿真打靶減少實彈打靶次數，進而實現縮短研制周期和減少研制經費的總體任務。

1 定型鑒定中仿真試驗與飛行試驗一體化的方案構想

戰術導彈仿真與飛行試驗一體化以科學發展觀“統籌兼顧”的基本方法為指導，以靶場定型試驗戰術技術性能和戰術使用性能鑒定為核心，運用系統論、控制論和信息論的方法［4］，研究試驗內容、試驗手段、試驗分析與評估、試驗管理等方面的一體化試驗理論和方法。其重點是實現一體化試驗設計、一體化試驗評估和一體化試驗管理。

1.1 一體化試驗設計

仿真試驗與飛行試驗一體化設計的基本思路如下:

(1)對導彈武器系統性能指標的考核［5］(如對反艦導彈自控終點散布、捕捉概率、單發命中概率和防空導彈殺傷區、制導精度、引戰配合效率和單發殺傷概率等)以主要特征點飛行試驗為依據，輔以仿真手段進行統計分析。

(2)各種復雜條件(如復雜電磁環境、復雜氣象環境、復雜環境條件和典型干擾環境條件等)對武器系統的影響，主要以仿真手段來考核，輔以幾組典型的抽樣飛行試驗進行考核。

(3)各種邊界條件(如對反艦導彈的最大、最小射程，最大射擊扇面角和對防空導彈的高界、低界、遠界、近界、大航路捷徑等)的考核，全部用仿真手段實現。

(4)飛行試驗中故障的查找、定位和復現，特別是根據靶場測量數據和一般分析無法確定故障原因時，需以仿真試驗為主要分析手段，以實彈飛行試驗為輔助手段分析故障機理。

(5)武器系統作戰使用性能(如對付多目標能力，系統安全性、可靠性等)的考核，以飛行試驗為依據，輔以仿真手段進行分析。

1.2 一體化試驗評估

將實際飛行試驗與仿真試驗結果進行一體化處理是定型鑒定中的關鍵，一種可行的途徑是將可信的仿真試驗結果作為性能指標鑒定的驗前信息，以實際飛行試驗結果為現場信息，應用貝葉斯統計方法進行評定［6］，其基本方案如圖1所示。

圖1 一體化試驗評估基本方案Fig.1 Integrated test and evaluation project

1.3 一體化試驗管理

一體化試驗管理的關鍵是協商及論證靶場、使用單位、承研單位之間不同的試驗目的和要求，進而提出一體化實施總體方案［7-8］，具體規定飛行試驗和仿真試驗的考核項目及分工，共享試驗信息，對戰術導彈仿真和飛行試驗信息實施閉環控制，一體化試驗信息組織系統如圖2所示。

2 仿真試驗與飛行試驗一體化的關鍵技術

在戰術導彈定型鑒定中，仿真試驗結果與實物試驗結果的一致性檢驗和一體化處理是一體化試驗的關鍵技術問題。

2.1 仿真試驗結果與實物試驗結果的一致性檢驗

根據試驗結果的特性，系統性能參數包括靜態性能和動態性能，其中，靜態性能以隨機變量的形式表示，如導彈試驗的命中點偏差、殺傷概率等;動態性能以隨機序列的形式表示，如導彈過載、姿態、速率、分系統的輸出等［9］。

隨機變量一致性檢驗屬于兩樣本統計假設檢驗的范疇，可分為2種情況:

(1)當靜態參數總體的分布函數F完全未知時，采用非參數檢驗方法。一般地，在大樣本情況下，可利用 Kolmogorov-Smirnov 檢驗，Pearson χ2檢驗;在小樣本情況下，則采用Wilcoxon秩和檢驗、逆序檢驗等，其理論都比較成熟。鑒于導彈飛行試驗次數少，一般采用秩和檢驗來檢驗仿真試驗結果和飛行試驗的一致性。

圖2 戰術導彈仿真與飛行試驗信息組織系統示意圖Fig.2 Sketch map of statics missile simulation and fly test information organization system

(2)當靜態參數總體的分布函數F已知時，一般采用參數假設檢驗方法中的置信區間法或假設檢驗法等，其理論也比較成熟。

隨機序列的一致性檢驗［10］比較復雜，分析的方法既可以在時域中進行，也可以在頻率域中進行，一般分2種情況:

(1)通過分析仿真與實物試驗結果的誤差序列特征，對二者間的一致性進行評估。常用的有判斷比較法、Theil(theil inequality coefficient，TIC)不等式系數法、灰色關聯分析和時序模型比較法等。

(2)通過估計仿真與實物試驗結果各自的某些典型特征，并加以比較，對二者間的一致性進行評估。目前比較受推崇的方法為頻譜比較法［11］，其基本思想是將2個時序的一致性檢驗問題轉換為2個頻譜密度的一致性檢驗問題。

值得說明的是，上述不同的方法有各自的特點和適用范圍，應按不同的實際問題確定檢驗的方法。

2.2 仿真結果與實物試驗結果的一體化處理

定型試驗中，仿真所獲得的數據量往往很大，而實際飛行試驗數據量一般較小，但其真實性遠高于仿真試驗，因此如何應用仿真結果，是值得深入研究的問題。目前，一種可行的方法是將可信的仿真結果作為驗前信息，以實物試驗結果為現場信息，應用貝葉斯統計方法進行鑒定，其評估步驟如圖1所示。

3 仿真試驗與飛行試驗一體化應用示例

將仿真與飛行試驗一體化方法應用于某型導彈武器系統定型鑒定，對試驗結果進行一體化處理，對系統戰技性能進行了全面評定，為設計定型提供了可靠依據。

3.1 仿真模型的建立

導彈武器系統全參量數字計算機仿真模型采用Matlab和C/C++混合編程技術進行建模。仿真模型主要包括以下4部分，其中，制導控制及六自由度彈體動力學仿真模型主要采用Simulink和C/C++混合編程技術建立，模擬導彈從發射到攔截的全部工作過程;引戰配合仿真模型采用M語言編寫，模擬引信的無線電通道和全部的起爆控制邏輯，并能作出戰斗部對目標的殺傷效果評估計算;武控裝定參數計算仿真模型采用M語言編寫，模擬計算導彈發射時裝定參數的計算過程，并能模擬裝定過程中的誤差環節;雷達數據處理仿真模型采用C/C++語言編寫，模擬雷達對測量數據的卡爾曼濾波過程，并能模擬數據處理過程中的系統誤差、隨機誤差和噪聲。

3.2 仿真模型的校核

根據批復的仿真試驗大綱要求，仿真系統的模型驗證工作主要集中在系統的二次建模上，對計算機仿真模型的驗證主要采用3種方法:①仿真結果與靶試結果進行比對;②仿真結果與設計部門的控制彈道程序進行比對;③仿真結果與設計部門的標準題進行比對。通過對各種數據進行比對表明:仿真計算結果與其他參照數據源基本吻合，仿真模型是正確的，仿真結果是可信的。

3.3 仿真目標特性和仿真空域點的設計

依據該型導彈武器系統研制總要求，其主要用于攔截空中飛機類和反艦導彈類目標，因此本次仿真試驗選擇2種典型目標，其中飛機類目標雷達散射截面積分別取為1，2和5 m2，并將模型合理分成8個子目標，每個子目標的有效反射面積用相應的向量形式表示，運動速度按300，500，700 m/s 3檔設置，機動過載取0.5，2.0，3.5和5，機動方式有上仰、俯沖、水平順時針、水平逆時針、S型機動5種;反艦導彈類目標的雷達散射截面積取為0.05，0.1和0.2 m2，并將模型合理分成8個子目標，每個子目標的有效反射面積用相應的向量形式表示，運動速度按400，650和900 m/s 3檔選取，機動過載取2.5，5，機動方式有俯沖和S型2種。

仿真空域點的設計依據是該型武器研制總要求中的殺傷空域指標。仿真特征空域點覆蓋全部殺傷區空域，根據目標速度和目標類型的不同，由低空到高空按不同的高度分層計算;在每個確定的高度層上，航路捷徑由0逐漸增加到最大;機動過載的大小從低空到高空逐漸減小，機動方式隨機選取，每個空域點進行100次以上蒙特卡羅統計仿真計算。

3.4 仿真與飛行試驗結果的一體化處理

一體化處理的方法是將通過一致性檢驗認為可信的仿真結果作為驗前信息，然后應用上面提到的方法，如最大熵法、共軛分布法、自助法或隨機加權法等，作出其總體未知分布參數的分布函數或密度函數，進而得到其驗前分布，其中自助法和隨機加權法可以直接由樣本得到未知分布參數的近似表示，并且適用于信息量較少的場合，本文推薦使用。這樣，在經過實際飛行試驗獲得少量現場樣本后，可用貝葉斯決策方法進行驗后性能鑒定，此時的關鍵是決策損失函數的選取，而鑒定的優良性指標可用犯2類錯誤的概率及決策風險來衡量［12］。

3.5 仿真在定型鑒定中的應用情況

(1)精度鑒定的主要依據

由于受外場飛行試驗彈數、試驗安全、靶標供靶能力等因素限制，有時系統所要求的使用條件在真實試驗環境下是無法實現的，對其精度的全面統計分析只能通過仿真試驗條件來保障。仿真試驗結果表明，大機動、大航捷和俯沖攻擊類目標對系統制導落入概率、引戰配合效率及單發殺傷概率［13］有一定的影響。

(2)系統性能指標鑒定的補充依據

根據殺傷區仿真空域點的設置，在設計的每個高度層上按照航路捷徑由小到大的順序對不同斜距的彈目交會點進行100次以上的統計仿真，仿真結果驗證了武器系統反飛機和反反艦導彈的垂直殺傷區和典型高度的水平殺傷區。

(3)產品故障分析的輔助依據

在系統外場真實環境試驗中，由于被試系統的故障或自身存在的問題而導致試驗失敗的事件時有發生，也是系統研制過程中在所難免的，問題是如何提高試驗的成功率，一個極為有效的方法就是在系統外場試驗之前，盡可能地通過仿真試驗發現系統存在的問題，以及在外場失敗的情況下，盡快地通過仿真試驗查找和分析其中的原因，排除隱患，確保再次外場試驗的成功。

(4)外場試驗方案優化的設計依據

由于仿真試驗不受時間、地點、環境等條件的嚴格限制，具有消耗少、重復性好、試驗環境可以模擬控制等特點，因而可對影響系統的多個參數不同水平進行比較充分的試驗，獲取大量的系統仿真試驗數據。通過對仿真試驗數據的分析，可以比較全面地了解掌握不同等級水平條件下試驗目標及環境對系統影響的基本情況，在進行靈敏度分析的基礎上，選擇對于系統影響較大的主要參數和典型的等級水平進行外場試驗的航次數量，縮短外場試驗周期，降低試驗消耗，提高試驗效率。

4 結束語

本文在對戰術導彈靶場定型鑒定中仿真與飛行試驗一體化研究的現狀分析出發，提出了仿真試驗與飛行試驗一體化的方案構想，分析了一體化試驗的關鍵技術問題，并結合實例說明仿真與飛行試驗一體化的具體應用問題，這對戰術導彈靶場定型試驗的工程實施具有指導意義。

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