艦炮武器系統仿真試驗平臺的建立與應用＊

石 巖 嚴 東

（92941部隊94分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

新時期水面艦艇作戰能力的提升，推動了武器系統戰術技術性能的提高。艦炮武器系統作為水面艦艇重要作戰裝備之一，是提供對岸火力支援和打擊海上低空來襲目標的有效武器［1］。隨著新技術的不斷應用，新型艦炮武器系統的戰術技術性能越來越強、功能也越來越全。與以往艦炮武器系統相比，新型艦炮武器系統具有自動化程度高、反應時間短、高發射率、高可靠性，對目標高殺傷率等技術性能，如何在更加貼近實戰條件下對艦炮武器系統性能進行全面、準確地考核與評估已成為艦炮武器系統試驗急需解決的問題。

隨著以計算機并行處理技術、網絡技術、仿真技術為主的信息技術日趨成熟，仿真試驗在武器系統試驗和鑒定中被廣泛使用，成為試驗和鑒定必不可少的工具和有效手段［2］。傳統上對武器系統的考核主要依賴外場試驗，但其有不可忽視的缺點和局限性，尤其是在目標環境、靶標特性、試驗周期、試驗經費以及組織實施等方面都受到客觀條件的限制。而仿真試驗可以充分彌補外場試驗的不足，并可能實現較為“真實”的戰場環境［3］。根據國外有關統計資料分析，由于采用系統仿真技術，使武器系統靶場試驗次數減少了30%～60%，研制費用節省了10%～40%，研制周期縮短了30%～40%［4］，仿真技術在試驗和鑒定中越來越體現出重要性。

2 艦炮武器系統仿真試驗平臺設計

建模與仿真是一系列的活動，進行這一系列的活動需要一個支撐環境或支撐平臺［5］。建立艦炮武器系統仿真試驗平臺的作用主要是在試驗時，產生特定戰術環境，在半實物仿真模式下驅動被試系統，或在數字仿真模式下模擬艦炮武器系統工作狀態，完成對艦炮武器系統的主要戰術、技術性能評估和評定以及提供試驗顯示，輔助試驗指揮決策等功能。艦炮武器系統仿真是將艦炮武器系統在戰場上的行為模型化、模擬化，用計算機模擬技術對艦炮武器系統的組成、運行狀態及作戰過程進行仿真。圖1為建立的艦炮武器系統仿真試驗平臺結構圖。

圖1 艦炮武器系統仿真試驗平臺結構圖

艦炮武器系統仿真試驗平臺主要由艦艇綜合模擬、戰術環境仿真、模擬傳感器、模擬火控、艦炮綜合模擬、數據庫、評估處理系統等模塊組成。通過該仿真平臺，既可以與被試艦炮武器系統有機結合，完成系統半實物仿真試驗；也可自成體系，完成數字仿真試驗任務。

2.1 艦艇綜合模擬模塊

能夠模擬艦艇綜合導航設備，模擬水面艦艇在規定海情的搖擺運動，并以網絡報文形式提供模擬生成的艦艇姿態、航向、升沉、航速、地理位置、氣象參數等信息。同時，在內部（或外部）脈沖采樣信號控制下，能夠實時采集錄取搖擺姿態角數據，并通過網絡接口向其它仿真模塊及被試艦炮武器系統提供。

2.2 戰術環境仿真模塊

戰術環境仿真模塊模擬生成作戰兵力，這些虛擬兵力可以按照其運動學模型自主運動，由程序控制其行為，執行預定的作戰任務。通過建立典型的戰術態勢和交戰模型，為隨機統計試驗創造條件。戰術態勢和交戰模型的建立應根據目標的種類、性能、使用的兵器和攻擊的樣式、突然性等來建立，各類目標包含多種典型攻擊樣式，并能和艦炮武器系統作戰的典型樣式相吻合，目標的運動軌跡應能通過典型的攻擊樣式進行確定。在艦炮武器系統對空、對海和低空反導作戰方式下，能夠完成顯示目標態勢、按時序解算仿真航路理論值、發送仿真目標現在點坐標值等工作，并根據目標運動方式變化而隨之變化。

2.3 模擬傳感器模塊

該模塊模擬艦炮武器系統搜索雷達、跟蹤雷達和光電跟蹤儀等跟蹤器的功能和性能，主要采用視頻、中頻模擬，并加入設定好的噪聲模型。可以通過大量收集所模擬的傳感器的外場試驗數據，并通過統計的方法進行分析，得出系統的誤差模型。通過給定的誤差模型，使模擬生成的數據在統計特性上和設定的傳感器相吻合。

2.4 模擬火控模塊

該模塊模擬火控系統的功能和性能，完成目標解算、信息傳遞和火力控制等任務。在建模過程中對火控模塊的建模應滿足整體的性能評估要求，對火控系統的關鍵指標建模在外特性上應力爭和實際系統保持一致。并可通過對系統相關試驗數據的收集，給出擬和的精確度，以滿足整體評估的仿真要求。

2.5 艦炮綜合模擬模塊

模擬艦炮武器系統主要武器包括大、中口徑艦炮、小口徑近程反導艦炮、艦載火箭炮等武器的主要功能和性能，并通過設定好的攻擊成功概率，模擬生成外彈道數據，也可模擬各型艦炮隨動系統特征參量。

2.6 數據庫模塊

數據庫用于存儲仿真任務設定參數、目標特性參數、武器系統特性參數、戰場環境參數、易損性參數、任務評定數據和仿真模型。其中目標特性數據庫、武器特性數據庫、戰場環境數據庫、易損性參數庫和仿真模型庫作為源數據庫［6］，任務設定參數庫從源庫中提取設定參數，仿真評估系統根據任務設定參數庫初始化仿真參數，仿真結束后，試驗數據和評定結果存入數據庫中。

2.7 評估處理系統

通過網絡交換機，收發系統運行控制／狀態報文，接收戰情數據報文、目標真值數據、以及艦炮武器系統數據報文等，計算火控諸元真值，錄取仿真試驗的測試數據，評估艦炮武器系統探測、跟蹤、解算精度、系統精度及反應時間等精度指標，將處理結果數據存儲，并通過評估體系給出艦炮武器系統的效能參數。評價體系中包括信息綜合能力、武器組織能力等。這些能力參數根據測量值予以評價，并且采用可度量化的指標，減少主觀的人為判斷。

3 艦炮武器系統仿真試驗平臺應用

圖2 仿真試驗流程圖

艦炮武器系統仿真試驗主要是在仿真試驗平臺的支持下進行的半實物仿真和數字仿真試驗。其目的在于更多地獲取艦炮武器系統全壽命管理過程中的信息，發現和解決裝備研制、生產、使用和管理方面的問題，為最終科學評定艦炮武器系統提供有效依據。艦炮武器系統的仿真試驗流程如圖2所示。

艦炮武器系統仿真主要應用在戰情仿真、目標特性模擬以及模擬精度試驗、效能評估等方面。

3.1 戰情仿真

依據真實的戰場環境，模擬戰場態勢、復雜背景及多目標環境，通過搜索雷達模擬器根據仿真計算機輸出的戰術目標環境點跡數據生成多批目標與背景噪聲信息驅動搜索雷達，檢驗搜索雷達多目標處理能力、輸出點跡精度以及情報系統的威脅判斷功能、目標分配功能、火力分配功能、目標指示精度和系統反應時間等［8］。

3.2 目標特性模擬

在外場試驗中，由于提供的靶標受到諸多條件限制，許多特殊的目標運動方式無法提供［6］，如比例導引、蛇形運動、圓弧運動、等加速運動、零捷徑等。這些在外場試驗中很難實現的目標運動方式通過模擬試驗方法卻能很方便的生成，從而實現被試系統對機動目標處理能力的檢查和考核［7］。另外，對于目標的速度特性、紅外特性、反射特性等亦可通過模擬的方式來實現。

3.3 模擬精度試驗

利用仿真試驗的簡單易行、大量可重復性的特點，可通過大量的模擬精度試驗作為外場精度試驗的補充與驗證。

在仿真試驗中，仿真系統模擬飛機、水面艦艇、掠海飛行導彈等類型的目標航路，由搜索雷達模擬器產生視頻模擬信息驅動搜索雷達、火控設備，給跟蹤器發送目標指示信息；仿真系統向跟蹤模擬器發送目標航路數據，跟蹤模擬器驅動跟蹤器捕獲、跟蹤模擬目標，從而實時驅動全武器系統自動工作。通過仿真試驗，可以有效的檢驗和驗證跟蹤傳感器跟蹤精度、系統動態精度、系統射擊精度等。

3.4 效能評估

仿真是武器系統進行作戰效能評估不可缺少的環節和手段。利用仿真試驗對作戰過程進行大量模擬測得的數據，通過模型運算得出評估結果，給出艦炮武器系統效能評估量化數據［9］。在此基礎上，可對結果的可信度進行分析，并以此為依據分析如何對艦炮武器系統的作戰效能進行改進。

本仿真系統采用模糊Petri（FPN）的方法對艦炮武器系統的作戰效能進行評估［11］。其評估過程可以描述為系統狀態變化的過程，系統效能可看作各組成部分的效能之和，采用Petri網方法，其“庫所”節點和托肯值表明了系統的某個局部狀態，影響系統效能的因素轉換成FPN的庫所，判斷因素事件引起某種效能的過程轉換成FPN的變遷，系統中對因素事件可能的估計對應于FPN庫所中的托肯值，系統中對各個事件影響系統效能的權重對應于FPN的置信度。

利用FPN來分析由多個因素引起的系統的綜合效能的下一狀態為

其中：

M（k）：庫所在發生k次變遷后的狀態矩陣；

⊕：X⊕Y＝Z。X，Y，Z為n 維向量，zi＝max（xi，yi）；

?：X?Y＝Z。X為m 維，Y，Z為n×m維向量，zij＝xiyij。

如果在某一步有M（k＋1）與M（k）相等，根據模糊Petri網的可達性定義，可認為存在一系列的點火事件使系統從初始狀態M（0）變遷到狀態M（k），此時所得的狀態矩陣即為庫所事件、中間事件和頂事件的優劣程度判斷矩陣。在獲得各庫所事件以及頂事件的優劣評判矩陣之后，用加權平均法確定評測意見，其方法如下：設評價矩陣為：Q＝（10，8，6，4，2），其中，10表示效能為“優”；8表示效能為“良”；6表示效能為“中”；4表示效能為“差”；2表示效能為“劣”。由公式：M（k＋1）·QT可獲得各庫所事件和頂事件的評價值。該向量的最后一個元素表示總體效能的優劣程度。

4 結語

本文以仿真技術為牽引對艦炮武器系統仿真試驗方法進行了研究，建立了艦炮武器系統仿真試驗平臺，指出了艦炮武器系統仿真的主要應用范圍。在實際當中，艦炮武器仿真系統已在多次系統試驗中得到了成功的應用，證明了仿真技術在艦炮武器系統試驗中的適用性和可行性。可以預見，隨著仿真技術的發展，其在武器裝備性能測試和效能評估等領域中將會具有越來越廣泛的應用前景。

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