載艦環(huán)境仿真方法研究＊

盧 鑫 徐 武

（92941部隊(duì)93分隊(duì) 葫蘆島 125001）

1 需求分析

載艦環(huán)境信息主要包括載艦姿態(tài)、氣象、時(shí)統(tǒng)和目標(biāo)（艦載指控系統(tǒng)、搜索雷達(dá)和電子偵察設(shè)備等接收或發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)）信息。載艦環(huán)境相關(guān)參數(shù)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、艦炮武器系統(tǒng)和魚雷等艦載武器系統(tǒng)發(fā)射的重要參數(shù)。由于受布靶、掃海和安全等因素限制，導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)試驗(yàn)一般只能在相對(duì)比較理想的載艦環(huán)境下進(jìn)行，且試驗(yàn)樣本數(shù)有限，不能對(duì)武器系統(tǒng)性能進(jìn)行客觀合理的評(píng)價(jià)。對(duì)在惡劣氣象條件等復(fù)雜載艦環(huán)境下的武器裝備性能考核程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此需要借助仿真試驗(yàn)等手段來考核武器裝備性能。載艦環(huán)境仿真是仿真試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一方面可以為仿真試驗(yàn)提供不同條件下的載艦環(huán)境，完成仿真試驗(yàn)，另一方面也可以為實(shí)裝提供不同條件下的載艦環(huán)境激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)合成試驗(yàn)。這就使得許多難以實(shí)施或不能實(shí)施的試驗(yàn)成為可能，最終對(duì)武器系統(tǒng)性能作出客觀的評(píng)定。

2 目標(biāo)仿真

目標(biāo)仿真主要指雷達(dá)仿真。目標(biāo)數(shù)據(jù)包括各目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、大地高等參數(shù)。因搜索雷達(dá)性能和環(huán)境因素的限制，對(duì)不同高度和雷達(dá)截面積的目標(biāo)探測(cè)，都具有局限性，所以在搜索雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)仿真時(shí)需考慮上述因素。

2.1 目標(biāo)搜索雷達(dá)視距仿真

設(shè)目標(biāo)搜索雷達(dá)在自由空間探測(cè)距離（雷達(dá)截面積為定值）為RSmax，對(duì)不同高度的目標(biāo)，搜索雷達(dá)因受地球曲率等影響，發(fā)現(xiàn)和跟蹤距離會(huì)小于RSmax。

設(shè)地球表面是平坦的，按搜索雷達(dá)天線高h(yuǎn)（m），考慮地球?yàn)檎蚝痛髿鈱?duì)電波折射的影響，搜索雷達(dá)視距與目標(biāo)高度H的關(guān)系為

式中，RS為雷達(dá)的直視距離（km），h為雷達(dá)天線高度（m），H為目標(biāo)飛行高度（m）。

表1 天線高15m的搜索雷達(dá)的直視距離

如某搜索雷達(dá)天線高15m，則目標(biāo)高度與視距RS關(guān)系如表1所示。目標(biāo)高度越低，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離越近，當(dāng)H＝7m時(shí)，該搜索雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的理論值僅為27km。

2.2 搜索雷達(dá)對(duì)不同雷達(dá)截面積目標(biāo)的探測(cè)能力仿真

不同類型目標(biāo)，如轟炸機(jī)、殲擊轟炸機(jī)、空地導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)、無人機(jī)和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈等，它們的雷達(dá)截面差別很大，這將嚴(yán)重影響搜索雷達(dá)對(duì)它們的最大探測(cè)距離。

根據(jù)雷達(dá)方程：

當(dāng)目標(biāo)的雷達(dá)截面σ變化時(shí)，由于搜索雷達(dá)的PF、G、λ、Prmin、L不變，因而，可將雷達(dá)方程寫成：

式中，PF為發(fā)射機(jī)輸出的脈沖功率，G為天線增益系數(shù)，λ為雷達(dá)工作波長，σ為目標(biāo)雷達(dá)截面積，Prmin為雷達(dá)接收機(jī)能接收的最小功率（接收機(jī)靈敏度），L為饋線和電波在空中傳播的損耗系數(shù)。

如某雷達(dá)對(duì)σ＝1m2的最大探測(cè)距離為Rmax＝100km，則得：

這樣，該雷達(dá)探測(cè)距離和目標(biāo)雷達(dá)截面積的關(guān)系為

由上式可得對(duì)不同雷達(dá)截面目標(biāo)，這種搜索雷達(dá)的最大探測(cè)距離如表2所示。

表2 某雷達(dá)對(duì)不同雷達(dá)截面目標(biāo)的最大探測(cè)距離

3 載艦姿態(tài)仿真

載艦姿態(tài)受海雜波、艦型、航速和航向等因素影響，沒有固定規(guī)律，仿真難度較大。對(duì)收集的大量綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，或從其圖像觀察，雖無明顯的規(guī)律可循，但是艦艇的搖擺和起伏總是圍繞某一基準(zhǔn)做左右和上下無規(guī)律的擺動(dòng)，周期也在一定的范圍內(nèi)無規(guī)律的波動(dòng)。

3.1 利用真實(shí)綜導(dǎo)數(shù)據(jù)

圖1 某型艦一級(jí)海況縱搖曲線圖

收集不同海況、不同艦型、不同航速和不同航向等條件下的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用真實(shí)的載艦姿態(tài)數(shù)據(jù)作為仿真輸出。如圖1所示為某型艦在三級(jí)海況條件下縱搖圖，其中縱坐標(biāo)表示縱搖幅度，橫坐標(biāo)表示絕對(duì)時(shí)間。

3.2 利用三次諧波仿真

由于艦艇的搖擺和起伏總是圍繞某一基準(zhǔn)做左右和上下無規(guī)律的擺動(dòng)，周期也在一定的范圍內(nèi)無規(guī)律的波動(dòng)，因此可以考慮用正弦波進(jìn)行近似替代。利用回歸分析思想，建立回歸模型：

式中，A為幅值，Ai為搖擺譜i次諧波幅值，Ti為搖擺譜i次諧波周期。將收集到的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)帶入上述回歸模型，求出Ai和Ti即可。

4 時(shí)統(tǒng)設(shè)備仿真

利用GPS或BD進(jìn)行仿真。在設(shè)備上配置GPS或BD時(shí)統(tǒng)卡。GPS／BD時(shí)統(tǒng)卡根據(jù)GPS／BD天線接收GPS／BD衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解碼獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間后，將代表準(zhǔn)確秒時(shí)刻的準(zhǔn)秒脈沖通過時(shí)統(tǒng)電纜向各節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送，各節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過用戶時(shí)統(tǒng)卡在接收準(zhǔn)秒脈沖的同時(shí)通過時(shí)統(tǒng)電纜向外轉(zhuǎn)發(fā)。各節(jié)點(diǎn)通過GPS／BD時(shí)統(tǒng)、用戶時(shí)統(tǒng)卡和時(shí)統(tǒng)電纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)完成準(zhǔn)秒脈沖的實(shí)時(shí)傳遞。GPS／BD時(shí)統(tǒng)卡在發(fā)送準(zhǔn)秒脈沖后通過中斷信號(hào)通知時(shí)統(tǒng)設(shè)備仿真軟件，按仿真配置中規(guī)定的報(bào)文格式組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)碼報(bào)文（包含準(zhǔn)秒脈沖時(shí)刻的準(zhǔn)確的時(shí)、分、秒數(shù)據(jù)），并通過網(wǎng)絡(luò)電纜向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

5 其它系統(tǒng)的互聯(lián)

載艦環(huán)境仿真系統(tǒng)作為仿真實(shí)驗(yàn)室的一部分與實(shí)驗(yàn)室其它系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)，可以采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP／IP，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與其它系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。當(dāng)為導(dǎo)彈火控系統(tǒng)實(shí)裝設(shè)備提供外圍環(huán)境的仿真激勵(lì)支持，構(gòu)成虛擬火控系統(tǒng)環(huán)境和目標(biāo)態(tài)勢(shì)信息時(shí)，可以采用多用途電纜（定制海軍標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)／串行數(shù)據(jù)插接件）與導(dǎo)彈火控系統(tǒng)實(shí)裝連接，支持火控系統(tǒng)完成各種（包括在實(shí)際試驗(yàn)中無法實(shí)現(xiàn)的）條件下的作戰(zhàn)任務(wù)。

6 結(jié)語

載艦環(huán)境仿真意義重大，可以為艦載武器裝備仿真試驗(yàn)提供外圍平臺(tái)環(huán)境，是艦載武器裝備仿真試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。建立比較真實(shí)的接近實(shí)戰(zhàn)條件的載艦仿真環(huán)境，可以通過仿真試驗(yàn)完成各種不同條件下，特別是惡劣氣象條件下的試驗(yàn)，可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)武器裝備性能考核。同時(shí)，載艦環(huán)境仿真系統(tǒng)可以與實(shí)裝連接，為實(shí)裝提供各種邊界條件和惡劣氣象條件下的載艦環(huán)境激勵(lì)，可以加強(qiáng)對(duì)實(shí)裝的測(cè)試，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)實(shí)裝設(shè)計(jì)中存在的缺陷和不足，對(duì)實(shí)裝進(jìn)行改進(jìn)和完善。

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