地空導彈裝備戰損仿真系統研究

王 宏，趙英俊，劉 晨，仇小光，張 琳

（1.空軍工程大學 導彈學院，陜西 三原713800；2.93844部隊，新疆 烏魯木齊830023）

0 引 言

未來高技術局部戰爭將使得地面裝備戰損情況變得更加復雜，如何科學地研究地空導彈裝備戰損仍是一個急待解決的問題。而當前研究成果對于地面目標的毀傷一般僅限于裝備的外形幾何模型，而對于集機械、電子于一身的地空導彈裝備（以下簡稱裝備），若沒有建立其科學合理的詳細結構模型，進行毀傷仿真難以得到有效的毀傷數據。若裝備的毀傷數據僅能依靠實驗獲取，成本高，風險大，甚至會影響戰備任務，本系統通過對地空導彈裝備的邏輯結構、物理結構、基本功能結構對應關系、戰損模式及影響、搶修資源等進行分析，建立相關的數學模型與初始化數據庫，并以典型空襲作戰模式為背景構建仿真用例，并以此為基礎，建立地空導彈裝備戰損仿真體系結構，以反輻射彈藥為例，研究分析戰斗部破片毀傷仿真方法、地空導彈裝備結構模型化方法及毀傷目標仿真方法，并設計開發了仿真系統。該系統不但能解決地空導彈裝備缺少戰損數據的現實問題，其設計思想、功能模塊、仿真方法對于地空導彈部隊系統深入地開展戰場搶修訓練具有決策支持作用，可解決裝備難以經歷實戰損傷獲取損傷數據的困境。

1 技術方案

將裝備的各類信息，戰損評估內容及相關資源存入綜合數據庫，根據仿真模型要求完成仿真初始化，在仿真運行過程中，適時存儲過程數據和調用數據庫原始數據，最后根據綜合數據庫數據做出仿真結果的處理，具體方案如圖1所示。

圖1 地空導彈裝備戰損仿真系統技術方案

2 系統結構

仿真系統結構如圖2所示，包括空襲想定管理、仿真數據庫管理、仿真初始化、仿真運行控制、仿真結果處理等分系統。

空襲想定管理分系統：完成仿真系統所需空襲想定設計、測試以及維護管理，作為仿真系統的驗證案例，包括：空襲想定設計模塊、空襲想定測試模塊以及空襲想定維護模塊。

仿真數據管理分系統：用以完成仿真系統所需各類基本數據的初始管理、狀態管理以及結果分析，主要包括：裝備物理結構、裝備邏輯結構、裝備相互關系、空襲兵器參數、裝備陣地部署（環形、扇形等）參數、搶修資源（人員、備件）、戰損等級評定標準、仿真狀態及管理等模塊。

圖2 地空導彈裝備戰損仿真系統結構

仿真初始化分系統：用以完成仿真系統初始化狀態設置，主要包括：仿真用例、裝備陣地部署、現場搶修人員、現場搶修備件、仿真步長、仿真運行方式以及仿真顯示方式等初始化設置模塊。

仿真運行控制分系統：用以完成仿真系統運行控制，主要包括：事件調度處理、實時控制、狀態記錄保存、狀態顯示以及中間結果保存等模塊，圖3為仿真控制界面。

仿真結果處理分系統：用以仿真系統相關結果的處理，主要包括：空襲情況統計、裝備戰損情況統計、功能組合戰損情況統計、功能部件戰損情況統計、功能單元戰損情況統計、系統戰損情況統計、基于功能重要度的戰損等級評估、基于現場搶修力量的戰損等級評估以及仿真結果生成打印等模塊。

圖3 仿真控制界面

3 戰損仿真方法

3.1 裝備等效幾何描述模型

任何裝備幾乎都可以等效為長方體、球體、圓柱體、三棱柱、圓錐體等基本幾何模型的組合，因此可先根據裝備部署情況建立地面直角坐標系，并將目標分解為若干個基本幾何模型，依據裝備設計圖近似給出每個基本幾何模型的幾何描述（頂點坐標、長、寬、高、半徑等）。完成裝備幾何模型建立后，還應考慮裝備的機械、物理、化學等特性，如裝備的制造材料，可等效為一定硬鋁厚度；相互間的遮擋關系，考慮到裝備的一般運動規律，只設定裝備的 “上、前、后、左、右”5個方向的遮擋關系，并給出遮擋的等效硬鋁厚度。

由此可以建立目標描述幾何類，即裝備類（主要是車輛），組合類（車輛內部功能單元）及部件類（車輛內部非組合部件），可按照C＃.NET的語言規范分別描述，由于不同裝備、組合、部件的外形，材料、遮擋等關系不盡相同，所以應先分別建立其抽象類作為基類，描述其共同特性，并定義接口完成不同幾何模型的描述，如下所示：

定義接口及抽象類：

Using System

Namespace Equipment

｛

Interface Cuboids ／／定義長方體模型接口

｛

Void Parameters（）； ／／幾何描述參數設置（頂點坐標、長、寬，高，半徑等）

｝

Abstract class TargetClass ／／定義目標抽象類

｛

Protected float equivalent＿duralumin＿thickness；／／定義裝備等效硬鋁厚度

Protected float frontal＿duralumin＿thickness；／／前遮擋等效硬鋁厚度，取0為無遮擋

｝

｝

Class Equipment：TargetClass，Cuboids，… ／／定義裝備類，繼承至基類，并根據裝備幾何模型情況，選擇地繼承和實現接口

｛

Float equivalent＿Epvolume；／／定義裝備的等效體積

Float equivalent＿Keyvolume；／／定義易損部位等效體積

Public int number＿EpParts；／／定義擊中裝備的破片數

Public int number＿KeyParts；／／定義擊中易損部位的破片數

Public override CalDamage（string missile＿type，int number＿missle）

｛

／／計算裝備損傷，給出擊中裝備的破片數及擊中易損部位的破片數

｝

Public Equipment（Float ＿Epvolume，Float ＿Keyvolume，int ＿EpParts，int ＿KeyParts）

｛

This.equivalent＿Epvolume＝＿Epvolume；

This.equivalent＿Keyvolume＝＿Keyvolume；

This.number＿EpParts＝＿EpParts；

This.number＿KeyParts＝＿KeyParts；

｝

Void Cuboids.Parameters（）／／實現長方體接口

｛

／／實現長方體描述參數設置

｝

｝

組合類與裝備類類似，不再贅述，部件類有所不同，且本文提到的仿真方法，為簡化結構，將部件等效為球體處理，實現如下：

Class Equipment：PartstClass，Spheres ／／定義部件類，繼承至基類，實現球體接口。

｛

Bool b＿penetrateDam；／／定義變量，“真”為穿透裝備即損傷，“假”為穿透組合損傷

Public float Ratio＿DamagePart； ／／定義部件損傷概率

Public override CalDamage（string missile＿type，int number＿missle）

｛

／／計算部件損傷概率

｝

Public PartstClass（Float ＿DamagePart，bool ＿penetrateDam）

｛

This.Ratio＿DamagePart＝＿DamagePart；

This.penetrateDam＝＿penetrateDam；

｝

Void Spheres.Parameters（）／／實現球體接口

｛

／／實現球體描述參數設置

｝

｝

3.2 戰斗部起爆規律

戰斗部起爆規律表現在炸點的確定及戰斗部起爆時的姿態，而炸點的確定方法主要考慮戰斗部采用何種引信起爆。目前多數空地導彈采用觸發或近炸引信，或兩才兼有。由于本文只研究破片毀傷，所以只考慮采用近炸引信，根據引信測量誤差，以高斯分布抽樣確定炸點高度，根據導彈命中點的圓概率誤差半徑，以目標為坐標原點，將命中點近似為圓形散布，按照均勻分布抽樣確定炸點平面坐標。戰斗部姿態，即導彈飛行末端的直線彈道方向，根據炸點坐標及目標坐標確定，即戰斗部引信敏感方向與炸點坐標和目標坐標連線重合，且指向目標，大致與導彈運動方向一致。

3.3 戰斗部破片仿真

本文沿用以前的射線法進行破片的仿真，不同之處在于，每條射線被賦予相應的毀傷能量（毀傷能量的大小由破片的速度和破片質量確定），并確定射線與目標交會的后的剩余能量，由此判斷其二次毀傷的可能性。具體實現方法如下：

根據戰斗部破片模型計算出破片總數n，隨之于戰斗部爆點處產生n條射線，射線方向限制在破片飛散角內，且在戰斗部錐形飛散區域與目標不平面交會所得環形區域內，按照均勻分布隨機抽樣確定每條射線與目標水平面的交點坐標，從而確定其具體方向，如圖4所示。由于本文僅考慮預制破片，所以每條射線的能量值可認為相同，且第一次與目標交會前不考慮射線由于破片飛行距離變化導致的能量損失。

圖4 破片射線仿真

3.4 裝備損傷仿真

裝備損傷仿真在破片毀傷模型、目標破片損傷模型、目標幾何描述模型、戰斗部起爆規律及戰斗部破片仿真的基礎上進行，可通過仿真流程圖5說明整個仿真過程。

4 裝備戰損仿真實例

圖5 損傷仿真流程

以地空導彈裝備的制導雷達為例建立裝備模型，以空地反輻射導彈為例建立戰斗部破片毀傷相關模型，進行仿真驗證，仿真結果數據分別如圖6～圖9所示。由本仿真平臺所得多少仿真數據可知，提高空地導彈的命中精度及其破片毀傷動能可有效提高其對地面目標的毀傷效果，而地面群裝備也可采用分散部署的方式減少空地導彈對其毀傷，且對于地空導彈裝備，應對其關鍵部位及重要部件進行必要防護，以降低損傷概率。

5 結束語

該地空導彈裝備戰損仿真系統利用計算機仿真技術，構建虛擬的戰場環境，研究地空導彈裝備在虛擬現實戰場環境中可能的戰損過程，包括各種可能對地空導彈裝備構成殺傷的空襲兵器的進攻過程、各型地空導彈裝備可能的戰損情況及戰損評定和搶修等，為全面進行地空導彈裝備戰損研究構建一個先進的平臺。該系統的開發對實現地空導彈裝備損傷評估、損傷定位和等級評判具有較強的輔助決策作用，對深入開展裝備戰場損傷與修復工作具有重大的現實意義和指導作用。

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