雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)可信度分析*

趙紅云

(91336部隊 秦皇島 066326)

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雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)可信度分析*

趙紅云

(91336部隊 秦皇島 066326)

論文以末制導(dǎo)雷達半實物仿真系統(tǒng)為研究對象,在討論可信度與VV&A關(guān)系基礎(chǔ)上,對仿真系統(tǒng)開發(fā)各階段不同模型開展可信度分析,主要是對不同模型開展V&V,并綜合各VV結(jié)論進行,確保了雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)的高的可信度。通過該系統(tǒng)可信度分析總結(jié)給出了可信度的性質(zhì)以及工程應(yīng)用中半實物仿真系統(tǒng)可信度應(yīng)遵循的幾條原則。

半實物仿真; 可信度; VVA

Class Number TN957

1 引言

雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)定型和研制中發(fā)揮著重要的作用,不僅可提高效率,極大縮短研制周期,而且節(jié)省大量的研制經(jīng)費。仿真系統(tǒng)作為原型系統(tǒng)的相似替代系統(tǒng),在特定建模與仿真目的和意義下,存在一個可信性問題。在某種意義來說,只有保證了系統(tǒng)仿真的正確性和可信度,最終得到的仿真結(jié)果才有實際應(yīng)用價值。

國內(nèi)外仿真界一致認同:沒有經(jīng)過校核與驗證的模型和系統(tǒng)不可信。國內(nèi)對仿真系統(tǒng)可信度的定性評價、定量評估方法、仿真模型的校核驗證等問題的研究近幾年一直未間斷,也作了大量有益的工作,且隨之VVA技術(shù)在提高建模正確性和可信性方面的作用,而日益受到重視。

本文從系統(tǒng)研制工程實際出發(fā),在介紹可信度與VVA關(guān)系基礎(chǔ)上,對反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達半實物仿真系統(tǒng)的開發(fā)不同階段結(jié)合VVA結(jié)論開展可信性分析,確保了系統(tǒng)的高可信度。

2 雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)基本構(gòu)成

導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達半實物仿真系統(tǒng)利用微波暗室及各種射頻仿真設(shè)備提供的試驗環(huán)境,對末制導(dǎo)雷達導(dǎo)引頭進行開環(huán)和閉環(huán)下的模擬打靶。主要包括飛行模擬器、射頻目標環(huán)境仿真系統(tǒng)、彈道仿真工作站、總控計算機與其它測控和通信接口設(shè)備。其配置圖如圖1所示。

其中末制導(dǎo)雷達作為實物架設(shè)在飛行模擬器上,飛行模擬器用來復(fù)現(xiàn)彈體在空中飛行姿態(tài)的變化;微波暗室主要功能是在實驗室中創(chuàng)造一個近似自由空間傳播電磁波的環(huán)境;射頻目標環(huán)境仿真系統(tǒng)用于復(fù)現(xiàn)目標及干擾空間屬性及目標的射頻信號特征;總控計算機是該半實物仿真系統(tǒng)的指揮控制中心,統(tǒng)一管理和控制回路各設(shè)備協(xié)調(diào)工作,其上運行總控軟件,控制回路其它設(shè)備設(shè)有分系統(tǒng)計算機,通過網(wǎng)絡(luò)與總控進行信息交互。通信網(wǎng)絡(luò)及接口設(shè)備是指在仿真實驗軟件作用下控制實驗進程、協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)完成實驗中數(shù)據(jù)記錄、信息傳輸?shù)裙ぷ鳌椀婪抡婀ぷ髡具\行導(dǎo)彈彈體特性及制導(dǎo)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

圖1 半實物仿真系統(tǒng)配置圖

3 仿真可信性/可信度與VVA關(guān)系

近年來隨著仿真可信性研究和應(yīng)用工作的深入,國際仿真領(lǐng)域皆認為模型校核與驗證(V&V)與模型和仿真有效性密切相關(guān)。

仿真可信性/可信度是對仿真系統(tǒng)在一定環(huán)境和條件下解決問題正確性的定性/定量評估。

VVA技術(shù)是保障仿真可信性的重要手段,校核是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性角度,強調(diào)是否按照預(yù)期應(yīng)用期望進行工作,它是對建模與仿真確認過程。驗證是從仿真系統(tǒng)應(yīng)用目的出發(fā),確定仿真系統(tǒng)反應(yīng)真實程度的過程。確認是對仿真系統(tǒng)是否滿足應(yīng)用目標的一種認證,一種相信并被接受的權(quán)威性決定。

VVA技術(shù)貫穿于仿真系統(tǒng)全生命周期,仿真系統(tǒng)VVA的實施過程包含了可信性評估需要的信息和證據(jù),確認結(jié)論實際就是仿真可信性評估結(jié)論,也可以說仿真系統(tǒng)的確認實際就是對仿真可信性的評估。只有VVA才能為仿真系統(tǒng)開發(fā)全生命周期提供全方位跟蹤、審查和監(jiān)督,才能有效保證系統(tǒng)的可信性。

4 系統(tǒng)模型可信度分析

雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)是強實時系統(tǒng),對半實物仿真系統(tǒng)的可信度分析必須以對半實物仿真系統(tǒng)的校核和驗證為基礎(chǔ),針對不同階段和對象,選用不同VVA方法,綜合集成各階段的VV結(jié)論進行仿真系統(tǒng)的可信度分析。

模型作為仿真系統(tǒng)的靈魂,從系統(tǒng)論證設(shè)計開始就必須開展對模型的VVA工作,根據(jù)雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)建設(shè)工程實際,在建設(shè)中采用如圖2所示模型VVA壽命周期。

圖2 系統(tǒng)模型的V&V壽命周期

4.1 仿真需求模型VV

需求分析是整個項目開發(fā)生命周期的初始階段,也是關(guān)鍵階段。主要內(nèi)容是明確系統(tǒng)建設(shè)目的,搜集、調(diào)研當前仿真領(lǐng)域尤其是軍內(nèi)仿真領(lǐng)域的需求,對系統(tǒng)建設(shè)的可接受性進行判斷,對預(yù)期應(yīng)用、預(yù)期結(jié)果進行分析,并建立需求分析的可描述性模型。

需求分析階段的VVA工作主要是對需求報告進行審定。重點對系統(tǒng)指標、計算機資源性能、工程因素、接口設(shè)備、開發(fā)計劃、風(fēng)險分析以及系統(tǒng)建成的可接受標準等建立規(guī)范性文檔,確保需求被一致、完整、清晰的描述。通過組織專家組對模型的完整性、正確性,系統(tǒng)的功能、性能相關(guān)設(shè)計要素與所期望的系統(tǒng)功能相一致性等進行研究。最后形成分析報告,在進行下一步工作之前解決所有分歧。

4.2 概念模型VV

概念模型是連接需求和實現(xiàn)的橋梁,是將需求轉(zhuǎn)換為詳細設(shè)計框架的途徑,是建模和仿真中對真實世界的第一次抽象。唯有正確的概念模型才能真實地反映客觀世界、才能實現(xiàn)可信度高的仿真。

概念模型是仿真開發(fā)者對仿真系統(tǒng)中涉及的軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)和各種系統(tǒng)設(shè)備的概念信息進行集合抽象,運用精確語言、框圖、符號和流程等形式進行規(guī)范化描述,多以科技報告等文檔形式體現(xiàn),定性成分高,而定量成分低。根據(jù)此特點概念模型驗證常采用審查、桌面檢查、審核等非規(guī)范方法和控制分析、接口分析、結(jié)構(gòu)分析、可追溯性分析等靜態(tài)分析方法驗證概念模型描述完整性、清晰簡潔性、合理性。

4.3 數(shù)學(xué)模型、仿真模型VV

數(shù)學(xué)模型主要包括導(dǎo)彈動力學(xué)模型、運動學(xué)模型;目標運動模型;彈目相對運動模型;自動駕駛儀模型;干擾模型;坐標變換等模型。這些模型不是簡單的疊加,而是通過有機結(jié)合構(gòu)成的完整整體。數(shù)學(xué)模型的校核主要包括模型的簡化的合理性,結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系正確性、數(shù)學(xué)公式正確性、模型參數(shù)設(shè)置合理性等。本系統(tǒng)研制中采用某典型彈道模型,其數(shù)學(xué)模型是可信的。其校核與驗證體現(xiàn)在其仿真模型與數(shù)學(xué)模型一致性上。仿真模型是在深入理解數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的二次開發(fā),使之成為能在計算機上運行的仿真程序,它的校驗和驗證與仿真軟件的校驗與驗證有其相似處。而目標和干擾信號的模型建立方法、逼真度和復(fù)雜度不同,根據(jù)需求要考慮包括費效比在內(nèi)的模型建模和驗?zāi)！?/p>

4.4 仿真設(shè)備與物理效應(yīng)模型VV

仿真設(shè)備V&V主要是考核仿真設(shè)備是否可正確反映和復(fù)現(xiàn)物理效應(yīng)模型,在功能、性能、兼容性等指標是否可用并且可信。物理效應(yīng)模型是指導(dǎo)彈在飛行過程中所處的環(huán)境以及所受的激勵信號,以及雷達導(dǎo)引頭接收到的目標信號、電磁干擾信號、彈體姿態(tài)運動等效應(yīng)模型。

仿真設(shè)備的工作原理及功能結(jié)果復(fù)雜且專業(yè)性強,對仿真設(shè)備的校核主要有設(shè)備研制方或第三方評測機構(gòu)負責(zé)完成。在設(shè)備驗收時,設(shè)備研制方必須提供詳細的設(shè)備校核報告,為設(shè)備可信提供證據(jù)。仿真設(shè)備驗證從設(shè)備驗收測試階段起動,測試仿真設(shè)備的各項功能、性能指標是否滿足設(shè)計指標要求,考察設(shè)備誤差對仿真結(jié)果影響情況。三軸飛行轉(zhuǎn)臺作為典型的非線性機電設(shè)備,存在控制誤差;微波暗室作為仿真環(huán)境設(shè)備,存在墻壁反射電平引入得多路徑效應(yīng);射頻環(huán)境模擬設(shè)備存在精度控制誤差。對這些硬件誤差的校核通過分析說明誤差來源和可能引起的仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)的差異,通過專家評估的方法詳細分析誤差產(chǎn)生機理,進而進行分析或修正。

由于該半實物仿真系統(tǒng)中涉及的仿真設(shè)備和子系統(tǒng)多,有時會出現(xiàn)子系統(tǒng)和子設(shè)備表面上沒有問題,而系統(tǒng)連接一起誤差大,誤差源不容易發(fā)現(xiàn)的情形。所以整體系統(tǒng)的誤差分析、系統(tǒng)耦合、電磁兼容等帶來的系統(tǒng)誤差更需要進行分析驗證,這部分結(jié)合系統(tǒng)集成綜合測試進行。

4.5 仿真軟件VV

仿真軟件包括仿真程序在總控機上運行的控制軟件和彈道仿真工作站上運行的彈道仿真軟件是控制半實物仿真的“靈魂”。

仿真軟件模型校核包括算法校核,流程圖校核和程序代碼校核等,主要檢查仿真算法正確性與精確性,檢查程序流程圖是否正確反映了仿真算法和編程過程以及程序代碼是否正確,是否符合編程語言風(fēng)格及接口是否規(guī)范等。一般由編程人員或不參與開發(fā)但熟悉仿真語言的相關(guān)人員承擔(dān),常采用控制分析、數(shù)據(jù)分析、接口分析、結(jié)構(gòu)分析、代碼走查等靜態(tài)方法和邊界值分析、動態(tài)調(diào)試、人工校對等動態(tài)方法。

4.6 集成測試與結(jié)果驗證

系統(tǒng)仿真軟硬件通過校驗驗證后進行綜合集成,根據(jù)仿真系統(tǒng)設(shè)計指標制定集成測試大綱,規(guī)定測試范圍、測試環(huán)境、集成次序等,將仿真設(shè)備、仿真程序及仿真設(shè)備的驅(qū)動模型、系統(tǒng)內(nèi)部的各種接口和網(wǎng)絡(luò)等進行綜合測試,檢驗仿真系統(tǒng)能否正確交互數(shù)據(jù)和正常運轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)集成完畢后,通過合理設(shè)置試驗態(tài)勢進行模擬打靶,在相同試驗條件下分析彈道中典型參數(shù),如位置、姿態(tài)角、攻角,舵指令等與實際飛行彈道的相關(guān)參數(shù)進行比對進行驗證。在缺少標準外場數(shù)據(jù)時,可憑請領(lǐng)域?qū)＜覍υ囼炦^程中導(dǎo)彈運行軌跡、中間變量等進行審查。

通過集成測試,綜合考慮V&V結(jié)果、M&S的開發(fā)和應(yīng)用記錄、系統(tǒng)的配置資源環(huán)境,系統(tǒng)從功能、指標、仿真精度、交互能力等各個方面結(jié)果滿足預(yù)期目標。

在對雷達制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)可信度分析可看出,仿真系統(tǒng)可信度有以下性質(zhì):

1) 目的相關(guān)性。系統(tǒng)的可信度反映的是仿真行為與仿真對象對仿真可用性的影響程度,仿真系統(tǒng)可信度的高低與研制該仿真系統(tǒng)的目的緊密相關(guān)。

2) 綜合性。仿真系統(tǒng)可信度是集成不同模型、算法、通信以及硬件等的綜合反映,某一因素也可能影響可信度的多個側(cè)面。

3) 客觀性。具體應(yīng)用目的的仿真系統(tǒng)其可信度是確定的,不以評估者的態(tài)度和評估方法為轉(zhuǎn)移。而不同評估者采用不同方法所得的評估結(jié)論有所區(qū)別不是因為系統(tǒng)可信度本身,而是區(qū)別于評估過程。

4) 層次性。大型復(fù)雜的仿真系統(tǒng)有多個子系統(tǒng)組成,各子系統(tǒng)都存在可信度問題,這也必然會反映在整個系統(tǒng)的可信度中。

在進行可信度分析時要做到:

1) 可信度與仿真模型的用途有關(guān),仿真結(jié)果的偏差不能大到影響其有用性的程度。

2) 將VVA過程貫穿于仿真系統(tǒng)研究的全生命周期中,使之成為仿真工程的有機組成部分,不能等工程結(jié)束后才進行。

3) 半實物仿真中仿真模型的可信度要綜合考慮物理效應(yīng)設(shè)備的技術(shù)可行性和所需費用。

4) 一般說來,仿真設(shè)備性能越高越能保證仿真的精度,但在工程實踐中,不能以此為原則,仿真模型和物理效應(yīng)仿真設(shè)備的置信度水平是相互制約的,盲目追求其中一項的仿真精度是沒有意義的。

5 結(jié)語

隨著導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展,半實物仿真試驗地位不斷增強,系統(tǒng)研制過程伴隨有效的V&V,能確保系統(tǒng)經(jīng)濟、高效的完成。經(jīng)過驗證和確認的高可信度半實物仿真系統(tǒng),可靈活、可靠、高效的完成導(dǎo)彈直接實物試驗難以實現(xiàn)的綜合性試驗,對提高仿真結(jié)果可信度具有重要意義。

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Analysis on Credibility of Radar Seeker Hardware-in-the-loop Simulation System

ZHAO Hongyun

(No. 91336 Troops of PLA, Qinhuangdao 066326)

Regarding Radar seeker HILP system as the research object, the credibility on different stages of the system construction are analyzed, mainly the VV’s use on different model based on the discussing of the relationship confidence between VV&A, thus ensuring the system is successfully accomplished. At last the character of credibility is summed up and some rules should be followed on credibility analysis.

HILS, confidence, VVA

2014年10月22日,

2014年11月30日

趙紅云,女,碩士研究生,工程師,研究方向:導(dǎo)彈制導(dǎo)仿真。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.024