靶場試驗方案推演與評估系統設計

孫艷英

(92941 部隊，遼寧葫蘆島 125001)

在海上靶場進行的導彈試驗，發射平臺和發射方向多是移動變化的，而測控裝備的測量站址是固定的，使測控裝備的性能受航區及海上各種環境條件的限制。靶場試驗航區周圍石油鉆井平臺的增多，制約靶場試驗航路的選取，為靶場試驗方案的制定增加了難度。靶場試驗方案是由試驗主管人員根據歷史經驗設計試驗航路，選用參試裝備，目前還沒有科學合理的論證方法和方便可行的論證工具對設計出的試驗方案進行合理性分析和論證。另外，在靶場組織的導彈飛行試驗中，往往由于試驗危險區內存在的個別漁船影響，導致試驗任務一再推遲甚至取消。針對上述原因，本文設計了靶場試驗方案推演與評估系統，模擬導彈沿預定飛行試驗航路飛行，推演參試裝備對導彈跟蹤測量參數和跟蹤性能，估算導彈在飛行中對保護目標的威脅程度，評估試驗方案的總體性能，既能動態演示試驗進程，對試驗方案進行科學合理的演示驗證，為試驗方案制定人員提供測試和驗證工具，還能提供準確、可靠的威脅態勢信息，為試驗決策首長提供輔助決策信息支持，避免或減少一些試驗資源浪費，提高靶場的指揮自動化水平。

1 試驗方案推演與評估系統設計

1.1 系統結構

靶場試驗方案推演與評估系統主要由試驗方案推演系統、試驗方案評估系統、數學模型庫、數據庫(包括測量原始數據、測量結果數據、理論彈道數據、測控裝備性能指標、測控站點數據、航區周圍重點目標數據)、數據庫管理系統、信息顯示系統、人機交互界面組成。系統結構如圖1 所示。

圖1 靶場試驗方案推演與評估系統結構

1.2 試驗方案推演系統

試驗方案推演主要基于制定的試驗方案，依照理論彈道數據，結合導彈運動特點、測控裝備技術指標、航區及海上各種環境條件的限制，通過數學推演模型按時間軸生成導彈運動參數、參試測控裝備對導彈的跟蹤測量數據等試驗模擬推演數據，對試驗過程進行動態推演，驅動靶場指揮顯示系統動態展示推演過程中的試驗綜合態勢和試驗預期結果。若推演過程中輸入定制的推演事件［1］，則解算推演事件對導彈飛行試驗的影響。推演事件是試驗過程中影響試驗進程的事件，如危險區或禁區漁船，航區附近石油平臺，復雜氣象條件等。假設推演事件1 為航區某位置的石油平臺，則在方案推演過程中實時解算目標在飛行過程中對石油平臺的威脅概率，給出不斷變化的量化結果，并將威脅概率按值域范圍分成不同威脅等級，當威脅概率大于規定范圍時給出威脅提示和威脅等級提示。

1.3 試驗方案評估系統

試驗方案是否滿足試驗要求，需要對該方案各主要指標進行評估，即對測量精度、可靠性和試驗成功率等進行分析和評價。

試驗方案評估系統根據試驗方案推演系統產生的推演數據，估算參試裝備在不同彈道段落的測量精度、測量覆蓋區域、各彈道段落的測量成功率、安控可靠性(安控時延)、對重要目標的威脅概率等指標。最后綜合試驗方案各項指標，應用系統分析方法對試驗方案作出明確評價，評估試驗方案的合理性。

1.4 數學模型庫

數學模型庫包括數據分析、計算、推理所需的各種數學模型。主要包括設備誤差引入模型;測控數據仿真模型;對測量數據進行預處理的野值剔除、數據平滑、濾波、預測等算法模型;實時數據處理模型(彈道解算、落點評估、對重要目標的威脅概率評估等);裝備歷次試驗數據質量評估模型;測控裝備在跟蹤覆蓋區域的測量成功率、測量精度解算模型;目標理論彈道對不同測系的坐標變換模型;系統可靠性估算模型;試驗方案綜合評估模型等。

1.5 數據庫

靶場測控信息主要包括外測(光測、雷測、GPS/北斗)、遙測、警戒雷達等信息。

測控裝備原始測量數據錄入測量原始數據庫;經野值剔除、平滑、濾波、定位等一系列處理后的彈道解算結果、設備質量評估結果(包括跟蹤時間、跟蹤穩定性、數據錄取有效率、測量精度)等數據錄入試驗結果數據庫;任務結束后的事后數據處理結果作為數據真值錄入試驗結果數據庫。

靶場所有測控裝備的戰術技術指標參數(作用距離、測角范圍、跟蹤角速度、測量精度等)錄入測控裝備指標數據庫;靶場所有測控站點的大地坐標(L、B、H)和空間直角坐標(X、Y、Z)錄入測控站點數據庫;航區周圍重點目標的大地坐標(L、B、H)、區域面積、重要等級等數據錄入航區周圍重點目標數據庫;水文氣象數據錄入水文氣象數據庫。

數據庫管理系統用于完成對數據庫的錄入、修改、查詢和維護工作。

2 試驗方案推演過程

2.1 彈道仿真

彈道仿真可分為理論彈道仿真、極限彈道仿真和任意規劃彈道仿真。

理論彈道和極限彈道由工業部門提供，一般分為3 種:建立在空間直角坐標下的坐標(t，X，Y，Z);建立在大地坐標下的坐標(t，L，B，H);建立在發射坐標系下的平面坐標(t，X，Z)和海拔高程H，由下式［2］

計算發射坐標系下的坐標 (t，X，Y，Z )。

任意規劃彈道是在二維電子地圖上任意輸入目標運動航跡，根據目標的起始點坐標、時間、運動速度和運動方向生成目標規劃彈道。

在實時數據處理中，需要根據外場裝備的數據幀頻將仿真彈道數據加密成同等幀頻數據。

2.2 裝備測量數據仿真

為了對目標飛行試驗進行定量分析，需要對目標在空間的位置、速度等參數進行測量，提供各測量站到飛行目標的距離、方位角、高低角，及它們隨時間的變化率等。

對于給定的仿真彈道，需要進行發射坐標系、地心坐標系與測量坐標系之間的轉換［2-3］，最終將發射坐標系或地心坐標系下的目標彈道數據轉換為各測站測量坐標系下對目標的觀測元素，如方位角、俯仰角、目標距離等，這些觀測元素是測量站在理想條件下的觀測結果。

裝備的測量原理、測量體制、測量環境等因素影響，使靶場測控系統中測量裝備采集的目標運動參數數據存在各種不同程度的誤差。對于設定的目標運行軌跡，為準確推演各測量站對目標的觀測結果，需要在理想的觀測結果中加入合理的測量誤差。

2.3 測量誤差引入

隨著目標的運動，測量站相對于被測目標之間的相對位置關系即跟蹤幾何在不斷變化，其測量誤差也在不斷變化，而電磁環境、氣象等要素也會影響測量裝備的測量結果。因此，不同測量裝備的測量誤差不同，布站位置不同的同一種測量裝備的測量誤差不同，不同氣象條件參試的同一測量裝備的測量誤差也不相同。

考慮試驗中易出現的異常情況如異常測元、時間不同步等情況。按照誤差模型將各種誤差源的誤差仿真值加到理想狀態下的觀測結果上，形成合理的測量仿真結果。引入的誤差源包括空間傳播誤差、大地測量誤差、測量設備誤差、時統誤差等主要誤差項。

誤差仿真的策略是:向不同測量段落的各測元分別加入符號不同、大小不等的系統誤差;向各測元分別加入服從正態分布、均值為零的隨機誤差。引入的系統誤差和隨機誤差的方差的大小可根據各測量裝備的性能指標和在不同參試條件下的歷史測量誤差統計分析獲得。

不同站址的測量裝備對目標的捕獲時間、跟蹤時間不同，需考慮各測站的跟蹤覆蓋范圍和對目標的通視性。

2.4 測量裝備通視性分析

由于測量裝備的自身性能(測角范圍、最大作用距離、跟蹤角速度、角加速度等)影響和時空條件(地球曲率、目標的光照條件等)限制，測量裝備對目標的觀測是有范圍的。

當目標飛行高度較低時，有些站位裝備因地形遮擋測量不到目標，需根據各測量站點周圍地形地貌，得到各自的受限范圍。

測量裝備能夠觀測到目標的空間范圍稱可見域。由于目標特性、環境條件和測控裝備自身性能的影響，裝備對其可見域目標不一定能發現和跟蹤，裝備對目標的跟蹤特性可由仿真和歷史測量結果統計分析獲得。

2.5 推演事件定制

試驗方案制定過程中或進入試驗程序后，總有一些含有一定風險的不確定事件影響試驗方案的制定或試驗的實施，可在試驗方案推演系統中預先或實時輸入定制的推演事件，推算和演示推演事件對導彈飛行試驗的影響。例如，在按任務需求規劃的某試驗航路中，有某石油平臺距試驗禁區較近，應分析導彈飛行故障對該石油平臺可能造成的威脅，對試驗風險進行評估。為此，可以在試驗方案推演系統中預先輸入該試驗平臺位置，定制對該石油平臺進行威脅評估的推演事件，在方案推演過程中實時推算并顯示導彈故障對該石油平臺的威脅概率。

推演事件由用戶和推演系統的人機交互界面輸入，對于固定事件元素如石油平臺位置存儲在數據庫中，輸入時從數據庫調入，突發性事件元素人工輸入。

2.6 推演態勢顯示

真實演示試驗飛行過程、參試裝備工作狀態及試驗預測結果，是對該試驗實施過程的預演，為方案制定人員和試驗決策人員提供科學、直觀的可視依據。顯示內容包括試驗目標飛行軌跡，參試測控裝備對目標的跟蹤狀態、跟蹤測量參數，系統測量精度，導彈故障時預測落點對重要目標的威脅概率等。

3 試驗方案評估方法

3.1 評估指標確定

為確定設計出的試驗方案是否滿足試驗要求，試驗過程中出現的突發事件是否影響試驗安全、滿足試驗條件，需要對系統某些指標進行量化、評估，包括對測量精度、測量覆蓋區域、測量成功率、安控可靠性、目標威脅概率等指標進行分析，建立量化分析模型，并對各指標量化結果進行綜合評估，對試驗方案的合理性和可行性作出準確評價。

3.2 測量覆蓋區域分析

已知各測量裝備的站址和戰術技術指標，根據理論彈道或規劃彈道，在考慮周圍地形、地球曲率、跟蹤角速度等因素的影響下，分析各參試測控裝備組成的測控系統對被測目標可達到的跟蹤測量區域［4］，分析被測目標在試驗航區內任意位置，系統可實現的跟蹤覆蓋區域，估算是否滿足測控要求。

影響測量裝備捕獲跟蹤的許多因素呈隨機特性，例如彈道與姿態的隨機變化、裝備的隨機誤差、環境條件的隨機變化等，需要通過多次仿真，用統計的方法確定測量覆蓋區域，并采用數據列表和圖形方式顯示。

3.3 測量成功率分析

參試的每臺裝備，并不是每次試驗都能保持較好的可靠性并提供有效的試驗數據，在實際測量時因可靠性不夠導致不能提供有效的試驗數據的情況需要考慮在內。

測量成功率分析是對參試的各測量裝備組成的測控系統進行可靠性估計，計算整個測控系統成功完成對目標測控任務的概率。

本文對測控系統可靠性的評估分析，是以被評估參試裝備在近期內參加試驗任務能夠提供有效測量信息的能力作為衡量其可靠性的重要指標和依據，并兼顧到測控裝備近期的維護保養情況及參加測控聯調、合練等任務的工作狀態。

設某裝備在近1年內參加試驗任務N 次，有N1次提供了有效的試驗數據，未能提供有效數據的情況包括裝備故障、操作手操作失誤和測量數據異常等。計算單臺裝備測量成功率r 的公式為

測控系統中的各裝備是相互獨立的，整個測控系統的測量成功率模型為并聯結構。系統的測量成功率計算公式為

3.4 測量精度分析

在靶場進行的武器裝備的試驗目的是檢驗武器裝備的戰術技術性能，鑒定武器裝備性能是否滿足戰術技術指標的標準測控系統的精度。

假設某測量裝備采用某種數據處理方法得到導彈的彈道坐標為x1、x2、…、xn，理論彈道坐標為x01、x02、…、x0n。則該裝備提供的測量精度估計值［5-6］為

同理可得到

則系統測量精度統計結果為:

在不同測控段落，參試裝備不同，導彈參數精度不同，需要根據參試裝備實際測量和數據處理情況合理劃分統計區域，使彈道精度統計結果真實反映各測控段落實際情況，以正確檢驗試驗測控方案是否滿足試驗要求。

3.5 安控可靠性分析

安控由彈上自主自毀系統和地面安控系統組成，兩系統采用并聯方式。將各系統裝備按工作方式進行分類，建立各裝備的可靠性模型和框圖，按照設備基本可靠性指標MTBF值和規定的任務時間，計算各裝備的任務可靠性［7］。靶場安控可靠性框圖如圖2 所示。

圖2 靶場安控可靠性框圖

3.6 目標威脅概率評估

距試驗危險區較近的目標或試驗禁區內出現的移動船只，需計算導彈故障飛行時對目標的威脅概率。靶場試驗的導彈故障模式［8］一般分為有控墜落和失控墜落2 類模式。每類模式又分為有偏墜落和無偏墜落2 種形式。由于導彈在其飛行彈道上任一點均可能發生故障，且彈道上不同點對于保護目標的威脅不同，工程上一般采用彈道逐點積分原理進行計算?；痉椒ㄊ?導彈故障或對導彈實施安控后自毀落點散布是以自毀點為中心，以導彈速度方向為中心，半徑為R 的長方形或扇形等區域，R 值大小與導彈故障時的導彈速度、彈道高度有關，在中心方向上均勻選取間隔足夠小的點，計算每一點對保護目標的威脅概率，然后相加。

3.7 試驗方案評估

由于試驗中涉及的環境因素、設備因素、人為因素的不完全確定性，有些試驗方案評定指標比較抽象、模糊，如測量裝備工作的穩定性、人工操作的隨機性等，基于這種描述問題的不準確性即模糊性，可采用模糊綜合評價方法［9-10］對試驗方案進行綜合評估。

設U={u1，u2，…，un}為評價指標因素集合，V={v1，v2，…，vm}為評價指標的評語集合。設模糊集合B～={b1，b2，…，bm}是評語集合V 上的一個模糊子集，其中bj(j=1，2，…，m)∈［0，1］是第j 種評價vj對模糊集B～的隸屬度;模糊集合A～={a1，a2，…，an}為評價指標因素權重集合，其中為從U 到V 的一個 (n×m )維模糊關系矩陣，其矩陣元素rij表示從第i 個指標因素著眼，作出第j 種評價的可能程度。則評判結果

4 實例分析

將某試驗方案分成3 個測量段落，在每個測量段落分別對測量精度、測量覆蓋區域、測量成功率、安控可靠性、目標威脅概率進行分析、統計，給出出不同指標的模糊評價值。將評判集定義為﹛好，良好、一般、差﹜。如由首段參試設備的測量成功率分別為0.70、0.60、0.70、0.60、0.65，則由并聯成功率計算公式得出首段測量系統的測量成功率為0.995，其模糊評判集為{0.5，0.4，0.1，0}。同理得出各評價指標的評價關系矩陣R～:

專家評定各指標權重為［0.15，0.15，0.15，0.25，0.3］，則該方案的綜合評判結果為［0.45，0.405，0.108，0.038］，通過歸一化處理并按最大隸屬度原則，識別該方案評價結果為好。

5 結論

試驗方案是試驗實施的依據，關系到試驗的成敗和試驗鑒定結果的準確性。試驗方案設計是一項復雜的系統工程，影響試驗方案評價的指標眾多，評價方法復雜多樣。本文對影響試驗方案優劣的評價指標及指標評價方法進行了有益探索和研究，可為靶場試驗方案的設計和評估提供科學依據。

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