彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)通用設(shè)計方法*

肖 凡，張 濤，馬 暄

(1 海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042;2 海軍裝備研究院，北京 100161)

0 引言

精度［1］是彈道導(dǎo)彈重要的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標之一，在論證、評定及作戰(zhàn)使用階段都具有重要價值。由于試驗費用、靶場測試條件等影響，飛行試驗數(shù)量受到了極大的限制，精度分析即使采用小子樣分析的方法［2］，飛行試驗子樣也難以滿足要求，隨著計算機技術(shù)與仿真技術(shù)的發(fā)展，將計算機仿真技術(shù)用于彈道導(dǎo)彈精度分析成為了一種重要手段。

文獻［3］采用計算機仿真技術(shù)對導(dǎo)彈命中精度進行仿真試驗與評估;文獻［4］介紹了仿真方法在精度分析中的應(yīng)用;文獻［5］給出了基于 HLA/RTI［6］彈道導(dǎo)彈精度分析仿真系統(tǒng)的基本設(shè)計方案和一個系統(tǒng)體系架構(gòu)的技術(shù)參考模型。上述文獻及國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究主要涉及仿真方法、模型驗證及系統(tǒng)體系架構(gòu)等問題，側(cè)重于仿真技術(shù)的具體運用。

隨著彈道導(dǎo)彈型號和精度分析目的的逐步豐富，其精度仿真系統(tǒng)設(shè)計方法的通用性、重用性需求日益顯現(xiàn)。文中將對此進行探討和研究，以滿足需求的不斷變化，為提高彈道精度仿真系統(tǒng)設(shè)計的重用性和通用性提供了技術(shù)途徑。

1 系統(tǒng)功能及流程簡析

彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的應(yīng)用可以概括為4個方面:精度指標分配、精度評定、精度預(yù)測及精度試驗復(fù)現(xiàn)。精度指標分配是裝備論證階段的重要工作，精度仿真系統(tǒng)能夠加入任意干擾，提供不同飛行程序所對應(yīng)的落點偏差，據(jù)此為精度指標分配提供決策依據(jù);精度評定是彈道導(dǎo)彈定型的重要工作之一，精度仿真系統(tǒng)應(yīng)該具備模擬打靶和精度估計功能;精度預(yù)測對彈道導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用具有很強的指導(dǎo)意義，目的是預(yù)測一定干擾條件下導(dǎo)彈的落點精度，為作戰(zhàn)使用提供決策依據(jù);精度試驗復(fù)現(xiàn)能夠再現(xiàn)飛行試驗的飛行彈道，有效考核各項誤差分離結(jié)果的準確性。

精度仿真的基本流程如圖1所示。干擾是精度仿真系統(tǒng)的輸入條件，精度指標分配中輸入的數(shù)據(jù)屬于預(yù)設(shè)干擾;精度評定中的輸入屬于實測數(shù)據(jù)或者模型;精度預(yù)測和精度試驗復(fù)現(xiàn)中的輸入屬于實測數(shù)據(jù)。精度仿真的目的是得到標準彈道和干擾彈道的六自由度數(shù)值仿真落點。結(jié)果分析是采用適當?shù)姆椒▽Ψ抡嫠玫臄?shù)據(jù)進行分析，如求取數(shù)據(jù)方差、均值，利用Bayes方法［7］求精度點或者區(qū)間估計等。

圖1 精度仿真的基本過程

2 模型設(shè)計

建模是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，無論精度仿真系統(tǒng)的仿真對象是何種型號、仿真的目的是什么，系統(tǒng)建模都離不開需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和系統(tǒng)行為分析。

UML(unified modeling language)是面向?qū)ο蟮目梢暬ＵZ言，是面向?qū)ο箢I(lǐng)域中的重要成果，UML建模提供了新的軟件模型描述方法，能夠為系統(tǒng)設(shè)計的各個階段提供統(tǒng)一的可視化模型描述，其統(tǒng)一過程的迭代式生命周期適應(yīng)于需求的不斷變化，為提高系統(tǒng)重用性提供了保證［8-9］。

UML對精度仿真系統(tǒng)進行模型設(shè)計時步驟如下:第一步是需求描述模型設(shè)計，第二步是結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，第三步是行為模型設(shè)計。UML的用例圖(usecase diagram)非常適合需求描述模型設(shè)計;UML的靜態(tài)模型中的類圖(class diagram)、對象圖(object diagram)、包圖(package diagram)、構(gòu)件圖(component diagram)和配置圖(deployment diagram)等能夠從不同角度描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適合于精度仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計;第三步行為模型設(shè)計可以通過UML動態(tài)模型中的順序圖(sequence diagram)、協(xié)作圖(collaboration diagram)、狀態(tài)圖(state diagram)和活動圖(activity diagram)完成。

2.1 需求描述模型

用例圖描述系統(tǒng)外部的執(zhí)行者與系統(tǒng)提供的用例之間的某種聯(lián)系，其中用例是對系統(tǒng)功能的描述，執(zhí)行者則是使用這些用例的角色或外部系統(tǒng)［10-11］。

如前所述，用戶使用精度仿真系統(tǒng)的目的無外乎以下4個方面:精度指標分配、精度評定、精度預(yù)測及精度試驗復(fù)現(xiàn)，這便是系統(tǒng)最大的需求，這些需求的實現(xiàn)離不開六自由度仿真，包括標準彈道仿真和干擾彈道仿真。通過UML的用例圖描述如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)需求描述用例圖

2.2 結(jié)構(gòu)模型

精度仿真系統(tǒng)涉及的單元非常多，包括指標、干擾、精度算法、測試數(shù)據(jù)、六自由度仿真、結(jié)果分析等，各單元之間相互交錯、單元內(nèi)部構(gòu)成復(fù)雜。類(class)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)中最基本的元素，類模型揭示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［12］。因此可以通過UML類模型對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)建模，為了增強系統(tǒng)的升級能力和通用性，建模時首先應(yīng)該理清類之間的層次關(guān)系，再對各層的類進行設(shè)計。

2.2.1 類間層次關(guān)系

根據(jù)彈道導(dǎo)彈精度仿真的特點，從設(shè)計的通用性出發(fā)，文中將系統(tǒng)的類設(shè)計為4個層次:算法層、專業(yè)層、應(yīng)用層和用戶層，如圖3所示。

精度仿真中涉及到大量的通用計算，如插值、矩陣、矢量、坐標轉(zhuǎn)換、方程求解、積分、均值、方差、常見數(shù)據(jù)分布、隨機抽樣、點估計、區(qū)間估計、小子樣Bayes計算等。算法層通過設(shè)計計算類庫(calculation class)來實現(xiàn)上述通用計算，為專業(yè)層中的類提供計算支持，代碼重用性好。

圖3 類間層次關(guān)系

專業(yè)層是系統(tǒng)設(shè)計的重點，提供飛行仿真與干擾生成的各種功能。它針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計，調(diào)用算法層中的算法，在彈道導(dǎo)彈精度仿真應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)是完全通用的，代碼重用性好。

應(yīng)用層是對專業(yè)層的具體化，針對特定的型號和仿真應(yīng)用，代碼重用性稍差。

用戶層負責與用戶交互，其代碼是完全具體的，不具有重用性。

在算法層、專業(yè)層、應(yīng)用層和用戶層中，專業(yè)層的建模最為重要，既是彈道導(dǎo)彈精度仿真專業(yè)的集成，而且設(shè)計要具有重用性，即能夠滿足不同型號和應(yīng)用的需要，下面將對其建模進行分析。

2.2.2 專業(yè)層模型

專業(yè)層是系統(tǒng)建模的重點，設(shè)計成由飛行仿真類庫和干擾類庫兩大部分組成，飛行仿真類庫包含眾多的子類，最終組成飛行仿真類，包含的一級子類有火箭類、彈頭類、地球類、大氣類、空氣動力類和發(fā)射信息類，如圖4所示。限于篇幅，各子類的建模文中不予詳述，其具體設(shè)計可參考文獻［13］。

圖4 飛行仿真類結(jié)構(gòu)模型

干擾類(disturbance class)在精度仿真系統(tǒng)中具有重要地位，對其進行全面、準確的建模關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計的成敗。彈道導(dǎo)彈一般采用慣性制導(dǎo)的主動式方案，影響落點精度的主要干擾為兩大類:初始誤差和工具誤差，方法誤差、氣動參數(shù)誤差、質(zhì)量偏差、擾動引力、高空風等對精度有一定影響，但影響相對較小。結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 干擾類結(jié)構(gòu)模型

2.3 行為模型

厘清精度仿真系統(tǒng)各實體間的行為關(guān)系是建模的重要環(huán)節(jié)。UML的順序圖能夠很好的描述系統(tǒng)實體內(nèi)部和實體之間的交互行為，體現(xiàn)實體間消息傳遞的時間順序。

本系統(tǒng)運行時主要涉及發(fā)射信息、算法器、干擾器、六自由度仿真器、結(jié)果分析器及界面處理器等實體，通過六自由度的標準彈道和干擾彈道仿真獲取精度仿真結(jié)果，這一行為過程用順序圖描述如圖6所示。

圖6 仿真順序圖

3 軟硬件設(shè)計

需求描述模型、結(jié)構(gòu)模型及行為模型的建立使得系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)和交互關(guān)系得以清晰描述，為彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了支撐。

以模型設(shè)計為基礎(chǔ)，從設(shè)計的通用性出發(fā)，文中將彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)設(shè)計為雙機多軟件結(jié)構(gòu):雙機即采用兩臺計算機的硬件方案;多軟件即以結(jié)構(gòu)模型和行為模型為基礎(chǔ)，設(shè)計六自由度飛行仿真軟件、干擾生成軟件、界面交互軟件、結(jié)果分析軟件及可視化等軟件，軟硬件結(jié)構(gòu)及配置關(guān)系如圖7所示。

圖7 軟硬件結(jié)構(gòu)及配置關(guān)系

管理計算機中運行界面交互軟件、干擾生成軟件、結(jié)果分析軟件及可視化等軟件。界面交互軟件處理用戶的操作響應(yīng)、仿真結(jié)果的顯示;干擾生成軟件生成各種干擾，用于干擾彈道仿真;結(jié)果分析軟件對比標準彈道和干擾彈道仿真結(jié)果，進行精度計算;可視化軟件對六自由度飛行過程進行可視化顯示，增加系統(tǒng)的交互效果和美感(這部分軟件根據(jù)需要可以不進行設(shè)計)。

由于六自由度飛行仿真需要的系統(tǒng)資源較多，為了提高系統(tǒng)的運行效率，仿真計算機只運行六自由度飛行仿真軟件。管理計算機將參數(shù)及干擾等信息發(fā)送給仿真計算機，仿真計算機將仿真結(jié)果傳給管理計算機。圖8為所設(shè)計某型彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的軟件部分界面圖。

4 結(jié)束語

為了滿足不同型號和仿真目的的需要，以系統(tǒng)設(shè)計的通用性和重用性為目標，文中將UML建模技術(shù)用于彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的模型設(shè)計，建立了適合于多種型號及不同仿真目的的需求描述模型、結(jié)構(gòu)模型和行為模型，在模型設(shè)計的基礎(chǔ)上，從設(shè)計的通用性出發(fā)，建立了彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)的雙機多軟件架構(gòu)，并據(jù)此設(shè)計了某型彈道導(dǎo)彈精度仿真系統(tǒng)。

該設(shè)計方法適應(yīng)需求的不斷變化，為提高系統(tǒng)設(shè)計的重用性和通用性提供了保證。計算類及飛行仿真類的功能和設(shè)計質(zhì)量對系統(tǒng)的通用性至關(guān)重要，是工程運用中應(yīng)該重點關(guān)注和值得進一步研究的內(nèi)容。

圖8 軟件界面

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