潛基導彈發射陣地優選輔助決策系統設計

肖 凡 陸銘華 張 濤

1.海軍潛艇學院，青島266042 2.海軍裝備研究院，北京 100161

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潛基導彈發射陣地優選輔助決策系統設計

肖 凡1陸銘華1張 濤2

1.海軍潛艇學院，青島266042 2.海軍裝備研究院，北京 100161

在系統功能分析的基礎上，運用UML建模技術從需求分析、系統結構以及系統交互過程3個方面對潛基導彈發射陣地優選輔助決策進行了建模設計。構建了系統需求描述的UML模型，通過分解用例模型，分析系統的類結構體系及關聯關系建立了系統結構模型，運用順序圖構建了系統行為描述模型。該方法有效提高了系統設計效率，設計出的系統在實用性基礎上，還具有復用性及拓展性。 關鍵詞 UML；潛基導彈；陣地；優選；系統設計；模型

對陸基導彈而言，作戰任務中目標的方位、防護、性質以及預期的打擊效果等都制約著發射陣地的選擇[1]。目前，對于陸基導彈發射陣地的研究較為深入，文獻[1]探討了陸基導彈最優發射陣地的選擇問題，運用層次分析法建立了評估指標的計算模型；文獻[2]針對發射陣地上的設施、裝備、人員、組織、管理及陣地環境等多方面因素進行綜合性風險性評估，提出了發射風險評估與處置的方法；文獻[3]主要分析了彈道導彈發射陣地可能面臨的來自空間和空中的威脅，包括被偵察和被攻擊的威脅，提出了提高彈道導彈發射陣地生存能力和防護能力應配備的電子防護系統；文獻[4]將DS證據理論引入，研究了戰術導彈發射陣地選擇的DS/AHP方法；文獻[5]根據評估指標，運用模糊多屬性理論，建立了飽和攻擊反艦導彈發射陣位優選評判模型。相對于陸基導彈，潛基導彈發射陣地的選擇、艇載導彈的數量、通信保障和海區水文氣象等因素都需要研究和考慮，其制約因素多、選擇難度大。目前，這方面的研究在國內尚處于起始階段，相關研究成果鮮有報道，亟待深入研究。

潛基導彈發射陣地優選需考慮的因素多，且與裝備戰技指標密切相關，本文將對潛基導彈發射陣地輔助決策系統的設計方法進行研究，探討一種適用于不同代型潛基導彈、能夠拓展與重用的通用設計方法。

1 系統功能設計

考慮到潛基洲際導彈需要隱蔽性好、發射可靠，發射條件高等因素，其發射陣地輔助決策系統應至少具備如下功能：

1)火力控制范圍計算與圖示；

2)通信保障范圍圖示；

3)海區水文氣象統計；

4)發射陣地優選區域計算。

若考慮全時值班，待命發射等情況，還應具備潛艇航路規劃、航渡與發射區域值班時間計算、兵力保障能力分析等功能。

火力控制范圍是發射區域選擇的關鍵制約因素。對于潛基遠程(洲際)彈道導彈而言，由于受地球自轉等因素影響，對于給定的任意發射點(南、北極除外)相對戰標給定的標準射程，實際射程偏差為正負數百至幾千公里。多彈齊射時，同一發射位置不同射向的導彈其最大(最小)可達射程也存在數百乃至上千公里的差異。 因此，火力控制范圍計算與圖示對于發射區域選擇輔助決策尤為重要。可以采用彈道飛行仿真的計算方法精確計算同一位置導彈不同射向(可取射向間隔一定角度，比如10°)的打擊范圍，從而構建某發射位置的火力控制范圍。

陸基導彈一般處于領土范圍內發射，通信保障良好。而潛艇常常處于大洋深入，距離海岸線較遠，且行動隱蔽，其通信保障困難,存在隱蔽要求與通信暴露的矛盾。由于遠離腹地，通信距離遠，通信波段受到限制(一般采用長波方式)，且速度慢、錯碼率高。通信保障對潛基導彈發射非常重要，尤其對于潛基戰略導彈而言。發射指令的正確傳輸是確保可靠發射的基本要求。因此，發射區域選擇應該符合通信保障范圍要求，而通信保障范圍圖示為輔助決策提供了最為直觀的手段。

水文氣象是潛基導彈發射的重要約束條件，是發射區域優選需要重點考慮的因素。風浪、洋流對導彈發射影響最為顯著，風浪過大易導致導彈出水姿態失穩而失敗；洋流猛烈導致潛艇難于操縱、平臺不易瞄準，導彈無法發射。因此，統計不同海區、不同季節的水文氣象歷史數據，對于優選發射區域具有重要的輔助決策作用。

綜合考慮各種因素，選取恰當的方法計算發射陣地優選區域是輔助決策的核心功能,關鍵是算法的選取。考慮輔助決策的特性，一般可以采用層次分析法、模糊決策等方法。相對重要度(相對優屬度)是上述方法計算中重要的影響因子，為了有效減少人為主觀臆斷，可以采用扎德教授提出的優屬度計算方法[6]。

2 系統建模

UML(Unified Modeling Language)是一種基于面向對象的可視化建模語言[7]，它用圖形符號表示模型元素，可消除一些潛在的不必要的差異，還可通過統一語義和符號表示，使項目根植于一個成熟的標準建模語言，拓寬所開發的軟件系統的適用范圍，提高靈活程度，是一種在軍事戰術戰略仿真等大型復雜系統建模領域中廣泛應用并得到普遍認可的軟件工程方法[8-9]。

UML包括基本構造塊、支配運用構造塊的規則和機制3個要素。基本構造塊包括事物、關系和圖，事物包括結構事物、行為事物和分組事物；關系包括依賴、關聯、泛化和實現。規則包括為事物、關系和圖命名，給名字以特定含義即范圍，使用即可見性；事物正確、一致地相互聯系即完整性；運行或模擬動態模型即執行。機制包括詳細說明、修飾、通用劃分和擴展。

UML支持從需求分析開始的軟件開發全過程。UML通過3類圖形建立系統模型：用例圖、靜態結構圖(對象類圖、對象圖、組件圖及配置圖)和動態行為圖(順序圖、協同圖、狀態圖及活動圖)，這些圖從不同的抽象角度實現系統的可視化。本文將從需求分析、系統結構以及系統交互過程(行為)這3個方面完成系統設計。

2.1 需求描述

用例模型明確系統需求、范圍和作用，是系統設計和開發的基礎[10]。用例圖中，橢圓表示用例，執行者用“人形”圖符表示，用例和執行者之間的連線表示二者之間的關聯和信息交流。

決策者通過火力控制范圍計算與圖示、通信保障范圍圖示和海區水文氣象統計綜合判斷、自行優選發射區域，或者通過發射陣地優選區域計算直接優選發射陣地。優選算法、水文氣象數據分析、通信覆蓋范圍計算、彈道飛行仿真和擴展功能模塊是實現輔助決策系統的基礎。圖1為系統UML需求描述的用例圖。

圖1 系統用例圖

2.2 系統結構

類(Class)是面向對象技術中最基本的元素，類模型揭示了系統的結構[11]。建立系統結構模型一般分2步進行：先細化用例模型, 提取系統中的類，再對類的屬性和操作進行描述。

根據需求描述的用例圖，結合系統結構建模方法，細化用例模型，提取系統中的主要類如下：彈道飛行仿真類(TraSimulation)、通信范圍覆蓋計算類(ComunicationCal)、水文氣象數據分析類(HydroAnalyse)、擴展功能類(ExFunction)、優選計算類(Select)、數據管理類(DataManage)和圖示類(Visual)，其關聯關系如圖2所示。

圖2 類間關聯關系

1)彈道飛行仿真類

彈道飛行仿真類是火力覆蓋功能實現的核心支撐，其計算復雜，依賴的類包括導彈類、諸元類、干擾類及標準環境類等。

導彈類(Missile)由狀態變量類(State)、導航制導控制類(GNC)、執行機構類(Actuator)、發動機組類(EngineGroup)、平臺類(Platform)、彈載計算機類(Computer)和彈頭類(Head)組成。狀態變量類隨坐標系和計算模型而異，不同狀態變量對應不同的積分右函數；導航制導控制類負責導彈的導航、制導與控制算法；執行機構類提供控制力及力矩；發動機組類提供導彈的推力；平臺類提供平臺接口及功能；彈載計算機類提供彈上計算機通信接口及功能；彈頭類提供彈頭各種參數信息。

諸元類(Data)由實時諸元類(RealtimeData)和固定諸元類(FixData)組成。實時諸元類提供發射時潛艇位置、速度、深度、姿態等有關信息；固定諸元類提供飛行程序角、導引參數、目標參數和單元測試參數等信息。

干擾類(Disturb)由定位誤差類(PosWarp)、定向誤差類(OrientWarp)、速度誤差類(VeloWrap)、高空風類(AltitudeWind)、擾動引力類(AbGravitation)、氣壓偏差類(AirPressWrap)及大氣密度偏差類(AirDenWrap)組成。

標準環境類(StanEvi)提供標準彈道相關參數，由地球類(Earth)、大氣類(Air)及參數類(Coefficient)組成。地球類提供地球參數和不同坐標系下的正常引力計算；大氣類提供大氣密度、溫度、壓強等計算模型；參數類提供壓心和重心位置、氣動系數、比推力、秒流量等標準參數信息。

上述各類結構體系及關系如圖3所示。

圖3 彈道飛行仿真類結構體系及關系

2)通信范圍覆蓋計算類

通信范圍覆蓋計算類用于計算長波、北斗等對潛艇通信實體的通信覆蓋區域。

3)水文氣象數據分析類

水文氣象數據分析類針對導彈發射影響較大的因素進行統計分析，主要包括各海區不同季節(Time)洋流(OceanCur)、海浪(OceanWave)和風(Wind)等數據。

4)擴展功能類

擴展功能類用于優選陣地時延伸考慮的其它因素，如海區通航密度、兵力保障范圍和突防概率等。

5)優選計算類

優選計算類采用不同的算法(Method)通過彈道飛行仿真類、通信范圍覆蓋計算類、水文氣象數據分析類以及擴展功能類計算優選陣地。

6)數據管理類、圖示類

數據管理類用于管理系統數據，提供彈道諸元、水文氣象等數據讀寫接口；圖示類負責各種數據的圖形顯現及坐標數據的地圖標繪。

2.3 行為描述

UML的順序圖也稱序列圖，描述系統實體內部和實體之間的交互情況，有利于快速建模和反復重用，提高系統開發效率。潛基導彈發射陣地優選與考慮的因素密切相關，但不管因素數量如何，其計算行為過程基本一致，本文以考慮火力覆蓋和通信保障為例，對發射陣地優選行為過程進行描述。

數據管理實體接收相關數據并更新；彈道計算實體調用數據管理實體相關計算參數解算某射向下的導彈火力覆蓋坐標域，再計算余下射向下的導彈火力覆蓋坐標域(射向由0°起，間隔10°，直至射向為360°)，最后將火力坐標域匯總發送給圖示實體；圖示實體根據坐標域數據繪制火力覆蓋范圍；通信覆蓋實體計算通信保障范圍；陣地優選實體接收火力坐標域(火力范圍)、通信保障范圍，優選計算，得出輔助決策優選陣地，并將優選陣地區域發給數據管理實體存儲。該行為過程如圖4所示。

圖4 優選陣地行為順序圖

3 設計實現

通過前述過程，可以建立由界面交互程數據庫和功能動態庫(dll文件)組成的潛基導彈發射陣地優選輔助決策系統，系統設計實現的架構如圖5所示。其中，界面交互程序與用戶進行交互，并完成火力標繪等圖形顯示工作；數據庫進行系統數據管理，主要是水文氣象、彈道諸元等輔助決策數據；彈道計算動態庫(DDJS.dll)實現彈道計算功能，通信覆蓋動態庫(TXFG.dll)實現通信覆蓋功能判別計算，擴展功能動態庫(KZ.dll)用于計算通航密度、兵力保障范圍及突防概率等； 陣地優選動態庫(ZDYX.dll)集成優選算法，實現優選區域計算。

圖5 系統設計實現圖

4 結束語

潛基導彈發射海域多，打擊范圍廣，其發射陣地優選涉及戰技指標、通信保障及海區水文氣象等因素多，亟待深入研究。本文將UML建模技術應用于潛基導彈發射陣地優選輔助決策系統設計，在分析系統功能的基礎上，從需求分析、系統結構以及系統交互過程(行為)這3個方面進行了系統設計，從設計實現來看，采用該方法設計的系統在實用性基礎上，系統功能拓展、模型修改通過修改相應的設計模型以及在動態庫中對修改模型進行代碼微調便可實現，復用性及拓展性好。

[1] 朱昱,舒健生.層次分析法在選擇導彈發射陣地中的應用[J].火力與指揮控制,2002,27(2):69-71.(Zhu Yu，Shu Jianheng. AHP for Selecting Missle Launch Position[J]. Fire Control&Command Control, 2002,27(2):69-71.)

[2] 慈旋,劉為,朱晨光.基于層次分析的武器系統發射陣地風險評估[J] 海軍航空工程學院學報, 2015,30(3):296-300.(Ci Xuan, Liu Wei, Zhu Chenguang. Risk Evaluation of Weapon System Launching Position Based on AHP[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University,2015,30(3):296-300.)

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[5] 張大為,張華濤，王正民.反艦導彈飽和攻擊發射陣位優選[J].彈箭與制導學報,2012,32(2): 219- 222.(Zhang Dawei，Zhang Huatao,Wang Zhengmin. Launch Station Optimization of Anti-ship Missile Saturation Attack[J]. Journal of Projectiles，Rockets．Missiles and Guidance, 2012,32(2):219- 222.)

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[10] 齊照輝,王祖堯,張為華,等.基于UML的導彈攻防仿真系統設計及實現[J].系統仿真學報.2006, 18(3): 602-606.(Qi Zhaohui,Wang Zuyao,Zhang Weihua,et al. Design and Implication of Attack and Defense Simulation System for Ballistic Missile with UML[J].Journal of System Simulation,2006,18(3): 602-606.)

[11] 劉潤東.UML對象設計與編程[M].北京: 希望電子出版社, 2001.(Liu Rundong.UML Object Design and Programming[M].Beijing:Hope Electronic Press,2001.)

Design of Submarine-Launched Missile Position Optimization System

Xiao Fan1,Lu Minghua1,Zhang Tao2

1. Navy Submarine Academy,Qingdao 266042，China 2. Navy Equipment Research Academy,Beijing 100161，China

Onthebasisofanalyzingfunctionsofsubmarine-launchedmissilepositionoptimizationsystem,UnifiedModelingLanguage(UML)isusedtodesignthesystem.Regardingtheaspectsofrequirementanalysis,classstructureandrelationshipofthesystemareanalyzed.Requirementsdescriptionmodelofsubmarine-launchedmissilepositionoptimizationsystemisconstructedwithUML.Bydecomposingtheusecasemodel,analyzingclassstructureandrelationshipofthesystem,thesystemstructuremodelisestablished.Thebehaviordescriptionmodeloffiringdataverificationsystemisestablishedbysequencediagrams.Thedesignefficiencyisimprovedeffectivelybyapplyingthemethod,andthedesignedsystemisnotonlypractical,butalsoreusableandexpansive.

UML;Submarine-launchedmissile;Position;Optimization;Systemdesignmodel

2016-10-25

肖 凡 (1980-)，男，湖南望城人，博士研究生，主要研究方向為導彈作戰使用；陸銘華(1963-)，男，浙江湖州人，博士，教授，主要研究方向為潛艇作戰軟件；張 濤(1978-),男,湖北公安人,碩士,工程師,主要研究方向為導彈總體。

V488.15

A

1006-3242(2017)02-0078-05