基于視景仿真的引戰配合效率評估方法

韓 波，張 凱，蔣 濤

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001； 2. 上海機電工程研究所，上海 201109)

0 引言

引戰系統即引信戰斗部系統，是導彈的戰斗裝備；引戰配合的概念是保證引信適時起爆戰斗部并有效摧毀目標[1]。受試驗條件制約，目前艦空導彈飛行試驗用靶標主要為模擬靶標，無論在飛行高度、飛行速度還是幾何尺寸上都與典型目標相差較大，故單純依靠飛行試驗結果對其引戰配合與毀傷效果進行評估缺乏客觀性和真實性。國內針對引戰配合的仿真與建模研究有很多，文獻[2-8]分別從不同角度進行了引戰配合仿真建模與研究，但大多側重于對引戰配合的設計與優化進行研究。如何根據導彈攔截靶標獲得的飛行試驗數據來評估導彈對典型目標的毀傷效果是亟需解決的難題。本文重點從靶場試驗鑒定的角度進行引戰配合仿真建模及應用研究，提供了某型號艦空導彈對典型目標的毀傷評估手段。

1 仿真系統構建

引戰配合仿真軟件系統框架如圖1所示。該系統主要包括兩大模塊：仿真計算模塊和可視化模塊。仿真計算模塊在后臺對引信和戰斗部工作過程進行仿真，并進行殺傷概率計算；可視化模塊基于三維仿真技術，在前臺模擬引信和戰斗部的工作過程。

圖1 引戰配合仿真框架Fig.1 Fuze-warhead coordination simulation framework

1.1 仿真計算模塊

按照引戰配合系統的工作原理構建仿真流程，主要包括引信處理模塊、彈道仿真模塊、戰斗部毀傷模塊和分析處理模塊4部分。

1) 引信仿真模塊。引信是引戰系統的目標探測器，其作用是在引戰配合后輸出引爆脈沖引爆戰斗部。本文以某型號導彈為研究基礎，該導彈引信采用無線電脈沖多普勒-收/發分置體制，其信號調制、解調、濾波等作用機理與同類型無線電雷達一致。需要注意的是，該引信的起爆準則采用最佳多普勒頻率準則，其破片在彈體相對速度坐標系中的動態飛散中心方向角

(1)

式中：vr為彈目相對速度值，單位為m/s；Ωr為相對速度矢量與導彈縱軸的夾角；v0為戰斗部破片飛散初速，單位為m/s。則起爆對應的最佳多普勒頻率為

(2)

在彈目交會段，隨著彈目不斷接近，目標視線角(彈目連線偏離導彈軸線角度)不斷增大，引信收到的彈目多普勒頻率不斷減小。當彈目多普勒頻率滿足最佳多普勒頻率時，引信引爆戰斗部。

2)戰斗部毀傷模塊。為減小計算復雜度，一個外形結構復雜的目標可等效為一系列易損艙段(要害艙段)的組合，如圖2所示。通常易損艙等效為一個長方體，該長方體尺寸恰好外接目標實際部位，同時長方體6個面(易損面)代表目標不同側面的材料和結構特性，根據文獻[1]提供的易損艙段毀傷概率計算方法即可得到易損艙的毀傷概率值，進而得到目標的毀傷概率。

圖2 F-16仿真模型Fig.2 F-16 simulation model

仿真過程中確定戰斗部破片與目標易損艙的交點位置是關鍵問題。靜態飛散方向位置為(ω0i,φi)的破片在目標坐標系內的射線方程為

(3)

式中：T為破片飛散時間；x0，y0，z0為戰斗部起爆瞬間戰斗部中心在目標坐標系中的坐標；vx，vy，vz為靜態飛散方向位置為(ω0i,φi)的破片動態飛散速度在目標坐標系中的分量。

在目標坐標系中，目標易損面的平面方程可寫為

Ax+By+Cz=D

(4)

式中：A，B，C，D為目標易損面的幾何參數。將式(3)代入式(4)，可得破片射線與易損面相交的時間

Tm=-(Ax0+By0+Cz0-D)/

(Avx+Bvy+Cvz)

(5)

已知碰撞時間就可得到碰撞點M，但需要確定該點是否落在平板中。計算碰撞點M與易損面相鄰頂點所組成的三角形面積之和，有

(6)

若面積S不超過易損面面積Sk，則破片命中易損面。

3)毀傷效果分析。統計前文得到的命中易損艙破片及其毀傷參數，根據文獻[1]提供的毀傷概率計算模型即可得到易損艙的毀傷概率Pc。在脫靶量為ρ且脫靶方位為θ時，導彈對目標的條件殺傷概率為

(7)

1.2 可視化模塊

用三維圖形庫OpenGL結合Visual C++開發視景仿真軟件[9]。利用CATIA三維造型軟件分別建立導彈和目標的三維模型，將所建立的模型進行面元劃分，如圖3所示。

圖3 引戰配合可視化仿真框架示意圖Fig.3 Schematic diagram of visual simulation of fuze-warhead coordination

視景仿真包括動態視景仿真和引戰配合效果仿真，如圖4所示。前者用于實時顯示彈目交會、引信啟動及戰斗部破片飛散的過程，提供直觀了解彈目交會情況的手段。引戰配合效果圖顯示了在彈體參考坐標系(原點在戰斗部中心)中，目標在某一脫靶量和脫靶方位點被戰斗部破片動態飛散區覆蓋的情況。圖中，橫坐標為彈體方位角分布，縱坐標為相對彈體的傾角分布，藍色區域為破片動態打擊范圍。紅色區域表示目標投影圖，為目標機體上均勻抽取的特征點在彈體參考坐標系中對應的點(傾角、方位角)的集合。若目標投影圖全部或部分落在藍色區域，則目標部分能被破片殺傷。

圖4 視景仿真界面Fig.4 Visual simulation interface

2 引戰配合仿真模型驗證

對仿真模型進行可信性驗證評估是系統應用的前提。王曉英等[10]用靜態一致性檢驗法驗證模型的可信性，該方法可實現對模型的定量驗證，即將引戰配合仿真的輸出結果與相對應的實物試驗的結果作一致性檢驗，從而使仿真可信性的置信度轉化為一致性檢驗的置信度。借鑒文獻[10]提出的模型檢驗方法，對仿真模型的可信性進行定量分析。

某型艦空導彈進行過多次實際靶試飛行試驗，本文選取其中試驗數據較為完整的2次靶試數據進行分析，所用靶標分別為靶機和靶彈。

根據某型艦空導彈戰斗部作用特點，確定靶機要害艙段主要包括機身、發動機、主機翼、水平吊尾和垂直吊尾；靶彈要害艙段主要包括彈身、彈翼和舵機艙。采用蒙特卡洛抽樣法，根據戰斗部地面靜爆試驗數據和飛行試驗獲取的引信延時、脫靶量、彈目運動速度等數據，進行200次仿真試驗，分別對導彈命中靶機數、靶彈的破片平均數、引信延時均值，以及導彈對2類目標的殺傷概率進行統計。

2.1 仿真輸入

某型艦空導彈攔截靶機和靶彈飛行試驗的彈道參數和交會姿態見表1。

表1 某型艦空導彈攔截靶機和靶彈飛行試驗的彈道參數和交會姿態

2.2 仿真結果與分析

根據表1給出的實際飛行試驗的彈道參數，可得引戰延時仿真結果對比,見表2。引戰延時反映了引信對目標的啟動特性，從表中可得：2次仿真結果與實際飛行結果相對誤差不大于1.5%，驗證了引信起爆模型的正確性。

表2 引戰延時仿真結果對比

戰斗部破片著靶統計結果見表3，4。可以看出：仿真值與實際靶試命中結果間絕對誤差不高于5%，說明戰斗部毀傷模型可信度較好。

毀傷概率仿真結果見表5，可視化仿真得到的戰斗部破片命中仿真情況分別如圖5，6所示。飛行試樣中導彈均直接擊毀靶標，結合光測數據和仿真得到引戰配合效果圖(見圖5，6)。可以看出：戰斗部破片大部分命中靶標中心部位，毀傷效果較好，毀傷概率較高，與仿真得到的高毀傷概率吻合，仿真模型的可信度得到了驗證。

表3 靶機破片著靶結果統計

表4 靶彈破片著靶結果統計

表5 毀傷概率結果對比

圖5 攔截靶機引戰配合可視化仿真Fig.5 Visual simulation of fuze-warhead coordination for intercepting planes

圖6 攔截靶彈引戰配合可視化仿真Fig.6 Visual simulation of fuze-warhead coordination for intercepting missiles

3 對典型目標的毀傷評估

導彈以攔截敵對目標為使命，根據某型艦空導彈的特點，敵對目標可分為飛機類和導彈類，分別以現役某型常規氣動布局飛機和超音速反艦導彈為典型目標。典型目標與靶標或靶彈在外形、結構和易損部位分布上均有較大差異。根據某型艦空導彈戰斗部作用特點，確定典型飛機要害艙段主要包括機身、發動機、主機翼、水平吊尾、垂直吊尾；典型導彈要害艙段主要包括彈身、發動機艙、進氣道、舵機艙、空氣舵。利用本文提出的“引戰配合”評估模型，進行200次仿真試驗，完成了導彈對2類目標的引戰配合效率和殺傷概率評估。

彈目交會時刻引戰配合及戰斗部破片命中仿真情況如圖7，8所示，試驗結果見表6。可見在靶試彈道條件下，該型導彈戰斗部破片均能命中目標的中心部位，對2類典型目標均有較好的殺傷作用。

圖7 某型艦空導彈攔截典型飛機類目標Fig.7 Ship-to-air missile intercepting typical plane targets

圖8 某型艦空導彈攔截典型導彈類目標Fig.8 Ship-to-air missile intercepting typical missile targets

表6 對典型目標殺傷概率結果

4 結束語

通過引戰配合與毀傷效果可視化仿真，能較為直觀地掌握導彈戰斗部破片在不同條件下命中靶標的位置、數量情況，并得到以毀傷概率為參考的目標毀傷評估模型。本文提供了一種導彈對典型目標的毀傷評估手段，為試驗基地對導彈性能的鑒定及導彈對防空體系的貢獻評價提供了參考依據。同時本文在相關計算模型建立中進行了一些簡化處理，假定各易損艙毀傷概率獨立，后續將考慮易損艙之間的關聯性，構建毀傷樹，不斷完善系統。