水面艦艇硬武器模擬交戰裁決系統設計與實現?

白曉煊

（91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

水面艦艇演訓任務中，尤其是占比最大的實兵實裝非實彈訓練，對交戰行動的實時裁決依賴性很大。沒有裁決結果不足以支撐對水面艦艇在實際作戰中將要面臨的難局和險況的真實呈現，最終導致訓練與作戰脫節，實戰化訓練層次難以躍升、訓練目的難以達成［1］。因此，交戰裁決系統的設計實現能夠最大限度提升訓練效益。

2 功能設計

2.1 信息獲取

實時接收威脅目標信息、平臺信息、武器抗導信息（目指信息、武器射擊諸元信息等）和水文氣象信息。

2.2 射擊時機與諸元有效性評判

當接收導彈發射命令時，根據靶機的位置、速度、高度等信息以及艦空導彈性能參數信息推算導彈射擊諸元參數的取值范圍，據此判斷艦空導彈射擊時機與諸元的有效性。

2.3 飛行彈道模擬于彈目交匯評判

模擬艦空導彈發射、控制等攔截過程，根據空中靶標飛行航跡和模擬導彈軌跡評判彈目交匯可能性。

2.4 艦炮彈道仿真

根據艦炮目指信息和射擊諸元信息，針對艦炮武器彈道特點，分別采用射表逼近函數、彈道積分的方式模擬炮彈（密集陣）飛行軌跡，艦炮出管的射擊偏差符合彈丸散布特性。

2.5 艦炮攔截效果評判

根據炮彈彈道仿真結果與模擬導彈目標（靶機）飛行航跡計算彈目交會結果（彈丸脫靶量），判定艦炮抗導交戰結果。

2.6 結果顯示

以二維態勢圖（相對/絕對）方式顯示交戰過程，標繪顯示艦空導彈允許發射區和有效殺傷區，以圖表方式顯示目標信息、平臺信息、艦空導彈抗導信息和水文氣象信息等。

以二維態勢圖（相對/絕對）的方式顯示戰場態勢，以曲線圖的方式顯示炮彈距離脫靶量和方位脫靶量數據，以表格形式顯示接收的目標信息、平臺信息、艦炮抗導信息和水文氣象信息等對抗雙方信息等。

3 技術實現

3.1 艦空導彈模擬交戰裁決

3.1.1 裁決流程

裁決內容包括：1）目標指示及時性、正確性；2）導彈發射時效性；3）射擊諸元解算準確性；4）有效發射區匹配性；5）彈目交匯可能性。

裁決流程如下：

1）裁決軟件初始化后進入裁決待機狀態；

2）在仿真引擎的驅動下，進行模型實時解算及信息交互；

3）接收靶標運動狀態信息，并在進行虛實目標映射，以靶標真實數據驅動影子目標模型在仿真坐標系中運動；

4）通過艦上數據轉換器接收來自指控系統的雷達目標信息、綜合導航信息、火力兼容信息、作戰模式指令、目標指示信息、作戰干預指令等信息；

5）武器控制系統模型進行相關攔截解算，當滿足發射條件時向導彈模型發送發射令，通過艦上數據轉換器實時向指控系統反饋本系統攔截狀態信息，待彈目遭遇后，武器控制系統模型反饋攔截結果信息。

3.1.2 結果呈現

二維圖表展示分為四個區，分別采用態勢圖、表格、曲線圖、狀態燈等形式進行展示。二維圖表展示效果如圖1所示。

圖1 艦空導彈抗導模擬交戰圖表顯示

畫面左上方為態勢展示區，用來顯示艦空導彈的殺傷區和允許發射區；右上方為表格展示區，主要顯示艦空導彈、靶機等運動參數；中間區域為曲線圖展示區，顯示艦空導彈彈道曲線；最下方區域為狀態燈展示區，用來顯示系統運行狀態、艦空導彈射擊時機與諸元的有效性評定結果等信息。

3.1.3 關鍵技術

1）允許發射區解算

在實兵實裝非實彈訓練中，引入艦空導彈“允許發射區”評判概念，即：根據射擊射擊殺傷傷區的近界和遠界，按照最早和最遲發射在目標區映射出一個靶標活動區，只有當來襲目標處于該區范圍內按下發射按鈕，判定為一次有效發射。

允許發射區的形狀和大小與目標的速度、機動性能、殺傷區的形狀和大小、導彈飛至殺傷區內各點的時間等因素有關，通常以發射區遠界、近界、高界、低界和側界等特征參數來表示［2］。艦空導彈水平發射區的形狀如圖2所示。

圖2 艦空導彈發射區示意圖

允許發射區計算方法：發射導彈時，目標中心所在的點稱為目標現在點，設作等速平直臨近飛行的目標飛到A0點時發射導彈（按“發射”按鈕），目標飛到A 點時，導彈與目標相遇，A 點就是遭遇點，A相對應的發射點，即目標現在點。

如果從按下“發射”按鈕到導彈飛到A 點的時間為td，則發射點A0到相遇點A的距離d可用下式計算：

式中，td=tfs+tfx。tfs為從按下“發射”按鈕到導彈出筒的時間。tfx為導彈出筒到與目標相遇所需時間，即導彈飛行時間。

則A點沿目標速度反方向平移距離d即可得到遭遇點A相對應的目標現在點A0。

用求A0點相同的方法可求得殺傷區邊界上所有點B、C、D、E、G…，相對應的目標現在點B0、C0、D0、E0、G0，…，用圓滑的曲線連接各目標現在點，則此曲線所包圍的區域即為發射區。

1）發射區遠界

式中：Dsy為殺傷區遠界；tyd為艦空導彈到達殺傷區遠界所需的飛行時間；H為目標飛行高度；P為目標航路捷徑；vm為目標速度。

2）發射區近界

式中：Dsj為殺傷區近界；tdj為首發艦空導彈飛抵殺傷區近界所需的時間。

3）發射區縱深

在目標高度和航路捷徑一定時，發射區遠界點與近界點之間的距離稱為此高度和航路捷徑上的發射區縱深，用hf表示，如圖3中的就是高度為Hi、航路捷徑P=0 時的垂直發射區縱深。從圖中可見：

圖3 艦炮武器抗導模擬交戰二維示意圖

式中，tdy，tdj分別是從按下“發射”按鈕到導彈飛到殺傷區遠、近界的時間。

3.2 艦炮模擬交戰裁決

3.2.1 裁決流程

裁決內容：1）目標指示及時性、正確性；2）艦炮射擊時效性；3）射擊諸元解算準確性；4）彈丸散布攔截目標可能性。

裁決流程如下：艦炮抗導抗導模擬交戰臺開機后，首先進行系統自檢，運行艦炮抗導交戰模擬軟件后完成初始化處理（主要包括變量初始化等），根據接收的艦炮抗導信息，對艦炮彈丸的外彈道和散布特性進行仿真。同時對接收到靶機信息進行處理，得到靶機的位置信息，在此基礎上，對彈丸和目標的交會結果進行計算，進而評判艦炮抗導結果。

3.2.2 結果呈現

二維展示分為四個區，分別采用態勢圖、表格、曲線圖、狀態燈等形式進行展示，如圖3所示。

畫面態勢展示區，用來顯示戰場態勢及彈丸落點；右上方為曲線展示區，可通過切換標簽頁的方式來顯示彈丸距離、方位角誤差曲線以及艦炮彈丸、靶機等運動參數；中間區域為表格展示區，用來顯示艦炮武器發射彈丸數、命中彈丸數等；最下方區域為狀態燈展示區，用來顯示系統運行狀態、艦炮武器狀態及打擊結果等信息。

3.2.3 關鍵技術

艦炮抗導訓練時，由于不進行實彈射擊，如何根據實裝射擊參數和靶機運動參數對彈目交會結果進行估計是抗導效果判定的關鍵。由于艦艇運動、偏航、搖擺以及彈道坐標的特殊要求，導致艦炮彈丸外彈道仿真過程復雜；同時，由于艦炮火控解算周期短、連射速度高，短時間內仿真出密集彈丸的彈道是需要解決的技術難題［3］。另外，基于仿真的艦炮彈丸位置信息以及采集的靶機運動參數，實時估算碰撞并得出彈目交會結果，也是難點之一。下面就艦炮外彈道仿真、艦炮彈丸與靶機交會結果評判兩方面技術難題給出技術解決途徑。

1）彈丸外彈道仿真

（1）彈丸初始參數的獲取

彈丸的初始參數包括射擊諸元γ、φ和初始速度Vj0。在訓練時需要采集火炮的瞄準架位、射擊信號以獲取第j發彈丸在甲板坐標系中的射擊諸元γbj、φbj，再根據本艦姿態數據ψ、θ計算彈丸在艦艇地理坐標系的射擊諸元γj、φj，彈丸初始速度由彈丸標準初始速度和基于彈丸序號的初速分布數據隨機生成［4］。

（2）射表逼近函數方法

使用射表逼近函數方法進行外彈道仿真的基本方法為：首先使用外彈道射表建立逼近函數，仿真時先用逼近函數計算標準彈道氣象條件下的彈丸位置，再根據實際氣象條件對計算結果進行修正，得到彈丸位置。其中標準彈道氣象條件包括：彈丸標準初速V00，標準氣壓P0=1000 百帕，標準氣溫T0=15℃，無風，不考慮偏流；對空射表逼近基本模型：

式中，B為射表逼近系數數組，為一維16 元數組，對應不同參數計算時為不同的數組，以下分別用Bk表示，x、y為自變量。

標準的彈道氣象條件下tf時刻彈丸位置參數：水平距離d0，高度h0，斜距離D0，有：

在實際的彈道氣象下tf時刻彈丸位置參數：水平距離d，舷角q，高度h，有：

其中，Δd、Δh為實際條件下彈丸相對于標準條件下的距離偏差量、高度偏差量，PL為偏流；有以下等式：

（3）計算地理系彈丸位置坐標

彈丸相對于射擊時刻炮口位置的艦艇坐標系距離、舷角、高低D、q、ε坐標：

將彈丸坐標轉換到以艦艇搖擺不動點為原點的北東直角坐標系中：

其中(xP,yP,hP)τ為火炮回轉中心相對于艦艇搖擺不動點中的位置基線。

2）彈目交會估算

彈目交會估算主要求解彈丸在接近靶機時的最小距離（CPA），其計算方法如圖4所示，當仿真過程中計算彈丸的時間周期足夠小時，可以認為在連續兩次計算過程中彈丸彈道為直線模型，計算過程將空中目標簡化為點目標考慮。

圖4 彈目交會計算原理

計算CPA的向量方程可表示為

其中下標XYZ表示三個方向上的合成向量，上式中相對速度向量值：

相對速度絕對值：

位置偏差向量值：

其中（S、T分別表示彈丸和目標）：

相交乘積可以通過下列行列式計算得到：

彈目交會最小距離最終結果還應考慮目標的尺寸，空中目標可簡化考慮為等效半徑，即由上述過程計算結果減去空中目標等效半徑即為彈目交會估算最終結果。

4 結語

本文研究了水面艦艇硬武器模擬交戰裁決系統的功能設計和關鍵技術實現，并已經完成了系統的研制開發工作，經實踐檢驗能夠在置信度內裁決水面艦艇艦空導彈和艦炮的抗擊效果。