水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境設計?

呂 琳 崔萌達

（91388部隊91分隊 湛江 524022）

1 引言

為支撐水面艦艇作戰系統反潛作戰在全壽命周期中設計、論證階段所需完成的開發工作，需搭建水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境［1~3］。仿真環境的建立需要完成作戰系統反潛戰術性能評估，反潛作戰使用流程開發，反潛戰法研究，反潛作戰條令開發，自頂向下的平臺及作戰系統反潛戰術性能指標到分系統及設備技術性能指標的分解和分配，以及作戰系統集成設計中自底向上的分系統及設備技術性能指標到作戰系統反潛戰術技術指標的綜合計算、作戰系統反潛作戰功能流程、信息流程設計和驗證等任務所開發的計算機輔助設計、建模和仿真軟件套件［2］。

2 仿真環境概況

水面艦艇作戰系統完成反潛作戰論證及研制工作需要進行作戰需求分析、功能性能設計及仿真效能的計算［4~7］。作戰系統在對反潛作戰的軍事需求分析過程完成之后，進行頂層總體設計，其輸入是軍事需求對于作戰系統反潛作戰的功能、性能需求以及工程實現的約束條件，其結果是對作戰系統物理組成、性能參數及配置、作戰系統功能的分解與分配，系統組成元素交互信息、時序以及規則的可理解的描述，用于向用戶明確系統是否能夠滿足其需求并作為分系統和設備軟件、硬件工程師的設計輸入。由于大系統復雜性的存在，以及缺乏與系統設計有關的理論基礎，以上過程不是一個單向的、根據給定輸入，利用函數、方程、經驗曲線給出系統設計參數的過程，而是一個多種復雜設計活動同時存在的非機械設計過程，既可能有根據需求直接進行自頂向下指標分解、分配的過程，也可能有通過先確定具有條件約束的分系統和設備指標，然后調整其余不存在苛刻約束條件的指標，通過計算或仿真計算是否滿足作戰系統綜合指標的自底向上的設計綜合過程，除了系統指標的仿真和計算，對于系統復雜的狀態變化和系統元素交互信息、時序和規則設計，如果沒有輔助設計和仿真工具，單憑人的腦力分析、檢查，其完備性和邏輯正確性無法得到有效保證［6，8］。如果在作戰系統設計過程中，能有一個對反潛作戰進行建模和仿真環境，對給出的系統設計參數可以仿真得出系統的設計目標，通過設計→仿真→評價→調整設計→再仿真→再評價這樣迭代的過程，作戰系統設計中的缺陷可以大大減少，作戰系統工程項目可以最大程度地滿足用戶需求，工程周期得以縮短，經費需求得以減少。水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境就是一個基于通用仿真軟件Matlab，滿足作戰系統設計過程建模和仿真需求的仿真軟件［9~10］。

3 組成及特點

水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境由Matlab 軟件、海洋環境模型（含傳播模型、噪聲及混響模型）、作戰系統裝備模型庫、以及完成特定計算、仿真需求的作戰系統任務仿真模型及評估模型組成。其中最關鍵部分是作戰系統反潛作戰裝備模型庫［11］。各模型復雜程度相差較大，復雜如目標搜索、跟蹤、濾波、關聯、識別以及融合處理、目標分配、魚雷/深彈射擊諸元解算等，簡單如完成特定功能的四則算術運算。視模型的復雜程度，模型可包含一到數個層次的模型，一個模型中的子模型可以是一個能直接在作戰系統模型中使用的功能模型，也可以是一個只有部分功能的子功能模塊［12］。模型庫的組成不是在開發完成后就一成不變的，它有一個發展、變化的過程。隨著作戰系統反潛作戰仿真環境需要解決的用戶仿真需求的不斷增加、深入，模型庫中的模型數量會不斷增加，層次也會有所變化，這是水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境與一個完成固定仿真計算需求的仿真軟件的最大的區別［13］。

3.1 作戰系統反潛作戰仿真環境中的模型

3.1.1 環境模型

環境模型主要模擬海洋中的聲傳播損失，需要模擬計算聲波按球面、柱面、管道傳播時在不同水深、溫度、壓強、鹽分條件下的傳播路線及損失，存在海面反射、海底反射（不同的海底粗糙度、聲阻抗）時的聲路線及傳播損失。能夠模擬聲波在海洋中的躍變層、混合層聲道、淺海聲道、深海聲道、會聚區等進行傳播的多種情況。

目標噪聲模型包括機械噪聲：線譜：渦輪機葉片，齒輪，電機電樞，軸，內燃機氣缸中的爆炸；連續譜：泵，管道，閥門中流體的空化和湍流，機械摩擦、螺旋槳噪聲、空化噪聲、潛艇噪聲、魚雷噪聲等。混響模型包括海面混響、體積混響、海底混響模型等。

3.1.2 裝備模型庫

水面艦艇反潛作戰仿真環境要建立與水下作戰各種模擬角色的模型，這些模型包括：

1）空中、水面、水下作戰平臺模型；艦艇平臺、潛艇平臺、空中平臺。

2）聲納、雷達、魚雷、指控、火控、通信、導航等裝備模型。包括艦殼聲納、拖曳線列陣聲納、魚雷告警聲納、吊放聲納、紅外警戒設備、光電跟蹤儀、磁探儀、搜索雷達、跟蹤雷達等傳感器；火箭助飛魚雷、管裝魚雷、深彈、聲誘餌、聲干擾器、尾流模擬彈等武器；指控的融合精度計算模型及威判模型、火控的目標運動要素解算模型、占位計算模型、射擊/發射諸元解算模型；通信模型包含網絡結構模型、通信信息模型以及通信設備性能指標模型。

3）可抽象為各種平臺、系統及環境的相互作用的各種作戰任務模型及規則庫。作戰任務模型除能自動執行外，還允許人在回路進行諸如搜索和識別目標，選擇對自身或本方兵力具有威脅的目標交戰等活動。任務模型包括諸如協同搜潛模型、協同攻潛模型、綜合使用軟硬武器對魚雷攔截模型、聯合跟蹤仿真模型、反潛作戰過程仿真模型。作戰系統裝備論證環境仿真對象的行為是通過靈活的規則集來控制的。這種規則集是一種在系統中建立戰斗管理模型的基本工具。用于階段和消息處理的規則集包括戰斗管理和交戰決策過程及用于仿真的交戰模型。用戶選擇規則集、選擇行為，設置規則集的參數是為了控制平臺對想定事件的動態反應，規劃觸發事件/響應的結合。

3.2 作戰系統反潛作戰仿真模型

基于每一個具體的仿真需求，使用環境模型、作戰系統反潛作戰裝備模型庫中現有模型以及可能需要新開發或重新開發的有關環境、傳播、設備的模型，組建作戰系統反潛作戰模型。

4 作戰系統反潛作戰仿真環境功能

水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境用于支持作戰系統反潛裝備效能評估研究類應用。將重點建立敵我雙方聲納、魚雷、水聲對抗、指控、等裝備的功能性能仿真模型，在典型想定的基礎上，通過對戰術對抗過程的仿真形式，將交戰結果用于最終的裝備效能分析或作為裝備戰術使用方法分析的依據。

圖1 作戰系統反潛作戰仿真環境層次結構

水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境能夠在對抗仿真條件下研究作戰系統裝備的戰術技術指標、作戰效能，研究不同武器裝備配置方案對作戰能力的影響。對作戰系統裝備在各種作戰任務剖面下的作戰過程仿真，評估其作戰效能；并對作戰系統總體指標進行綜合計算和動態仿真計算，揭示作戰系統總體指標與分系統及設備指標、環境特性的關系以及它在系統動態過程中變化的特性。對作戰概念、作戰兵力指揮關系、作戰系統裝備作戰協同過程、信息流程進行建模與仿真；對作戰系統裝備所處的戰場自然環境、電磁環境、目標特性等進行仿真，評估其對裝備作戰效能的影響；對作戰仿真過程進行三維虛擬可視化演示。

5 運行流程

1）使用Matlab 的Simulink 功能庫建立環境模型、傳播模型、裝備模型；

2）建立作戰系統反潛作戰模型；

3）根據特定仿真需求，使用模型庫中模型建立作戰系統反潛作戰仿真環境，必要時添加新模型；

4）運行仿真，統計所仿真的各項指標，研究聲納指標對反潛武器系統的影響，研究搜潛、攻潛的作戰效能。

6 結語

本文提出的水面艦艇作戰系統反潛作戰仿真環境是集環境模型、裝備模型、作戰模型為一體的反潛作戰仿真系統，該仿真套件對作戰系統頂層設計、性能指標分解、匹配性設計等具有一定指導意義。