鞏建華,王衛(wèi)平,李 艦

(防空兵學(xué)院，河南 鄭州 450052)

某型彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)是一種作戰(zhàn)性能優(yōu)越的低空防御武器系統(tǒng)，提高了掩護(hù)機(jī)械化部隊(duì)作戰(zhàn)能力，具有伴隨跟進(jìn)掩護(hù)、掩護(hù)多目標(biāo)、攔截多種目標(biāo)和抗干擾能力強(qiáng)等突出特點(diǎn)。

由于該系統(tǒng)技術(shù)密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、維修難度大，部隊(duì)在作戰(zhàn)訓(xùn)練中存在訓(xùn)練成本高、組訓(xùn)難度大、指揮決策訓(xùn)練困難等問(wèn)題，特別是部隊(duì)無(wú)法自行組織連協(xié)同和干擾條件下的訓(xùn)練。

為充分發(fā)揮其彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，解決制約該系統(tǒng)形成戰(zhàn)斗力的矛盾，滿足部隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練需要，進(jìn)行了“某型彈炮結(jié)合防空武器綜合訓(xùn)練模擬系統(tǒng)”的研制，從而使訓(xùn)練器材完整，功能完備，模擬逼真，更新訓(xùn)練手段，全面提高戰(zhàn)斗人員的操作技能和整體作戰(zhàn)能力，降低武器裝備的磨損，具有重大的軍事效益與經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)硬件組成與用途

該系統(tǒng)以仿真技術(shù)為主要支撐，綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、信息處理技術(shù)和人工智能等高新技術(shù)，構(gòu)建了分布式交互仿真軟件框架，實(shí)現(xiàn)了被掩護(hù)部隊(duì)—連指揮車—戰(zhàn)車的一體化作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練[1]。

1.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件由連協(xié)同訓(xùn)練導(dǎo)演機(jī)、指揮車訓(xùn)練系統(tǒng)、戰(zhàn)車訓(xùn)練系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，如圖1所示。

1.1.1 連協(xié)同訓(xùn)練導(dǎo)演機(jī)

該導(dǎo)演機(jī)由導(dǎo)調(diào)機(jī)和戰(zhàn)斗場(chǎng)景顯示機(jī)組成。

導(dǎo)調(diào)機(jī)用于協(xié)同訓(xùn)練準(zhǔn)備階段，編輯戰(zhàn)術(shù)想定和訓(xùn)練習(xí)題；協(xié)同訓(xùn)練時(shí)，演播戰(zhàn)術(shù)想定、適時(shí)發(fā)送空情信息和空襲目標(biāo)對(duì)地攻擊信息、模擬空情圖板標(biāo)繪空情過(guò)程、上級(jí)指揮所的指揮命令、防空戰(zhàn)斗的推演進(jìn)程指令等。訓(xùn)練結(jié)束后，完成訓(xùn)練重演和訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)估。

戰(zhàn)斗場(chǎng)景生成機(jī)實(shí)時(shí)接收導(dǎo)調(diào)機(jī)和對(duì)抗雙方的實(shí)體信息，生成防空作戰(zhàn)場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)顯示作戰(zhàn)區(qū)域的地形地貌以及裝甲車輛、連指揮車、戰(zhàn)車、配套車輛和空襲兵器的各種狀態(tài)，增強(qiáng)訓(xùn)練的真實(shí)感。

1.1.2 指揮車訓(xùn)練系統(tǒng)

由連長(zhǎng)指揮訓(xùn)練分系統(tǒng)和雷達(dá)操縱手訓(xùn)練分系統(tǒng)組成。

連長(zhǎng)指揮訓(xùn)練分系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)連指揮車數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能，接收空情接收機(jī)、目標(biāo)指示雷達(dá)、數(shù)傳終端機(jī)提供的目標(biāo)信息，進(jìn)行分析處理、威脅判斷、目標(biāo)指示和火力分配，完成連長(zhǎng)的作戰(zhàn)指揮與操作技能訓(xùn)練。

雷達(dá)操縱手訓(xùn)練分系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)連指揮車指示雷達(dá)的功能，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、自動(dòng)編批、生成航跡、施加干擾，完成雷達(dá)操縱手的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備訓(xùn)練和戰(zhàn)斗操作訓(xùn)練。

1.1.3 戰(zhàn)車訓(xùn)練系統(tǒng)

由車長(zhǎng)訓(xùn)練分系統(tǒng)和炮手訓(xùn)練分系統(tǒng)組成。

戰(zhàn)車訓(xùn)練系統(tǒng)與戰(zhàn)車乘員有相同的戰(zhàn)斗空間與環(huán)境、人機(jī)界面，仿真實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)車內(nèi)部主要設(shè)備的功能，自動(dòng)生成空情信息、連指揮員的指揮信息，上報(bào)本炮的戰(zhàn)斗操作信息，獨(dú)立進(jìn)行車長(zhǎng)和炮手的操作技能訓(xùn)練，參與高炮連的協(xié)同訓(xùn)練。

1.1.4 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有集線器、網(wǎng)卡和網(wǎng)線，用于連協(xié)同訓(xùn)練導(dǎo)演系統(tǒng)、指揮車訓(xùn)練系統(tǒng)和該型高炮訓(xùn)練系統(tǒng)協(xié)同訓(xùn)練時(shí)的數(shù)據(jù)通信。

1.2 系統(tǒng)用途

系統(tǒng)的主要用途有：

1)用于某型彈炮結(jié)合防空武器連的協(xié)同訓(xùn)練。

2)用于某型彈炮結(jié)合防空武器連的作戰(zhàn)指揮訓(xùn)練。

3)用于戰(zhàn)車車長(zhǎng)、炮手與指揮車連長(zhǎng)、車長(zhǎng)和雷達(dá)操縱手的操作技能訓(xùn)練。

2 系統(tǒng)軟件功能和組成

2.1 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件用于全系統(tǒng)的管理、控制、協(xié)調(diào)和菜單顯示，實(shí)時(shí)產(chǎn)生三維空襲目標(biāo)模型和航路，實(shí)時(shí)仿真雷達(dá)、導(dǎo)航、火控等系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，實(shí)時(shí)產(chǎn)生環(huán)境和音響效果，記錄控制面板上的開(kāi)關(guān)操作過(guò)程，并對(duì)操作人員的訓(xùn)練成績(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 系統(tǒng)軟件的組成

系統(tǒng)軟件由以下幾部分組成：

1)系統(tǒng)管理軟件。用于對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)的使用進(jìn)行有效的管理。

2)模擬空襲目標(biāo)軟件。用于編輯空襲訓(xùn)練習(xí)題。

3)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真軟件。用于仿真雷達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4)火控系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真軟件。用于仿真火控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

5)指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真軟件。用于仿真指揮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

6)操作管理軟件。用于記錄戰(zhàn)斗人員訓(xùn)練操作步驟和兩步操作間隔時(shí)間。

7)訓(xùn)練評(píng)估軟件。用于對(duì)戰(zhàn)斗人員訓(xùn)練成績(jī)進(jìn)行評(píng)估。

3 主要數(shù)學(xué)模型

3.1 系統(tǒng)搜索目標(biāo)模型

3.1.1 雷達(dá)搜索模型[2]

發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率公式為：

Pr=A[1+1/NSn]N-1exp[-Y/(NSn+1)]

(1)

式中：A為電子干擾修正系數(shù)；N為次掃描的脈沖積累數(shù)；Y為檢測(cè)門坎值,Y=N+4.75N1/2；Sn為單個(gè)脈沖的信噪比，Sn=(R0/R)4;R為目標(biāo)距離;R0為信噪比為1時(shí)的雷達(dá)作用距離。

(2)

式中：σ為雷達(dá)反射面積；K為波爾茲曼常數(shù)；Pt為發(fā)射功率；T為絕對(duì)溫度；G為天線增益；λ為雷達(dá)電磁波的波長(zhǎng)；Δf為接收機(jī)頻帶寬；F為噪聲系數(shù)；L為損耗因子。

3.1.2 目標(biāo)回波加載

搜索、跟蹤目標(biāo)過(guò)程中，當(dāng)雷達(dá)天線所在方向雷達(dá)探測(cè)距離內(nèi)有目標(biāo)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的機(jī)型、數(shù)量，實(shí)時(shí)在雷達(dá)顯示器上加載目標(biāo)回波。目標(biāo)回波的強(qiáng)度和幅度與目標(biāo)距離、機(jī)型與架數(shù)成正比。

3.2 空襲目標(biāo)對(duì)地攻擊投彈模型

本訓(xùn)練模擬器采用的空襲模型為：水平攻擊的投彈距離和俯沖攻擊的投彈距離模型。

目標(biāo)對(duì)地攻擊投彈水平攻擊的基本控制點(diǎn)為投彈點(diǎn)，水平攻擊的投彈距離為：

(3)

俯沖攻擊的基本控制點(diǎn)為：進(jìn)入俯沖點(diǎn)、俯沖拉起點(diǎn)和俯沖角。俯沖攻擊的投彈距離為：

(4)

式中：vm為目標(biāo)速度；H為目標(biāo)高度；g為重力加速度；C為空氣阻力修正系數(shù)；λ為俯沖角。

各種航路均可由決定其類型的基本控制點(diǎn)及決定其飛行路線的軌跡控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，這些關(guān)鍵點(diǎn)形成航路的數(shù)學(xué)模型。

3.3 威脅度判斷模型

目標(biāo)飛臨時(shí)間為：

(5)

式中：dj為目標(biāo)航路捷徑；vs為目標(biāo)徑向速度。

目標(biāo)飛臨時(shí)間短、架數(shù)多、大型機(jī)的威脅度大；反之，則小。

3.4 解決命中問(wèn)題模型

3.4.1 現(xiàn)在點(diǎn)的直角坐標(biāo)系

目標(biāo)現(xiàn)在位置的球形坐標(biāo)(β、ε、D)，根據(jù)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)陣地的軍事坐標(biāo)換算得到，由1號(hào)手訓(xùn)練機(jī)傳來(lái)?；鹂赜?jì)算機(jī)在直角坐標(biāo)系下計(jì)算射擊諸元，因此，用下列公式將球形坐標(biāo)換算成直角坐標(biāo):

(6)

3.4.2 直角坐標(biāo)系下的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

(7)

3.4.3 目標(biāo)航向航速參數(shù)系

(8)

式中：vD臨近時(shí)為負(fù)，離遠(yuǎn)為正。

3.4.4 解析正算法求取提前點(diǎn)坐標(biāo)

提前點(diǎn)坐標(biāo)在直角坐標(biāo)系下用解析正算法逐次連續(xù)接近求得。開(kāi)始計(jì)算時(shí)令：H=Hq、d=dq、D=Dq在射表中用直線插值法查出射彈飛行時(shí)間tf。

(9)

式中：Dq為提前點(diǎn)到火炮之間的距離。 當(dāng)Dqn≠Dqn-1時(shí)，用tf=f(Hqn、dqn)查射表，繼續(xù)用上式計(jì)算提前點(diǎn)坐標(biāo)，直到ΔD=Dqn-Dqn-1<5 m時(shí)，停止疊代計(jì)算，而后用提前點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算射擊諸元。

3.4.5 計(jì)算射擊諸元

φ根據(jù)Hq、dq在射表中用直線差值法查出。

(10)

3.5 訓(xùn)練評(píng)估模型

3.5.1 單項(xiàng)訓(xùn)練成績(jī)計(jì)算公式

(11)

式中：Fi為單項(xiàng)訓(xùn)練質(zhì)量成績(jī)；ai為各項(xiàng)評(píng)估因素的權(quán)因子；xi為各評(píng)估因素在評(píng)估內(nèi)容中的得分值。

3.5.2 訓(xùn)練總成績(jī)?cè)u(píng)估計(jì)算公式

(12)

式中：Fz為單項(xiàng)訓(xùn)練質(zhì)量成績(jī)；Yi為單項(xiàng)訓(xùn)練的權(quán)因子。

具體評(píng)定時(shí)，為簡(jiǎn)化模型，各單項(xiàng)操作的動(dòng)作按整數(shù)記分，動(dòng)作過(guò)程不允許有錯(cuò)漏、相反的操作，只要前面操作有誤，后面操作就不得分。

4 主要支撐技術(shù)

4.1 虛擬三維實(shí)體及實(shí)時(shí)控制動(dòng)態(tài)三維實(shí)體技術(shù)

該系統(tǒng)電視顯示器中的三維顯示模型運(yùn)用模型創(chuàng)建工具(如Creator,3Dmax,AutoCAD等)實(shí)現(xiàn)建模；使用的矢量數(shù)字地圖處理軟件由作戰(zhàn)地域的矢量數(shù)據(jù)地圖生成，運(yùn)用Adobe Photoshop創(chuàng)建紋理；最后利用DirectX建立三維場(chǎng)景，根據(jù)訓(xùn)練習(xí)題發(fā)布的空情數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實(shí)體控制、場(chǎng)景渲染、聲光控制等，虛擬仿真出三維場(chǎng)景效果[3]。

4.2 基于局域網(wǎng)的分布交互式網(wǎng)絡(luò)通信

戰(zhàn)車訓(xùn)練系統(tǒng)與指揮車訓(xùn)練系統(tǒng)、連協(xié)同訓(xùn)練導(dǎo)演機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時(shí)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了保障大量數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳輸，按照局域網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)的原則和方法，考慮某型彈炮結(jié)合防空武器戰(zhàn)斗操作訓(xùn)練進(jìn)程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)機(jī)與方向，合理設(shè)計(jì)局域網(wǎng)通信協(xié)議，滿足了模擬訓(xùn)練中信息流動(dòng)的暢通、數(shù)據(jù)顯示與報(bào)讀的時(shí)空一致性要求。

該系統(tǒng)采用基于Socket 的API進(jìn)行開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信方式，構(gòu)筑在TCP/IP之上的基于局域網(wǎng)的應(yīng)用層協(xié)議。無(wú)鏈接的數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議通過(guò)定義滿足需求且數(shù)據(jù)量最小的PDU，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)一致性。

4.3 多傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)

該系統(tǒng)采集的操作數(shù)據(jù)有：控制操縱桿實(shí)施跟蹤的狀態(tài)量、操作轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)量(這兩個(gè)量均為非線性連續(xù)的機(jī)械模擬量，需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集并及時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī))；人工干預(yù)鍵狀態(tài)量(需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集并及時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī))；開(kāi)關(guān)狀態(tài)量(為不連續(xù)的模擬量，有兩種：一種需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集并傳輸，另一種不需實(shí)時(shí)采集)。硬件數(shù)據(jù)采集裝置主要由光電碼盤、CPU、地址鎖存電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)輸出輸入電路組成。方位、高低、距離量由光電碼盤采集后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，讀入后編程判斷出碼盤是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，存入存儲(chǔ)單元，等待數(shù)據(jù)的傳輸。

4.4 空情圖板的顯示

該系統(tǒng)使用數(shù)字矢量地圖作為空情圖板的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，從矢量地圖獲得地理信息，真實(shí)顯示遠(yuǎn)方或近方空情圖板，并作實(shí)時(shí)的空情標(biāo)圖?？涨閳D板上顯示的內(nèi)容包括地圖、陣地配置符號(hào)和坐標(biāo)網(wǎng)格等，每個(gè)想定方案中包含 1至20批目標(biāo)，根據(jù)空情進(jìn)展的需要還要顯示相應(yīng)的標(biāo)圖符號(hào)。由于是實(shí)時(shí)顯示空情信息，所以這些圖板上的內(nèi)容都要以一定的頻率進(jìn)行刷新顯示[4]。

分析空情圖板的內(nèi)容，地圖、陣地配置符號(hào)和坐標(biāo)網(wǎng)格在一個(gè)練習(xí)開(kāi)始后即無(wú)變化，所以在練習(xí)開(kāi)始時(shí)首先聲明一個(gè)顯示內(nèi)存，將最初的圖板內(nèi)容存入其中，而對(duì)于實(shí)時(shí)變化的空情信息則隨時(shí)加入。為保證空情中目標(biāo)航跡顯示的連續(xù)性和及時(shí)性，顯示的刷新周期設(shè)定為1 s。在每次圖板刷新前，首先將各批目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)航跡及標(biāo)圖符號(hào)順序?qū)懭腼@示內(nèi)存，之后再調(diào)入顯示設(shè)備進(jìn)行顯示，提高了顯示速度和系統(tǒng)效率，同時(shí)避免了頻繁刷新內(nèi)容引起的屏幕閃爍現(xiàn)象。

5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1)實(shí)現(xiàn)了某型彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)主要戰(zhàn)斗人員指揮、協(xié)同、操作訓(xùn)練的模擬化，解決了該武器系統(tǒng)綜合訓(xùn)練的難題 。

2)建立了某型彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)仿真模型，特別是彈炮結(jié)合、伴隨掩護(hù)、協(xié)同和對(duì)抗訓(xùn)練等模型，豐富和發(fā)展了防空作戰(zhàn)訓(xùn)練仿真模型體系。

3)構(gòu)建了完善的某型彈炮結(jié)合防空武器訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)，利用多種傳感器系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集操作和指揮信息，運(yùn)用不確定推理、多知識(shí)表示、系統(tǒng)學(xué)習(xí)機(jī)制等技術(shù)，對(duì)模擬訓(xùn)練的過(guò)程進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的評(píng)估。

6 結(jié)束語(yǔ)

該訓(xùn)練模擬系統(tǒng)人-機(jī)-環(huán)境基本與原裝備一致，模擬逼真，操作面板接近真實(shí)裝備，操作的手法要領(lǐng)與在真實(shí)裝備上操作相同。該訓(xùn)練模擬系統(tǒng)可隨時(shí)展開(kāi)訓(xùn)練，不用空軍配合，不受天候環(huán)境的影響，大幅節(jié)省戰(zhàn)車主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間，具有較高的效費(fèi)比。

參考文獻(xiàn)(References)

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