王 宏，趙英俊，劉 晨，仇小光，張 琳

（1.空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原713800；2.93844部隊(duì)，新疆 烏魯木齊830023）

0 引 言

未來(lái)高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)將使得地面裝備戰(zhàn)損情況變得更加復(fù)雜，如何科學(xué)地研究地空導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)損仍是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。而當(dāng)前研究成果對(duì)于地面目標(biāo)的毀傷一般僅限于裝備的外形幾何模型，而對(duì)于集機(jī)械、電子于一身的地空導(dǎo)彈裝備（以下簡(jiǎn)稱裝備），若沒(méi)有建立其科學(xué)合理的詳細(xì)結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行毀傷仿真難以得到有效的毀傷數(shù)據(jù)。若裝備的毀傷數(shù)據(jù)僅能依靠實(shí)驗(yàn)獲取，成本高，風(fēng)險(xiǎn)大，甚至?xí)绊憫?zhàn)備任務(wù)，本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)地空導(dǎo)彈裝備的邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、基本功能結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系、戰(zhàn)損模式及影響、搶修資源等進(jìn)行分析，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型與初始化數(shù)據(jù)庫(kù)，并以典型空襲作戰(zhàn)模式為背景構(gòu)建仿真用例，并以此為基礎(chǔ)，建立地空導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)損仿真體系結(jié)構(gòu)，以反輻射彈藥為例，研究分析戰(zhàn)斗部破片毀傷仿真方法、地空導(dǎo)彈裝備結(jié)構(gòu)模型化方法及毀傷目標(biāo)仿真方法，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能解決地空導(dǎo)彈裝備缺少戰(zhàn)損數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，其設(shè)計(jì)思想、功能模塊、仿真方法對(duì)于地空導(dǎo)彈部隊(duì)系統(tǒng)深入地開(kāi)展戰(zhàn)場(chǎng)搶修訓(xùn)練具有決策支持作用，可解決裝備難以經(jīng)歷實(shí)戰(zhàn)損傷獲取損傷數(shù)據(jù)的困境。

1 技術(shù)方案

將裝備的各類信息，戰(zhàn)損評(píng)估內(nèi)容及相關(guān)資源存入綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)仿真模型要求完成仿真初始化，在仿真運(yùn)行過(guò)程中，適時(shí)存儲(chǔ)過(guò)程數(shù)據(jù)和調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)原始數(shù)據(jù)，最后根據(jù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)做出仿真結(jié)果的處理，具體方案如圖1所示。

圖1 地空導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)損仿真系統(tǒng)技術(shù)方案

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括空襲想定管理、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)管理、仿真初始化、仿真運(yùn)行控制、仿真結(jié)果處理等分系統(tǒng)。

空襲想定管理分系統(tǒng)：完成仿真系統(tǒng)所需空襲想定設(shè)計(jì)、測(cè)試以及維護(hù)管理，作為仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證案例，包括：空襲想定設(shè)計(jì)模塊、空襲想定測(cè)試模塊以及空襲想定維護(hù)模塊。

仿真數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)：用以完成仿真系統(tǒng)所需各類基本數(shù)據(jù)的初始管理、狀態(tài)管理以及結(jié)果分析，主要包括：裝備物理結(jié)構(gòu)、裝備邏輯結(jié)構(gòu)、裝備相互關(guān)系、空襲兵器參數(shù)、裝備陣地部署（環(huán)形、扇形等）參數(shù)、搶修資源（人員、備件）、戰(zhàn)損等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)、仿真狀態(tài)及管理等模塊。

圖2 地空導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)損仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真初始化分系統(tǒng)：用以完成仿真系統(tǒng)初始化狀態(tài)設(shè)置，主要包括：仿真用例、裝備陣地部署、現(xiàn)場(chǎng)搶修人員、現(xiàn)場(chǎng)搶修備件、仿真步長(zhǎng)、仿真運(yùn)行方式以及仿真顯示方式等初始化設(shè)置模塊。

仿真運(yùn)行控制分系統(tǒng)：用以完成仿真系統(tǒng)運(yùn)行控制，主要包括：事件調(diào)度處理、實(shí)時(shí)控制、狀態(tài)記錄保存、狀態(tài)顯示以及中間結(jié)果保存等模塊，圖3為仿真控制界面。

仿真結(jié)果處理分系統(tǒng)：用以仿真系統(tǒng)相關(guān)結(jié)果的處理，主要包括：空襲情況統(tǒng)計(jì)、裝備戰(zhàn)損情況統(tǒng)計(jì)、功能組合戰(zhàn)損情況統(tǒng)計(jì)、功能部件戰(zhàn)損情況統(tǒng)計(jì)、功能單元戰(zhàn)損情況統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)戰(zhàn)損情況統(tǒng)計(jì)、基于功能重要度的戰(zhàn)損等級(jí)評(píng)估、基于現(xiàn)場(chǎng)搶修力量的戰(zhàn)損等級(jí)評(píng)估以及仿真結(jié)果生成打印等模塊。

圖3 仿真控制界面

3 戰(zhàn)損仿真方法

3.1 裝備等效幾何描述模型

任何裝備幾乎都可以等效為長(zhǎng)方體、球體、圓柱體、三棱柱、圓錐體等基本幾何模型的組合，因此可先根據(jù)裝備部署情況建立地面直角坐標(biāo)系，并將目標(biāo)分解為若干個(gè)基本幾何模型，依據(jù)裝備設(shè)計(jì)圖近似給出每個(gè)基本幾何模型的幾何描述（頂點(diǎn)坐標(biāo)、長(zhǎng)、寬、高、半徑等）。完成裝備幾何模型建立后，還應(yīng)考慮裝備的機(jī)械、物理、化學(xué)等特性，如裝備的制造材料，可等效為一定硬鋁厚度；相互間的遮擋關(guān)系，考慮到裝備的一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只設(shè)定裝備的 “上、前、后、左、右”5個(gè)方向的遮擋關(guān)系，并給出遮擋的等效硬鋁厚度。

由此可以建立目標(biāo)描述幾何類，即裝備類（主要是車輛），組合類（車輛內(nèi)部功能單元）及部件類（車輛內(nèi)部非組合部件），可按照C＃.NET的語(yǔ)言規(guī)范分別描述，由于不同裝備、組合、部件的外形，材料、遮擋等關(guān)系不盡相同，所以應(yīng)先分別建立其抽象類作為基類，描述其共同特性，并定義接口完成不同幾何模型的描述，如下所示：

定義接口及抽象類：

Using System

Namespace Equipment

｛

Interface Cuboids ／／定義長(zhǎng)方體模型接口

｛

Void Parameters（）； ／／幾何描述參數(shù)設(shè)置（頂點(diǎn)坐標(biāo)、長(zhǎng)、寬，高，半徑等）

｝

Abstract class TargetClass ／／定義目標(biāo)抽象類

｛

Protected float equivalent＿duralumin＿thickness；／／定義裝備等效硬鋁厚度

Protected float frontal＿duralumin＿thickness；／／前遮擋等效硬鋁厚度，取0為無(wú)遮擋

｝

｝

Class Equipment：TargetClass，Cuboids，… ／／定義裝備類，繼承至基類，并根據(jù)裝備幾何模型情況，選擇地繼承和實(shí)現(xiàn)接口

｛

Float equivalent＿Epvolume；／／定義裝備的等效體積

Float equivalent＿Keyvolume；／／定義易損部位等效體積

Public int number＿EpParts；／／定義擊中裝備的破片數(shù)

Public int number＿KeyParts；／／定義擊中易損部位的破片數(shù)

Public override CalDamage（string missile＿type，int number＿missle）

｛

／／計(jì)算裝備損傷，給出擊中裝備的破片數(shù)及擊中易損部位的破片數(shù)

｝

Public Equipment（Float ＿Epvolume，F(xiàn)loat ＿Keyvolume，int ＿EpParts，int ＿KeyParts）

｛

This.equivalent＿Epvolume＝＿Epvolume；

This.equivalent＿Keyvolume＝＿Keyvolume；

This.number＿EpParts＝＿EpParts；

This.number＿KeyParts＝＿KeyParts；

｝

Void Cuboids.Parameters（）／／實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)方體接口

｛

／／實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)方體描述參數(shù)設(shè)置

｝

｝

組合類與裝備類類似，不再贅述，部件類有所不同，且本文提到的仿真方法，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將部件等效為球體處理，實(shí)現(xiàn)如下：

Class Equipment：PartstClass，Spheres ／／定義部件類，繼承至基類，實(shí)現(xiàn)球體接口。

｛

Bool b＿penetrateDam；／／定義變量，“真”為穿透裝備即損傷，“假”為穿透組合損傷

Public float Ratio＿DamagePart； ／／定義部件損傷概率

Public override CalDamage（string missile＿type，int number＿missle）

｛

／／計(jì)算部件損傷概率

｝

Public PartstClass（Float ＿DamagePart，bool ＿penetrateDam）

｛

This.Ratio＿DamagePart＝＿DamagePart；

This.penetrateDam＝＿penetrateDam；

｝

Void Spheres.Parameters（）／／實(shí)現(xiàn)球體接口

｛

／／實(shí)現(xiàn)球體描述參數(shù)設(shè)置

｝

｝

3.2 戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律

戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律表現(xiàn)在炸點(diǎn)的確定及戰(zhàn)斗部起爆時(shí)的姿態(tài)，而炸點(diǎn)的確定方法主要考慮戰(zhàn)斗部采用何種引信起爆。目前多數(shù)空地導(dǎo)彈采用觸發(fā)或近炸引信，或兩才兼有。由于本文只研究破片毀傷，所以只考慮采用近炸引信，根據(jù)引信測(cè)量誤差，以高斯分布抽樣確定炸點(diǎn)高度，根據(jù)導(dǎo)彈命中點(diǎn)的圓概率誤差半徑，以目標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將命中點(diǎn)近似為圓形散布，按照均勻分布抽樣確定炸點(diǎn)平面坐標(biāo)。戰(zhàn)斗部姿態(tài)，即導(dǎo)彈飛行末端的直線彈道方向，根據(jù)炸點(diǎn)坐標(biāo)及目標(biāo)坐標(biāo)確定，即戰(zhàn)斗部引信敏感方向與炸點(diǎn)坐標(biāo)和目標(biāo)坐標(biāo)連線重合，且指向目標(biāo)，大致與導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方向一致。

3.3 戰(zhàn)斗部破片仿真

本文沿用以前的射線法進(jìn)行破片的仿真，不同之處在于，每條射線被賦予相應(yīng)的毀傷能量（毀傷能量的大小由破片的速度和破片質(zhì)量確定），并確定射線與目標(biāo)交會(huì)的后的剩余能量，由此判斷其二次毀傷的可能性。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

根據(jù)戰(zhàn)斗部破片模型計(jì)算出破片總數(shù)n，隨之于戰(zhàn)斗部爆點(diǎn)處產(chǎn)生n條射線，射線方向限制在破片飛散角內(nèi)，且在戰(zhàn)斗部錐形飛散區(qū)域與目標(biāo)不平面交會(huì)所得環(huán)形區(qū)域內(nèi)，按照均勻分布隨機(jī)抽樣確定每條射線與目標(biāo)水平面的交點(diǎn)坐標(biāo)，從而確定其具體方向，如圖4所示。由于本文僅考慮預(yù)制破片，所以每條射線的能量值可認(rèn)為相同，且第一次與目標(biāo)交會(huì)前不考慮射線由于破片飛行距離變化導(dǎo)致的能量損失。

圖4 破片射線仿真

3.4 裝備損傷仿真

裝備損傷仿真在破片毀傷模型、目標(biāo)破片損傷模型、目標(biāo)幾何描述模型、戰(zhàn)斗部起爆規(guī)律及戰(zhàn)斗部破片仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行，可通過(guò)仿真流程圖5說(shuō)明整個(gè)仿真過(guò)程。

4 裝備戰(zhàn)損仿真實(shí)例

圖5 損傷仿真流程

以地空導(dǎo)彈裝備的制導(dǎo)雷達(dá)為例建立裝備模型，以空地反輻射導(dǎo)彈為例建立戰(zhàn)斗部破片毀傷相關(guān)模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分別如圖6～圖9所示。由本仿真平臺(tái)所得多少仿真數(shù)據(jù)可知，提高空地導(dǎo)彈的命中精度及其破片毀傷動(dòng)能可有效提高其對(duì)地面目標(biāo)的毀傷效果，而地面群裝備也可采用分散部署的方式減少空地導(dǎo)彈對(duì)其毀傷，且對(duì)于地空導(dǎo)彈裝備，應(yīng)對(duì)其關(guān)鍵部位及重要部件進(jìn)行必要防護(hù)，以降低損傷概率。

5 結(jié)束語(yǔ)

該地空導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)損仿真系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，構(gòu)建虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，研究地空導(dǎo)彈裝備在虛擬現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中可能的戰(zhàn)損過(guò)程，包括各種可能對(duì)地空導(dǎo)彈裝備構(gòu)成殺傷的空襲兵器的進(jìn)攻過(guò)程、各型地空導(dǎo)彈裝備可能的戰(zhàn)損情況及戰(zhàn)損評(píng)定和搶修等，為全面進(jìn)行地空導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)損研究構(gòu)建一個(gè)先進(jìn)的平臺(tái)。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)實(shí)現(xiàn)地空導(dǎo)彈裝備損傷評(píng)估、損傷定位和等級(jí)評(píng)判具有較強(qiáng)的輔助決策作用，對(duì)深入開(kāi)展裝備戰(zhàn)場(chǎng)損傷與修復(fù)工作具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)作用。

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