張 潔 王江云

(1.北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 北京 100191)(2.91404部隊 秦皇島 066000)

舷外有源誘餌一體化試驗研究*

張 潔1,2王江云1

(1.北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院 北京 100191)(2.91404部隊 秦皇島 066000)

針對舷外有源誘餌靶場試驗鑒定的緊迫需求,提出了仿真試驗與現(xiàn)場試驗一體化的方案構(gòu)想,研究了一體化試驗的基本框架,對舷外有源誘餌的一體化試驗進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計,包括指標(biāo)體系的建立、試驗的總體思路與流程、基于Bayes小子樣的評估技術(shù)等,最后分析了一體化試驗中的關(guān)鍵技術(shù),可為類似裝備一體化試驗鑒定提供新的思路和方法。

舷外有源誘餌; 一體化試驗; Bayes估計; 小子樣

Class Number TN97

1 引言

近年來,隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展,舷外有源誘餌作為水面艦船對抗現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈的一種有效方式,已逐漸引起高度關(guān)注。它接收主動式導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)信號,將該信號放大并轉(zhuǎn)發(fā)出去,使導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)無法區(qū)分目標(biāo)艦船和誘餌,形成對導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的干擾,從而將導(dǎo)彈誘離目標(biāo)。使用舷外有源誘餌可避免同艦船的雷達(dá)、自衛(wèi)系統(tǒng)等相互干擾,每次交戰(zhàn)只需發(fā)射單枚或幾枚誘餌彈,且艦艇無需進(jìn)行大規(guī)模規(guī)避行動,即可對抗絕大多數(shù)先進(jìn)的反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá),目前艦載舷外有源誘餌作為對付反艦導(dǎo)彈的一種有效手段,已經(jīng)成為世界主要國家海軍的主流反導(dǎo)裝備[1]。

我國對舷外有源誘餌的研究剛剛起步,正處于裝備研制和試驗定型階段。舷外有源誘餌的現(xiàn)場試驗為消耗性試驗,參試、被試裝備的消耗巨大,試驗費(fèi)用昂貴,不可能大量重復(fù)進(jìn)行,因此現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)相對較少。同時在現(xiàn)場試驗之前,具有多種可利用的驗前信息,如裝備研制時可使用的歷史信息、不同條件下的試驗信息以及仿真試驗的信息等,這些眾多的驗前信息,既為舷外有源誘餌試驗分析與評估提供了更多的數(shù)據(jù),同時這些具有不確定性的信息也可能給評估決策帶來更多的風(fēng)險。因此,如何尋找一種有效的試驗鑒定方法以檢驗其戰(zhàn)術(shù)性能成為當(dāng)務(wù)之急。

20世紀(jì)90年代,隨著新型武器裝備的不斷發(fā)展,美軍認(rèn)識到裝備試驗鑒定能力難以滿足裝備發(fā)展的需要,為適應(yīng)武器系統(tǒng)采辦發(fā)展要求,更好地發(fā)揮試驗資源潛力、節(jié)約試驗鑒定經(jīng)費(fèi)、提高試驗鑒定效率,提出了“一體化試驗鑒定”的概念,即所有試驗鑒定相關(guān)機(jī)構(gòu)共同合作,對各試驗階段和各試驗活動進(jìn)行統(tǒng)一的計劃與實(shí)施,旨在為獨(dú)立的分析、鑒定和報告提供共享數(shù)據(jù)。我國靶場對一體化試驗?zāi)Ｊ诫m已進(jìn)行了初步探索,開展了部分相關(guān)理論和方法研究,但制約其深化發(fā)展的問題仍未得到有效解決,在工程實(shí)踐上并沒有得到有效的應(yīng)用[2]。

本文基于一體化試驗的理論,針對舷外有源誘餌裝備靶場試驗鑒定的緊迫需求,研究舷外有源誘餌一體化試驗設(shè)計,構(gòu)建舷外有源誘餌一體化試驗的基本框架,分析一體化試驗的關(guān)鍵技術(shù),旨在為開展類似裝備一體化試驗提供新的思路。

2 一體化試驗基本框架

一體化試驗是一種新的試驗?zāi)Ｊ?旨在綜合各種試驗資源、集成各項試驗技術(shù)、綜合各類試驗信息,將不同階段、不同手段試驗信息整合,充分考核新裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能和作戰(zhàn)使用性能,全面檢驗新裝備的作戰(zhàn)效能。在組織實(shí)施上實(shí)現(xiàn)了試驗項目統(tǒng)籌優(yōu)化、試驗資源共享綜合,在技術(shù)方法上解決了多源試驗信息融合和綜合評定的問題。

2.1 試驗管理一體化

一體化試驗組織管理的基本模式,可以借鑒美國的成熟經(jīng)驗,即統(tǒng)一計劃、統(tǒng)一組織、共同實(shí)施、各負(fù)其責(zé)[3]。其關(guān)鍵是協(xié)商及論證靶場、使用單位及承研單位之間不同的試驗?zāi)康暮鸵?進(jìn)而提出一體化實(shí)施總體方案,具體規(guī)定現(xiàn)場試驗和仿真試驗的考核項目及分工,共享試驗信息,對仿真和試驗信息實(shí)施閉環(huán)控制[4]。

2.2 試驗設(shè)計一體化

一體化試驗設(shè)計的重點(diǎn)是根據(jù)不同試驗手段的特點(diǎn),正確處理仿真試驗與現(xiàn)場試驗的關(guān)系,發(fā)揮各自優(yōu)勢,達(dá)到總體優(yōu)化的目的。

一體化試驗主要包括三類試驗手段:數(shù)字仿真試驗、半實(shí)物仿真試驗和現(xiàn)場試驗。

數(shù)字仿真試驗是以低成本的模擬在各種假設(shè)條件下進(jìn)行的大樣本試驗;可以對被試裝備進(jìn)行全面、充分的分析;可以把試驗結(jié)果外推到不能直接由現(xiàn)場試驗來確定的效能指標(biāo)上。該手段的使用,有助于減少現(xiàn)場試驗的次數(shù)和武器的消耗,通過已知參數(shù)和其他場景中的真實(shí)數(shù)據(jù)來補(bǔ)充現(xiàn)場試驗的結(jié)果。局限性是試驗結(jié)果的可信度與數(shù)學(xué)仿真模型直接相關(guān)。

半實(shí)物仿真試驗采用硬件和軟件共同構(gòu)造可控的戰(zhàn)場環(huán)境?？梢岳酶鞣N具有不同功能的模擬器,形成近似值實(shí)戰(zhàn)的、態(tài)勢可編輯的、參數(shù)可變的、封閉可控的仿真試驗環(huán)境;可以重復(fù)大量地進(jìn)行各種技術(shù)性能指標(biāo)的試驗實(shí)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的大樣本量;可以鑒定被試設(shè)備極限情況及系統(tǒng)的綜合性能。局限性是受試驗設(shè)施及空間限制,對受自然環(huán)境影響較大的試驗項目、假設(shè)條件影響較大的試驗項目、受戰(zhàn)術(shù)使用方法影響較大的試驗項目等不具備優(yōu)勢。

現(xiàn)場試驗試驗環(huán)境逼真未來戰(zhàn)場態(tài)勢,可獲得可信度較高的試驗結(jié)果。對受自然環(huán)境影響較大的試驗項目、假設(shè)條件影響較大的試驗項目、受戰(zhàn)術(shù)使用方法影響較大的試驗項目等更適合采用。局限性是試驗成本高、受天氣影響大、保密性差、可重復(fù)性差、試驗獲得的樣本量小等。

2.3 試驗評估一體化

將現(xiàn)場試驗與仿真試驗結(jié)果,采取Bayes小子樣理論進(jìn)行一體化處理是試驗評估中的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)處理的具體實(shí)現(xiàn)方法為:選取待估參數(shù)為隨機(jī)變量,將仿真試驗結(jié)果作為驗前信息,通過信息融合技術(shù)獲取先驗分布,利用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)去修正先驗分布得到驗后分布,在此基礎(chǔ)上利用Bayes統(tǒng)計推斷的方法進(jìn)行性能指標(biāo)的估計和決策分析[5]。

3 舷外有源誘餌一體化試驗設(shè)計

3.1 指標(biāo)體系的建立

圖1 舷外有源誘餌指標(biāo)體系

試驗指標(biāo)體系的建立是一個反復(fù)深化的過程,需要全面地反映試驗裝備的各項目標(biāo)要求。通過對舷外有源誘餌性能、戰(zhàn)技指標(biāo)等研究,確定了其指標(biāo)體系,主要包括三大類:性能類指標(biāo)、效能類指標(biāo)及其他類型指標(biāo),具體如圖1所示。

3.2 總體思路

舷外有源誘餌一體化試驗設(shè)計的基本思路如下[6]:

1) 與自然環(huán)境和電磁環(huán)境無關(guān)的技術(shù)性指標(biāo)(如靈敏度、干擾樣式、動態(tài)范圍、頻率精度等)以半實(shí)物仿真試驗為主,經(jīng)過適量現(xiàn)場試驗進(jìn)行驗證和補(bǔ)充。

2) 數(shù)字仿真進(jìn)行寬頻段、大樣本和綜合性試驗,現(xiàn)場試驗選取典型頻段和精度進(jìn)行檢驗性驗證試驗,主要對戰(zhàn)術(shù)類指標(biāo)(即干擾成功率)進(jìn)行驗證。

3) 各種復(fù)雜條件(如復(fù)雜氣象條件、復(fù)雜電磁環(huán)境等)和極端條件對舷外有源誘餌的影響,主要用數(shù)字仿真手段來考核,輔以幾組典型的抽樣現(xiàn)場試驗作驗證。

4) 現(xiàn)場試驗中故障的查找、定位和復(fù)現(xiàn),特別是根據(jù)靶場測量數(shù)據(jù)和一般分析無法確定故障原因時,需以數(shù)字仿真試驗為主要分析手段,以現(xiàn)場試驗為輔助手段分析故障機(jī)理。

5) 綜合利用各階段仿真試驗和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),進(jìn)行一致性處理。

3.3 試驗運(yùn)行流程

根據(jù)以上總體思路,舷外有源誘餌一體化試驗設(shè)計與實(shí)施的具體內(nèi)容和步驟如下[4]:

1) 首先進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗,對舷外有源誘餌的技術(shù)類指標(biāo)進(jìn)行考核,同時試驗結(jié)果可作為數(shù)據(jù)仿真試驗的輸入。

2) 在實(shí)裝試驗之前,進(jìn)行廣泛的數(shù)字仿真試驗(仿真模型必須經(jīng)過驗證,得到確認(rèn)),提出對舷外有源誘餌性能評估的仿真報告。

3) 參考上述的仿真結(jié)果制定具體的實(shí)裝試驗方案,對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證和考核;同時也對裝備進(jìn)行較全面的鑒定。

4) 實(shí)裝試驗時,如通過對幾個批次實(shí)裝對抗試驗結(jié)果的分析,驗證了仿真結(jié)果有足夠高的可信性,可將后續(xù)試驗進(jìn)一步減少。如果實(shí)裝對抗試驗結(jié)果或部分結(jié)果發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果可信度超出精度范圍,則修正仿真模型,重新進(jìn)行仿真和實(shí)裝驗證試驗。

5) 實(shí)裝試驗時,如出現(xiàn)故障和異常,不能現(xiàn)場分離故障和定位故障,可用數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真來設(shè)法復(fù)現(xiàn)故障和異常現(xiàn)象,查找原因,再做補(bǔ)充實(shí)裝試驗。

6) 實(shí)裝試驗之后,將仿真結(jié)果與實(shí)裝試驗結(jié)果進(jìn)行一體化處理,對武器系統(tǒng)性能進(jìn)行鑒定評估,寫出定型意見。

試驗流程如圖2所示。

圖2 舷外有源誘餌一體化試驗流程

4 舷外有源誘餌一體化試驗的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 仿真模型的構(gòu)建與可信度評估

需要構(gòu)建作戰(zhàn)環(huán)境模型和彈載雷達(dá)信號處理模型,其中作戰(zhàn)環(huán)境模型包括目標(biāo)散射模型、海雜波功率模型等,彈載雷達(dá)信號處理模型包括有源誘餌干擾功率模型、艦船回波信號模型、檢測判決模型、被動數(shù)據(jù)融合模型等[6]。

模型的可信度評估,一般采用統(tǒng)計分析方法或者數(shù)學(xué)解析方法來比較仿真系統(tǒng)輸出和真實(shí)系統(tǒng)輸出的差異性,分為靜態(tài)一致性檢驗和動態(tài)一致性檢驗兩種類型[7]。

靜態(tài)一致性檢驗就是比較現(xiàn)場試驗與仿真試驗的結(jié)果相容性,即檢驗兩個隨機(jī)變量是否來自同一分布。總體來說,該檢驗技術(shù)方法發(fā)展較為成熟,大部分方法均為統(tǒng)計方法,尤其是假設(shè)檢驗較為常用。

動態(tài)性能驗證比較復(fù)雜,通常使用誤差分析法粗略估計現(xiàn)場數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的相容性。其中灰色關(guān)聯(lián)分析方法比較適合短時序情況;頻譜分析通常要求時間序列具有平穩(wěn)性、各態(tài)歷經(jīng)性條件,因此使用時必須注意條件,對不滿足條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理;經(jīng)典譜估計具有計算簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn),具有很好的漸進(jìn)分布性質(zhì),所以利用統(tǒng)計檢驗的方法來驗證兩時序一致性很方便,但存在頻率分辨率低,頻率泄漏等缺陷,主要由加窗引入,加窗使得方差降低偏差增大;最大墑譜估計就是AR譜估計,有效地克服了經(jīng)典譜估計的加窗缺陷,對未知數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地外推,但此方法建模復(fù)雜,且階次判別也較為困難[8～9]。

4.2 試驗分析中的Bayes融合技術(shù)

Bayes方法的特色是運(yùn)用驗前信息,關(guān)于數(shù)據(jù)融合主要涉及到以下三個方面[10]:

1) 驗前信息的相容性檢驗

針對靜態(tài)數(shù)據(jù),可以應(yīng)用通常的假設(shè)檢驗的方法進(jìn)行,一般常用非參數(shù)檢驗方法。在實(shí)際應(yīng)用中,Wilcoxon-MannWhitney的秩和檢驗發(fā)較為常用。動態(tài)數(shù)據(jù)以時間序列的形式出現(xiàn),對其進(jìn)行檢驗可以在時域內(nèi)進(jìn)行,也可以在頻域內(nèi)進(jìn)行。

2) 驗前分布的獲取

由于驗前信息的多樣性,驗前分布的表示方法也不相同,主要有最大熵方法、共軛方法、自助方法和隨機(jī)加權(quán)法、經(jīng)驗Bayes方法等。最大熵方法依據(jù)信息論中的觀點(diǎn),在驗前信息的約束之下,盡可能少地引入主觀成分,適合的先驗信息形式為參數(shù)的各階矩、分位數(shù)、置信下限等,這類先驗信息的獲取往往帶有經(jīng)驗成分。運(yùn)用共軛先驗方法概念清晰,在計算上將帶來方便,這是最常被應(yīng)用的先驗分布;自助方法和隨機(jī)加權(quán)法利用再抽樣理論,可以在總體分布未知的情況下求得參數(shù)的先驗分布,在驗前子樣不太少的情況下,這種方法能夠取得較好的效果;經(jīng)驗Bayes方法強(qiáng)調(diào)對先驗分布的形式不做假定,利用驗前數(shù)據(jù)去擬合先驗分布的平滑估計。

3) 驗后概率分布的計算

Bayes統(tǒng)計推斷出發(fā)點(diǎn)就是計算分布參數(shù)θ的驗后概率密度π(θ|X),其中X為現(xiàn)場試驗獲得的子樣,Bayes公式[5]:

其中,θ為待估參數(shù),Θ是參數(shù)空間,f(X|θ)是θ給定時子樣X的分布密度,π(θ)為θ的驗前分布密度函數(shù)。

5 結(jié)語

本論文基于一體化試驗基本理論,以舷外有源誘餌為依托,構(gòu)建了舷外有源誘餌一體化試驗的基本框架,提出舷外有源誘餌一體化試驗的實(shí)現(xiàn)方法和運(yùn)行流程,分析了一體化研究中的關(guān)鍵技術(shù),對有源誘餌靶場定型試驗的工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義,亦可為其他類似電子對抗裝備的一體化試驗提供有益的方法和工具借鑒。

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Integration Test of Outboard Active Decoy

ZHANG Jie1,2WANG Jiangyun1

(1. School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191) (2. No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao 066000)

The paper aims at the urgent demand of outboard active decoytest and evaluation, studies the integration of simulation test and field test. We first discuss the basic framework of integration test. Then we design the integration test of outboard active decoy experiments, including the establishment of the index system, the overall thought and process of test, evaluation technique based on Bayes small sample, etc. Finally, we analyze the key technologies in the integration test. The results show that new ideas and methods reference for similar equipment integrated test could be used.

outboard active decoy, integration test, Bayes estimation, small sample

2014年6月5日,

2014年7月27日

張潔,女,碩士,工程師,研究方向:控制理論與控制工程。王江云,女,博士,副教授,研究方向:導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.042