葛承壟，朱元昌，邸彥強(qiáng)，孟憲國(guó)

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)方法

葛承壟，朱元昌，邸彥強(qiáng)，孟憲國(guó)

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

首先介紹了高炮武器系統(tǒng)對(duì)空射擊精度試驗(yàn)現(xiàn)狀，針對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法存在的成本高昂、組織繁瑣、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等不足，提出了一種基于抽樣的虛擬射擊試驗(yàn)方法，介紹了虛擬射擊試驗(yàn)原理，給出了虛擬射擊試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，重點(diǎn)討論了各系統(tǒng)的主要功能，最后給出了虛擬射擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)流分析、組織實(shí)施流程和驗(yàn)證思路。

高炮武器系統(tǒng)，射擊試驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合

0 引言

虛擬試驗(yàn)場(chǎng)VPG（Virtual Proving Ground）技術(shù)是美軍于20世紀(jì)90年代末提出的一種旨在實(shí)現(xiàn)多靶場(chǎng)一體化聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練和靶場(chǎng)仿真資源互操作、可重用的一種新技術(shù)，代表了武器系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)也取得了部分研究成果。文獻(xiàn)［1］系統(tǒng)闡述了虛擬靶場(chǎng)的特點(diǎn)及技術(shù)內(nèi)涵，設(shè)計(jì)了基于TENA的虛擬靶場(chǎng)總體框架；文獻(xiàn)［2］從虛擬試驗(yàn)場(chǎng)體系結(jié)構(gòu)、一體化信息系統(tǒng)、通用合成環(huán)境等方面介紹了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的研究現(xiàn)狀，并給出了虛擬試驗(yàn)場(chǎng)未來(lái)的幾點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)；文獻(xiàn)［3］介紹了虛實(shí)合成試驗(yàn)的基本內(nèi)涵，闡述了研究反艦導(dǎo)彈突防虛實(shí)合成試驗(yàn)方法的必要性和意義，構(gòu)建了反艦導(dǎo)彈突防虛實(shí)合成系統(tǒng)并論述了其組成功能。

高炮武器系統(tǒng)是地面防空領(lǐng)域的重要力量，然而國(guó)內(nèi)針對(duì)高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)方法的研究還是空白?，F(xiàn)有的射擊精度試驗(yàn)方法是以航模作為目標(biāo)靶機(jī)，隨著高炮武器系統(tǒng)性能的不斷提升，對(duì)高速航模靶機(jī)的需求也日益增加。這使得現(xiàn)有射擊精度試驗(yàn)方法面臨試驗(yàn)成本的急劇增加，為了更好、更快、更經(jīng)濟(jì)地完成靶場(chǎng)高炮武器系統(tǒng)射擊試驗(yàn)任務(wù)，本文突破傳統(tǒng)物理靶場(chǎng)的觀念，就高炮武器系統(tǒng)對(duì)空虛擬射擊試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究并提出了一種可行的虛擬射擊試驗(yàn)方法。

1 虛擬射擊試驗(yàn)方法原理

針對(duì)靶場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中存在的試驗(yàn)成本、試驗(yàn)誤差、試驗(yàn)周期等突出問(wèn)題，提出了基于抽樣的虛擬射擊試驗(yàn)方法，其原理如圖1所示。

圖1 基于抽樣的虛擬射擊試驗(yàn)原理圖

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)方法的基本思想為：首先基于動(dòng)態(tài)精度飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用抽樣理論獲得目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)和目標(biāo)真值數(shù)據(jù)，然后用目標(biāo)真值數(shù)據(jù)替代目標(biāo)靶機(jī)，用目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)替代目標(biāo)坐標(biāo)測(cè)定器的測(cè)量值，將目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)注入到被試武器系統(tǒng)中，解算射擊諸元，驅(qū)動(dòng)火力系統(tǒng)進(jìn)行射擊，利用脫靶量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備得到彈道坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)脫靶量數(shù)據(jù)處理分析武器系統(tǒng)射擊精度。其中，基于抽樣理論的目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)和目標(biāo)真值數(shù)據(jù)的生成過(guò)程稱之為航跡生成。

2 虛擬射擊試驗(yàn)系統(tǒng)組成及功能

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)是以評(píng)估高炮綜合體在接近真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境下的射擊精度為目的，采用虛實(shí)結(jié)合的試驗(yàn)方式，構(gòu)建成本低廉、周期較短、可信度高的試驗(yàn)平臺(tái)。高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由被試武器系統(tǒng)、實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)、航跡生成系統(tǒng)、航跡注入系統(tǒng)、虛擬場(chǎng)景合成系統(tǒng)、虛擬空間和坐標(biāo)映射關(guān)系組成。整個(gè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)流的支持下構(gòu)成統(tǒng)一的整體。

圖2 虛擬射擊試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 航跡生成系統(tǒng)

由于整個(gè)虛擬射擊試驗(yàn)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)，獲取虛擬射擊試驗(yàn)所需的航跡是進(jìn)行虛擬射擊試驗(yàn)的前提條件，因此，航跡生成系統(tǒng)起到“數(shù)據(jù)源”的作用，是整個(gè)虛擬射擊試驗(yàn)系統(tǒng)的核心組成部分。

航跡生成過(guò)程由確定數(shù)學(xué)假設(shè)、確定動(dòng)態(tài)精度飛行試驗(yàn)有效航次數(shù)［4］、抽樣算法［5］、航跡生成驗(yàn)證4部分組成，在邏輯上形成問(wèn)題研究的閉環(huán)。首先，完成對(duì)某一時(shí)刻測(cè)量誤差分布的假定，為生成航跡奠定理論基礎(chǔ)。其次，通過(guò)估計(jì)全航路的系統(tǒng)誤差置信區(qū)間［6］長(zhǎng)度和均方差置信區(qū)間長(zhǎng)度，觀察二者隨動(dòng)態(tài)精度飛行試驗(yàn)航次數(shù)（樣本量）的變化趨勢(shì)，確定動(dòng)態(tài)精度飛行試驗(yàn)的有效航次數(shù)，使得N條航跡數(shù)據(jù)在一定置信水平下代表同一試驗(yàn)條件下全部航次的數(shù)據(jù)特征，同時(shí)計(jì)算全航路動(dòng)態(tài)精度性能指標(biāo)［7］。再次，確定有效航次數(shù)之后，通過(guò)分析航跡個(gè)體間的差異程度，選取適當(dāng)?shù)某闃铀惴?，抽取虛擬射擊試驗(yàn)所需的一條航跡。最后從相關(guān)數(shù)學(xué)假設(shè)的驗(yàn)證和檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)精度性能指標(biāo)的置信水平出發(fā)，利用假設(shè)檢驗(yàn)理論對(duì)航跡生成過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 航跡注入系統(tǒng)

航跡注入系統(tǒng)完成將生成的目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)注入到火控系統(tǒng)中，主要由航跡注入接口完成。注入接口是被試武器與虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的硬件接口設(shè)備。針對(duì)不同型號(hào)、不同物理接口電氣關(guān)系、不同數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的被試武器系統(tǒng)，利用特定的注入接口進(jìn)行航跡注入。

2.3 被試武器系統(tǒng)

被試武器系統(tǒng)是虛擬射擊試驗(yàn)中的真實(shí)資源，其主要作用是經(jīng)航跡生成得到目標(biāo)測(cè)量值之后進(jìn)行射擊諸元解算，得到射角和方位角，并驅(qū)動(dòng)火力系統(tǒng)對(duì)靶機(jī)的虛擬航跡進(jìn)行射擊。

2.4 實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)

火力系統(tǒng)對(duì)虛擬航跡進(jìn)行射擊后，彈丸彈道坐標(biāo)的獲取主要依靠實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，即靶場(chǎng)測(cè)量設(shè)備。在真實(shí)射擊精度試驗(yàn)中，目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)和目標(biāo)真值數(shù)據(jù)分別由目標(biāo)坐標(biāo)測(cè)定器和目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備測(cè)得；而在虛擬射擊試驗(yàn)中，目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)和目標(biāo)真值數(shù)據(jù)經(jīng)抽樣產(chǎn)生，因而真實(shí)資源中的靶場(chǎng)測(cè)量設(shè)備主要是指彈道標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備。

2.5 坐標(biāo)映射關(guān)系

構(gòu)建基于Virtools下的虛擬試驗(yàn)環(huán)境，“虛”、“實(shí)”之間需要交互大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是在不同坐標(biāo)系下定義的。主要涉及4個(gè)坐標(biāo)系［8］：靶場(chǎng)中的車體坐標(biāo)系、靶場(chǎng)中的北天東大地坐標(biāo)系、Virtools中的世界坐標(biāo)系、Virtools中的大地坐標(biāo)系。因而坐標(biāo)映射關(guān)系主要解決靶場(chǎng)和虛擬試驗(yàn)環(huán)境的坐標(biāo)系不一致問(wèn)題，使二者達(dá)到空間一致。首先，明確坐標(biāo)系的建立原則，即坐標(biāo)原點(diǎn)位置及X、Y、Z的方向定義。其次，根據(jù)火控系統(tǒng)原理，確定坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移轉(zhuǎn)換關(guān)系。最后，確定坐標(biāo)系的映射關(guān)系。

2.6 虛擬場(chǎng)景合成系統(tǒng)

虛擬場(chǎng)景合成系統(tǒng)主要完成兩大任務(wù)。一方面，利用3dsmax軟件實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)環(huán)境及靶機(jī)、彈丸等的幾何、物理建模，并基于Virtools軟件將建模對(duì)象合成到統(tǒng)一的試驗(yàn)環(huán)境中。另一方面，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的融合和交互，為在虛擬空間中統(tǒng)計(jì)射擊精度提供保證。

2.7 虛擬空間

虛擬空間為虛擬射擊試驗(yàn)提供虛擬環(huán)境，主要包括虛擬靶場(chǎng)環(huán)境、虛擬靶機(jī)和虛擬彈丸等。為逼真地反映對(duì)空射擊試驗(yàn)過(guò)程，在虛擬空間必須完成對(duì)目標(biāo)實(shí)體的行為建模。其中虛擬靶機(jī)依靠生成的目標(biāo)真值數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛行，彈丸由經(jīng)坐標(biāo)映射獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)飛行，同時(shí)在虛擬空間內(nèi)得到脫靶量計(jì)算結(jié)果，用于評(píng)定高炮武器系統(tǒng)射擊精度。

3 虛擬射擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)流分析

虛擬射擊試驗(yàn)的數(shù)據(jù)流主要有兩條。一條是“由虛入實(shí)”數(shù)據(jù)流；另一條是“由實(shí)入虛”數(shù)據(jù)流。虛擬射擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)流示意圖如圖3所示。

“由虛入實(shí)”數(shù)據(jù)流：航跡生成后得到目標(biāo)測(cè)量值數(shù)據(jù)，然后通過(guò)火控接口注入火控系統(tǒng)中，解算射擊諸元，驅(qū)動(dòng)彈丸飛行。一方面，航跡生成后得到目標(biāo)真值數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入虛擬空間驅(qū)動(dòng)虛擬靶機(jī)飛行；另一方面，在高炮武器系統(tǒng)對(duì)虛擬航跡進(jìn)行射擊過(guò)程中，彈道標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量彈丸坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)映射方法將彈丸坐標(biāo)數(shù)據(jù)映射入虛擬空間并驅(qū)動(dòng)虛擬彈丸的射擊飛行。除了以上兩條數(shù)據(jù)流外，相關(guān)虛擬射擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)，用于回放虛擬射擊試驗(yàn)過(guò)程。

圖3 虛擬射擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)流分析

4 虛擬射擊試驗(yàn)組織實(shí)施

為更有效開(kāi)展虛擬射擊試驗(yàn)，需要規(guī)范的組織實(shí)施流程。首先根據(jù)試驗(yàn)要求、靶場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)、抽樣指標(biāo)、抽樣算法等確定樣本要求并得到樣本（樣本量為N），然后判斷樣本是否滿足要求，若不滿足則重新進(jìn)行動(dòng)態(tài)精度飛行試驗(yàn)獲取新樣本，直至樣本滿足要求。若滿足樣本要求，則根據(jù)樣本內(nèi)部個(gè)體差異、抽樣規(guī)模和相應(yīng)抽樣參數(shù)等因素選擇一定的抽樣方法進(jìn)行抽樣得到目標(biāo)測(cè)量值和目標(biāo)真值。接下來(lái)進(jìn)行對(duì)空虛擬射擊試驗(yàn)，并進(jìn)行脫靶量計(jì)算，最后得到射擊精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。虛擬射擊試驗(yàn)組織實(shí)施流程如圖4所示。

圖4 虛擬射擊試驗(yàn)組織實(shí)施流程

5 試驗(yàn)驗(yàn)證思路

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)突破了傳統(tǒng)實(shí)裝試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑且环N虛擬試驗(yàn)與實(shí)裝相結(jié)合的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)的可信性反映了試驗(yàn)方法的正確與否，亟需適當(dāng)?shù)尿?yàn)證方法進(jìn)行驗(yàn)證。

高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)裝試驗(yàn)的主要區(qū)別在于：以虛擬靶機(jī)替代實(shí)際靶機(jī)飛行，虛擬靶機(jī)的飛行由抽樣產(chǎn)生的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；負(fù)責(zé)拍攝同幀畫(huà)幅的靶場(chǎng)光學(xué)設(shè)備無(wú)法拍攝到靶機(jī)，射擊精度統(tǒng)計(jì)（脫靶量的計(jì)算）需要在虛擬環(huán)境中完成。因而試驗(yàn)方法的驗(yàn)證主要從以下兩點(diǎn)入手。①針對(duì)提出的相關(guān)假設(shè)，利用分布檢驗(yàn)和假設(shè)檢驗(yàn)理論對(duì)航跡生成進(jìn)行驗(yàn)證；②對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)方法和“虛實(shí)結(jié)合”試驗(yàn)方法得到的脫靶量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)脫靶量統(tǒng)計(jì)特性（均值、方差）判定兩種方法是否有顯著差異。

6 結(jié)論

高炮武器系統(tǒng)對(duì)空射擊精度試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、組織復(fù)雜，在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)受到制約，因而必須逐漸改變當(dāng)前的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。本文提出的一種高炮武器系統(tǒng)虛擬射擊試驗(yàn)方法，將仿真技術(shù)應(yīng)用到靶場(chǎng)試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)實(shí)裝試驗(yàn)向“虛實(shí)結(jié)合”試驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。

［1］關(guān)萍萍，翟正軍.虛擬靶場(chǎng)運(yùn)行支撐體系結(jié)構(gòu)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（2）：2475-2478.

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Research on Virtual Firing Test Method for Anti-aircraft Weapon System

GE Cheng-long，ZHU Yuan-chang，DI Yan-qiang，MENG Xian-guo
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The status of anti-aircraft weapon system firing precision test is introduced firstly，and aiming at the deficiencies of high cost and long cycle and complicated organization process，a virtual firing test method based on sampling is proposed and the principle of virtual firing test is introduced. Then the structure chart of virtual firing test system is put forward，and system’s major functions are mainly discussed in this paper.The data flow，organizing execution flow and validation notion of virtual firing test are acquired finally.

anti-aircraft weapon system，firing test，virtual and real complex

TP391.9

A

1002-0640（2015）05-0157-03

2014-03-02

2014-04-21

葛承壟（1990- ），男，山東平陰人，碩士。研究方向：武器系統(tǒng)仿真。