馮文飛,韓 潔,杜會盈

(中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

系統(tǒng)仿真,就是建立系統(tǒng)模型,并利用模型的運行來完成工程試驗和科學研究的全過程[1],建模、模型驗證和模型運轉是仿真的核心內容。與計算機仿真相比,半實物仿真采用的模型不僅有數(shù)學模型,還包括物理效應裝置、實際設備(樣機)和各種模擬器[1]。

艦炮系統(tǒng)對岸基目標和海上目標打擊的命中和毀傷判別,一般通過打擊實際靶標完成。首先，對于空中目標,因目標特性和飛行速度等原因,其命中和毀傷判別需在靶標著陸或墜海區(qū)域尋找到靶標后才能開展,并且較難排除目標墜落過程中的再次毀傷;其二,基于成本考慮空中靶標多選用無人機或拖靶,飛行速度和航路特性與實戰(zhàn)對抗的導彈目標差異較大,外場試驗打靶效果與實戰(zhàn)吻合度不高;其三,基于安全性因素考慮,當前無人試驗平臺未得以成熟應用前提下,外場試驗時空中靶標極少選擇零捷徑飛行,與實戰(zhàn)來襲目標場景不一致。

因此，構建艦炮系統(tǒng)實戰(zhàn)性試驗的半實物仿真環(huán)境,實現(xiàn)對艦炮系統(tǒng)打擊空中來襲目標的性能考核,尤其是開展命中判別和毀傷評估技術的研究就迫在眉睫。

1 半實物仿真系統(tǒng)

1.1 艦炮系統(tǒng)試驗用半實物仿真系統(tǒng)

在半實物仿真系統(tǒng)中,利用實際的硬件設備來代替硬件模型[2],使得仿真效果更貼近于實際系統(tǒng)。

用于研究的半實物仿真系統(tǒng)(以下簡稱仿真系統(tǒng))主要由戰(zhàn)場環(huán)境模擬器、威脅目標模擬器、艦炮系統(tǒng)和數(shù)據錄取解算設備(包括目標模型、命中判別模型和毀傷評估模型)等組成。艦炮系統(tǒng)一般由目標搜索傳感器、目標跟蹤傳感器、艦炮、火控設備、姿態(tài)測量設備和網絡通信設備組成。[3]

仿真系統(tǒng)的組成與連接關系示意圖如圖1所示。

仿真系統(tǒng)中,戰(zhàn)場環(huán)境模擬器仿真生成戰(zhàn)場目標環(huán)境態(tài)勢,替代實際戰(zhàn)場環(huán)境中的目標信號,驅動艦炮系統(tǒng)目標搜索傳感器完成目標搜索過程。威脅目標模擬器同步生成威脅目標模擬信息,替代實際戰(zhàn)場環(huán)境中的威脅目標信號,驅動目標跟蹤傳感器完成目標跟蹤過程。艦炮僅完成模擬射擊(不實際射彈),其他設備按實際工作模式正常運行。

數(shù)據錄取解算設備錄取艦炮系統(tǒng)的網絡通信數(shù)據,從中提取相關信息(氣象參數(shù)、修正量等);接收艦炮擊發(fā)信號和諸元信息,用于計算每發(fā)彈丸的外彈道航路。

1.2 仿真系統(tǒng)工作過程

按一個試驗(或考核)周期,仿真系統(tǒng)的工作過程可描述為:

1)戰(zhàn)場環(huán)境模擬器模擬生成戰(zhàn)場環(huán)境目標信號,驅動目標搜索傳感器工作;

2)目標搜索傳感器搜索到目標信息后,上報火控設備。

3)火控設備根據目標態(tài)勢信息,解算出目標指示命令,控制目標跟蹤傳感器去捕獲、跟蹤目標。

4)威脅目標模擬器需同步生成威脅目標模擬信息,驅動目標跟蹤傳感器實施穩(wěn)定跟蹤,并將跟蹤狀態(tài)和跟蹤數(shù)據上報火控設備。

5)火控設備求解諸元,控制艦炮模擬射擊。

6)數(shù)據錄取解算設備實時記錄系統(tǒng)通信數(shù)據和射擊諸元數(shù)據,航路結束后根據記錄數(shù)據、目標模型和命中判別模型解算命中;若彈丸命中目標,則依據毀傷評估模型,解算毀傷概率,統(tǒng)計累計毀傷。

網絡通信設備提供通信鏈路支持。姿態(tài)測量設備按周期測量姿態(tài)數(shù)據并上報。

1.3 數(shù)據一致性

戰(zhàn)場環(huán)境模擬器使用艦艇地理參照系下的理論航路數(shù)據(簡稱戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據),威脅目標模擬器使用穩(wěn)定參照系下的理論航路數(shù)據(簡稱威脅目標數(shù)據),計算彈丸的外彈道初始參數(shù)使用艦艇甲板參照系下的數(shù)據(簡稱外彈道數(shù)據)。這三類數(shù)據在仿真系統(tǒng)中,用于驅動艦炮系統(tǒng)聯(lián)動和命中解算時互有關聯(lián),存在數(shù)據一致性問題。

戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據建立在艦艇地理參照系下的相對地理直角坐標系(即以目標搜索傳感器回轉中心為坐標原點,Y軸指向正北,X軸垂直于Y軸向右,XY平面為水平面,Z軸垂直于XY平面向上)。

威脅目標數(shù)據是建立在艦艇穩(wěn)定參照系下的相對穩(wěn)定直角坐標系(即以目標跟蹤傳感器回轉中心為坐標原點,Y軸指向艦艇航向線,X軸垂直于Y軸向右,XY平面為水平面,Z軸垂直于XY平面向上)。

外彈道數(shù)據是建立在艦艇不穩(wěn)定參照系下的相對不穩(wěn)定直角坐標系(即以炮位發(fā)射點為坐標原點,Y軸平行艦艏線,X軸垂直于Y軸向右,XY平面為甲板平面,Z軸垂直于XY平面向上)。

為驗證仿真系統(tǒng)運行效果,簡化仿真運算,在研究初期,戰(zhàn)場環(huán)境模擬器和威脅目標模擬器可選擇使用同一批目標航路數(shù)據,生成單批目標模擬戰(zhàn)場環(huán)境和單批威脅目標。待仿真系統(tǒng)運行效果得以驗證后,進行試驗或考核工作時,為更貼近于實際系統(tǒng),戰(zhàn)場環(huán)境模擬器可模擬生成多批目標戰(zhàn)場環(huán)境,其中包含威脅目標航路即可。

另外,在仿真系統(tǒng)中,將目標搜索傳感器和目標跟蹤傳感器設置為不同的安裝位置,其仿真結果同樣適用于接近位置安裝的實際系統(tǒng),僅運算中的坐標變化修正值有所差異。

1.3.1 戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據與威脅目標數(shù)據的一致性

戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據為模擬構建戰(zhàn)場環(huán)境,威脅目標數(shù)據為模擬構建威脅目標航路,需確保威脅目標航路為模擬戰(zhàn)場環(huán)境中的某一批目標航路數(shù)據,才能保證仿真系統(tǒng)的正常運行。為提高目標跟蹤傳感器的跟蹤精度和航路平滑性,一般以威脅目標航路使用的航路數(shù)據作為設定航路,經過坐標轉換和坐標變換過程,變換為戰(zhàn)場環(huán)境模擬器使用的理論值數(shù)據。

通常來講,威脅目標數(shù)據包括目標距離(R)、目標舷角(A)、目標俯仰角(E)等,首先由極坐標轉換為相對穩(wěn)定直角坐標系的數(shù)據,坐標轉換公式見公式2-1[4]。

(1)

假定目標搜索傳感器回轉中心在相對穩(wěn)定直角坐標系的位置為(Xow、Yow、Zow),假定Cw為航向角,則利用公式(2)計算求得目標在相對地理直角坐標系中的XYZ軸分量數(shù)據。

(2)

再根據公式(3),即可將相對地理直角坐標系中的轉換為極坐標下的目標距離(Rw)、目標方位角(Aw)、目標俯仰角(Ew)。

根據上述數(shù)據轉換和變化過程可知,運行仿真系統(tǒng)開展試驗或考核時,艦艇平臺需按設定的航向角航行。

1.3.2 外彈道數(shù)據與威脅目標數(shù)據的一致性

所謂命中判別,即求彈目交會是否會發(fā)生(彈丸飛行的外彈道與威脅目標航路在空間位置上能否相遇或接近相遇)。因此,經計算解出的彈丸外彈道航路某時刻的空間位置(一般用相對穩(wěn)定直角坐標系表示),需變換為威脅目標理論航路使用的坐標系下進行比對。

解算彈丸外彈道需以炮口中心為坐標原點,其軸、X軸、Z軸的指向與相對穩(wěn)定直角坐標系一致,僅XY平面由水平面變換為炮口平面。因此,利用公式(1)將威脅目標航路數(shù)據由極坐標數(shù)據轉換為直角坐標數(shù)據;計算得出相對穩(wěn)定直角坐標系下直角彈丸的外彈道數(shù)據,利用公式(2)(此時,公式中C1=[1,1,1])進行坐標變換即可。

問題在于艦炮射擊時,艦艇處于運動狀態(tài)下,數(shù)據錄取解算設備記錄的彈丸擊發(fā)瞬間的火炮射擊諸元(射擊方位角和射擊俯仰角)是包含搖擺量信息的不穩(wěn)定射擊諸元。對于在計算彈丸外彈道航路時,是否需將不穩(wěn)定射擊諸元轉換為穩(wěn)定射擊諸元使用,目前尚有爭議,本文是直接采用不穩(wěn)定射擊諸元進行外彈道解算。

2 命中判別模型

在艦炮系統(tǒng)對目標求解射擊命中時,一般假定預測彈丸在目標航路的未來點與目標相遇,利用外彈道方程求解射擊諸元。

而在仿真系統(tǒng)中的命中判別,是在假定有完整的威脅目標航路數(shù)據和艦炮射擊諸元數(shù)據的前提下,計算得出每發(fā)彈丸的外彈道飛行航路數(shù)據,根據同一時刻目標和彈丸在空間的相對位置比對,若在一定閾值內,則判定為命中。

命中判別模型如圖2所示。

仿真系統(tǒng)的命中判別模型中,彈丸默認為一個質心點,目標根據不同的類型(飛機、導彈等)簡化為與其外形尺寸相當?shù)膱A柱體,而威脅目標航路數(shù)據均默認為其幾何中心數(shù)據。

若希望得到更真實的結果數(shù)據,目標航路和彈丸外彈道航路的數(shù)據周期需設定為更合適的數(shù)值,其取值應均衡考慮目標飛行速度、彈丸飛行速度和目標外形尺寸參數(shù)等相關信息。

3 毀傷評估原理

本文主要闡述的是彈目交會方式下的目標毀傷評估,即根據艦炮射擊時刻記錄的數(shù)據信息(初速、諸元、氣象等),計算彈丸外彈道軌跡,與目標的理論飛行位置比對,得出彈丸與目標的交會情況,即本文闡述的命中判別結果。

當經前文所述的命中判別模型做出命中判定時,根據所設定的目標類型不同,彈丸對目標的毀傷評估原理也不相同。針對本文中艦炮系統(tǒng)打擊的空中典型目標一般選擇飛機或反艦導彈。艦炮彈丸毀傷目標的方式一般有預置破片毀傷和直接動能毀傷等,本文闡述的毀傷效果評估僅針對直接動能毀傷方式,預置破片毀傷屬于面殺傷方式的范疇,不在本文論述范圍內。

對飛機類目標的毀傷評估,按照目前一般情況下艦炮射擊的彈丸初速、彈丸材質及飛機殼體材料等因素,一般認為對飛機類目標“命中即毀傷”,命中飛機上多個部位的毀傷效果基本等效。本批次射擊結束后,統(tǒng)計計算多發(fā)命中彈丸總的命中毀傷概率即可。

對反艦導彈的毀傷評估模型中,一般將目標分成若干要害部位,艦炮射擊的彈丸命中不同要害部位,造成的毀傷程度不同,單發(fā)毀傷概率也不同。一般將反艦導彈劃分為整流罩、戰(zhàn)斗部、發(fā)動機、助推器等,在目標處于不同的相對我艦位置,彈丸命中同一部位的毀傷效能也不一樣,如彈丸分別在距我艦10 km和1 km處命中目標助推器部位,造成的毀傷效能差別較大。

當判定彈丸命中導彈目標后,計算彈著點與目標幾何中心的位置偏差,然后根據目標的飛行姿態(tài)和簡化后的圓柱模型,確定彈著點的部位,并根據彈著點部位判定結果記錄毀傷概率數(shù)據。本批次射擊的所有彈丸單發(fā)毀傷概率統(tǒng)計完成后,計算總的命中毀傷概率,計算時,需注意同部位多發(fā)命中時的毀傷消除效應。

4 與真實打靶效果的差異性分析

在利用本文所述的半實物仿真系統(tǒng)開展對艦炮系統(tǒng)打擊空中目標的命中判別與毀傷評估研究工作時,除戰(zhàn)場環(huán)境、威脅目標信號和未發(fā)生實彈射擊外,其他工作全部由艦炮系統(tǒng)按實際工作場景運行,與真實空中目標打靶相比,差異性主要在于以下幾個方面:

1)目標搜索傳感器和目標跟蹤傳感器的部分前端分機或部件未參與到仿真系統(tǒng)工作過程中,其狀態(tài)會導致仿真系統(tǒng)與真實系統(tǒng)的差異,但差異在于系統(tǒng)能否穩(wěn)定搜索和跟蹤目標,滿足射擊條件,與命中判別和毀傷評估關系不大。

2)在仿真系統(tǒng)命中判別模型中,計算彈丸外彈道時,因未發(fā)生實彈射擊,無法測量彈丸初速數(shù)據,因此火控解算和命中判別解算均使用理論初速值進行解算,與實際系統(tǒng)稍有偏差。

3)在仿真系統(tǒng)命中,火控系統(tǒng)解算時會考慮艦炮本身的射擊誤差信息,但判別模型中計算彈丸外彈道時,全部以炮口中心位置為基準點,與實際系統(tǒng)稍有偏差。

5 結束語

如上所述,本文描述的半實物仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)運行仍存在些許差異,但在目前對艦炮系統(tǒng)打擊空中目標的性能考核沒有更適宜手段的前提下,采用半實物仿真環(huán)境來完成命中判別和毀傷評估,仍不失為一種選擇。并且通過采用豐富數(shù)據來源、進一步加強研究等手段,優(yōu)化命中判別模型和毀傷評估模型,可使得仿真系統(tǒng)更逼近于實際系統(tǒng),其應用領域也將更為廣泛。