白曉煊

（91404部隊(duì) 秦皇島 066000）

1 引言

水面艦艇演訓(xùn)任務(wù)中，尤其是占比最大的實(shí)兵實(shí)裝非實(shí)彈訓(xùn)練，對交戰(zhàn)行動(dòng)的實(shí)時(shí)裁決依賴性很大。沒有裁決結(jié)果不足以支撐對水面艦艇在實(shí)際作戰(zhàn)中將要面臨的難局和險(xiǎn)況的真實(shí)呈現(xiàn)，最終導(dǎo)致訓(xùn)練與作戰(zhàn)脫節(jié)，實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練層次難以躍升、訓(xùn)練目的難以達(dá)成［1］。因此，交戰(zhàn)裁決系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能夠最大限度提升訓(xùn)練效益。

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 信息獲取

實(shí)時(shí)接收威脅目標(biāo)信息、平臺(tái)信息、武器抗導(dǎo)信息（目指信息、武器射擊諸元信息等）和水文氣象信息。

2.2 射擊時(shí)機(jī)與諸元有效性評判

當(dāng)接收導(dǎo)彈發(fā)射命令時(shí)，根據(jù)靶機(jī)的位置、速度、高度等信息以及艦空導(dǎo)彈性能參數(shù)信息推算導(dǎo)彈射擊諸元參數(shù)的取值范圍，據(jù)此判斷艦空導(dǎo)彈射擊時(shí)機(jī)與諸元的有效性。

2.3 飛行彈道模擬于彈目交匯評判

模擬艦空導(dǎo)彈發(fā)射、控制等攔截過程，根據(jù)空中靶標(biāo)飛行航跡和模擬導(dǎo)彈軌跡評判彈目交匯可能性。

2.4 艦炮彈道仿真

根據(jù)艦炮目指信息和射擊諸元信息，針對艦炮武器彈道特點(diǎn)，分別采用射表逼近函數(shù)、彈道積分的方式模擬炮彈（密集陣）飛行軌跡，艦炮出管的射擊偏差符合彈丸散布特性。

2.5 艦炮攔截效果評判

根據(jù)炮彈彈道仿真結(jié)果與模擬導(dǎo)彈目標(biāo)（靶機(jī)）飛行航跡計(jì)算彈目交會(huì)結(jié)果（彈丸脫靶量），判定艦炮抗導(dǎo)交戰(zhàn)結(jié)果。

2.6 結(jié)果顯示

以二維態(tài)勢圖（相對/絕對）方式顯示交戰(zhàn)過程，標(biāo)繪顯示艦空導(dǎo)彈允許發(fā)射區(qū)和有效殺傷區(qū)，以圖表方式顯示目標(biāo)信息、平臺(tái)信息、艦空導(dǎo)彈抗導(dǎo)信息和水文氣象信息等。

以二維態(tài)勢圖（相對/絕對）的方式顯示戰(zhàn)場態(tài)勢，以曲線圖的方式顯示炮彈距離脫靶量和方位脫靶量數(shù)據(jù)，以表格形式顯示接收的目標(biāo)信息、平臺(tái)信息、艦炮抗導(dǎo)信息和水文氣象信息等對抗雙方信息等。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 艦空導(dǎo)彈模擬交戰(zhàn)裁決

3.1.1 裁決流程

裁決內(nèi)容包括：1）目標(biāo)指示及時(shí)性、正確性；2）導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)效性；3）射擊諸元解算準(zhǔn)確性；4）有效發(fā)射區(qū)匹配性；5）彈目交匯可能性。

裁決流程如下：

1）裁決軟件初始化后進(jìn)入裁決待機(jī)狀態(tài)；

2）在仿真引擎的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行模型實(shí)時(shí)解算及信息交互；

3）接收靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，并在進(jìn)行虛實(shí)目標(biāo)映射，以靶標(biāo)真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)影子目標(biāo)模型在仿真坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)；

4）通過艦上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接收來自指控系統(tǒng)的雷達(dá)目標(biāo)信息、綜合導(dǎo)航信息、火力兼容信息、作戰(zhàn)模式指令、目標(biāo)指示信息、作戰(zhàn)干預(yù)指令等信息；

5）武器控制系統(tǒng)模型進(jìn)行相關(guān)攔截解算，當(dāng)滿足發(fā)射條件時(shí)向?qū)椖Ｐ桶l(fā)送發(fā)射令，通過艦上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)向指控系統(tǒng)反饋本系統(tǒng)攔截狀態(tài)信息，待彈目遭遇后，武器控制系統(tǒng)模型反饋攔截結(jié)果信息。

3.1.2 結(jié)果呈現(xiàn)

二維圖表展示分為四個(gè)區(qū)，分別采用態(tài)勢圖、表格、曲線圖、狀態(tài)燈等形式進(jìn)行展示。二維圖表展示效果如圖1所示。

圖1 艦空導(dǎo)彈抗導(dǎo)模擬交戰(zhàn)圖表顯示

畫面左上方為態(tài)勢展示區(qū)，用來顯示艦空導(dǎo)彈的殺傷區(qū)和允許發(fā)射區(qū)；右上方為表格展示區(qū)，主要顯示艦空導(dǎo)彈、靶機(jī)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)；中間區(qū)域?yàn)榍€圖展示區(qū)，顯示艦空導(dǎo)彈彈道曲線；最下方區(qū)域?yàn)闋顟B(tài)燈展示區(qū)，用來顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、艦空導(dǎo)彈射擊時(shí)機(jī)與諸元的有效性評定結(jié)果等信息。

3.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）允許發(fā)射區(qū)解算

在實(shí)兵實(shí)裝非實(shí)彈訓(xùn)練中，引入艦空導(dǎo)彈“允許發(fā)射區(qū)”評判概念，即：根據(jù)射擊射擊殺傷傷區(qū)的近界和遠(yuǎn)界，按照最早和最遲發(fā)射在目標(biāo)區(qū)映射出一個(gè)靶標(biāo)活動(dòng)區(qū)，只有當(dāng)來襲目標(biāo)處于該區(qū)范圍內(nèi)按下發(fā)射按鈕，判定為一次有效發(fā)射。

允許發(fā)射區(qū)的形狀和大小與目標(biāo)的速度、機(jī)動(dòng)性能、殺傷區(qū)的形狀和大小、導(dǎo)彈飛至殺傷區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的時(shí)間等因素有關(guān)，通常以發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界、近界、高界、低界和側(cè)界等特征參數(shù)來表示［2］。艦空導(dǎo)彈水平發(fā)射區(qū)的形狀如圖2所示。

圖2 艦空導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)示意圖

允許發(fā)射區(qū)計(jì)算方法：發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)，目標(biāo)中心所在的點(diǎn)稱為目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)，設(shè)作等速平直臨近飛行的目標(biāo)飛到A0點(diǎn)時(shí)發(fā)射導(dǎo)彈（按“發(fā)射”按鈕），目標(biāo)飛到A 點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)彈與目標(biāo)相遇，A 點(diǎn)就是遭遇點(diǎn)，A相對應(yīng)的發(fā)射點(diǎn)，即目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)。

如果從按下“發(fā)射”按鈕到導(dǎo)彈飛到A 點(diǎn)的時(shí)間為td，則發(fā)射點(diǎn)A0到相遇點(diǎn)A的距離d可用下式計(jì)算：

式中，td=tfs+tfx。tfs為從按下“發(fā)射”按鈕到導(dǎo)彈出筒的時(shí)間。tfx為導(dǎo)彈出筒到與目標(biāo)相遇所需時(shí)間，即導(dǎo)彈飛行時(shí)間。

則A點(diǎn)沿目標(biāo)速度反方向平移距離d即可得到遭遇點(diǎn)A相對應(yīng)的目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)A0。

用求A0點(diǎn)相同的方法可求得殺傷區(qū)邊界上所有點(diǎn)B、C、D、E、G…，相對應(yīng)的目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)B0、C0、D0、E0、G0，…，用圓滑的曲線連接各目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)，則此曲線所包圍的區(qū)域即為發(fā)射區(qū)。

1）發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界

式中：Dsy為殺傷區(qū)遠(yuǎn)界；tyd為艦空導(dǎo)彈到達(dá)殺傷區(qū)遠(yuǎn)界所需的飛行時(shí)間；H為目標(biāo)飛行高度；P為目標(biāo)航路捷徑；vm為目標(biāo)速度。

2）發(fā)射區(qū)近界

式中：Dsj為殺傷區(qū)近界；tdj為首發(fā)艦空導(dǎo)彈飛抵殺傷區(qū)近界所需的時(shí)間。

3）發(fā)射區(qū)縱深

在目標(biāo)高度和航路捷徑一定時(shí)，發(fā)射區(qū)遠(yuǎn)界點(diǎn)與近界點(diǎn)之間的距離稱為此高度和航路捷徑上的發(fā)射區(qū)縱深，用hf表示，如圖3中的就是高度為Hi、航路捷徑P=0 時(shí)的垂直發(fā)射區(qū)縱深。從圖中可見：

圖3 艦炮武器抗導(dǎo)模擬交戰(zhàn)二維示意圖

式中，tdy，tdj分別是從按下“發(fā)射”按鈕到導(dǎo)彈飛到殺傷區(qū)遠(yuǎn)、近界的時(shí)間。

3.2 艦炮模擬交戰(zhàn)裁決

3.2.1 裁決流程

裁決內(nèi)容：1）目標(biāo)指示及時(shí)性、正確性；2）艦炮射擊時(shí)效性；3）射擊諸元解算準(zhǔn)確性；4）彈丸散布攔截目標(biāo)可能性。

裁決流程如下：艦炮抗導(dǎo)抗導(dǎo)模擬交戰(zhàn)臺(tái)開機(jī)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，運(yùn)行艦炮抗導(dǎo)交戰(zhàn)模擬軟件后完成初始化處理（主要包括變量初始化等），根據(jù)接收的艦炮抗導(dǎo)信息，對艦炮彈丸的外彈道和散布特性進(jìn)行仿真。同時(shí)對接收到靶機(jī)信息進(jìn)行處理，得到靶機(jī)的位置信息，在此基礎(chǔ)上，對彈丸和目標(biāo)的交會(huì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而評判艦炮抗導(dǎo)結(jié)果。

3.2.2 結(jié)果呈現(xiàn)

二維展示分為四個(gè)區(qū)，分別采用態(tài)勢圖、表格、曲線圖、狀態(tài)燈等形式進(jìn)行展示，如圖3所示。

畫面態(tài)勢展示區(qū)，用來顯示戰(zhàn)場態(tài)勢及彈丸落點(diǎn)；右上方為曲線展示區(qū)，可通過切換標(biāo)簽頁的方式來顯示彈丸距離、方位角誤差曲線以及艦炮彈丸、靶機(jī)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)；中間區(qū)域?yàn)楸砀裾故緟^(qū)，用來顯示艦炮武器發(fā)射彈丸數(shù)、命中彈丸數(shù)等；最下方區(qū)域?yàn)闋顟B(tài)燈展示區(qū)，用來顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、艦炮武器狀態(tài)及打擊結(jié)果等信息。

3.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

艦炮抗導(dǎo)訓(xùn)練時(shí)，由于不進(jìn)行實(shí)彈射擊，如何根據(jù)實(shí)裝射擊參數(shù)和靶機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對彈目交會(huì)結(jié)果進(jìn)行估計(jì)是抗導(dǎo)效果判定的關(guān)鍵。由于艦艇運(yùn)動(dòng)、偏航、搖擺以及彈道坐標(biāo)的特殊要求，導(dǎo)致艦炮彈丸外彈道仿真過程復(fù)雜；同時(shí)，由于艦炮火控解算周期短、連射速度高，短時(shí)間內(nèi)仿真出密集彈丸的彈道是需要解決的技術(shù)難題［3］。另外，基于仿真的艦炮彈丸位置信息以及采集的靶機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)時(shí)估算碰撞并得出彈目交會(huì)結(jié)果，也是難點(diǎn)之一。下面就艦炮外彈道仿真、艦炮彈丸與靶機(jī)交會(huì)結(jié)果評判兩方面技術(shù)難題給出技術(shù)解決途徑。

1）彈丸外彈道仿真

（1）彈丸初始參數(shù)的獲取

彈丸的初始參數(shù)包括射擊諸元γ、φ和初始速度Vj0。在訓(xùn)練時(shí)需要采集火炮的瞄準(zhǔn)架位、射擊信號以獲取第j發(fā)彈丸在甲板坐標(biāo)系中的射擊諸元γbj、φbj，再根據(jù)本艦姿態(tài)數(shù)據(jù)ψ、θ計(jì)算彈丸在艦艇地理坐標(biāo)系的射擊諸元γj、φj，彈丸初始速度由彈丸標(biāo)準(zhǔn)初始速度和基于彈丸序號的初速分布數(shù)據(jù)隨機(jī)生成［4］。

（2）射表逼近函數(shù)方法

使用射表逼近函數(shù)方法進(jìn)行外彈道仿真的基本方法為：首先使用外彈道射表建立逼近函數(shù)，仿真時(shí)先用逼近函數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)彈道氣象條件下的彈丸位置，再根據(jù)實(shí)際氣象條件對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，得到彈丸位置。其中標(biāo)準(zhǔn)彈道氣象條件包括：彈丸標(biāo)準(zhǔn)初速V00，標(biāo)準(zhǔn)氣壓P0=1000 百帕，標(biāo)準(zhǔn)氣溫T0=15℃，無風(fēng)，不考慮偏流；對空射表逼近基本模型：

式中，B為射表逼近系數(shù)數(shù)組，為一維16 元數(shù)組，對應(yīng)不同參數(shù)計(jì)算時(shí)為不同的數(shù)組，以下分別用Bk表示，x、y為自變量。

標(biāo)準(zhǔn)的彈道氣象條件下tf時(shí)刻彈丸位置參數(shù)：水平距離d0，高度h0，斜距離D0，有：

在實(shí)際的彈道氣象下tf時(shí)刻彈丸位置參數(shù)：水平距離d，舷角q，高度h，有：

其中，Δd、Δh為實(shí)際條件下彈丸相對于標(biāo)準(zhǔn)條件下的距離偏差量、高度偏差量，PL為偏流；有以下等式：

（3）計(jì)算地理系彈丸位置坐標(biāo)

彈丸相對于射擊時(shí)刻炮口位置的艦艇坐標(biāo)系距離、舷角、高低D、q、ε坐標(biāo)：

將彈丸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到以艦艇搖擺不動(dòng)點(diǎn)為原點(diǎn)的北東直角坐標(biāo)系中：

其中(xP,yP,hP)τ為火炮回轉(zhuǎn)中心相對于艦艇搖擺不動(dòng)點(diǎn)中的位置基線。

2）彈目交會(huì)估算

彈目交會(huì)估算主要求解彈丸在接近靶機(jī)時(shí)的最小距離（CPA），其計(jì)算方法如圖4所示，當(dāng)仿真過程中計(jì)算彈丸的時(shí)間周期足夠小時(shí)，可以認(rèn)為在連續(xù)兩次計(jì)算過程中彈丸彈道為直線模型，計(jì)算過程將空中目標(biāo)簡化為點(diǎn)目標(biāo)考慮。

圖4 彈目交會(huì)計(jì)算原理

計(jì)算CPA的向量方程可表示為

其中下標(biāo)XYZ表示三個(gè)方向上的合成向量，上式中相對速度向量值：

相對速度絕對值：

位置偏差向量值：

其中（S、T分別表示彈丸和目標(biāo)）：

相交乘積可以通過下列行列式計(jì)算得到：

彈目交會(huì)最小距離最終結(jié)果還應(yīng)考慮目標(biāo)的尺寸，空中目標(biāo)可簡化考慮為等效半徑，即由上述過程計(jì)算結(jié)果減去空中目標(biāo)等效半徑即為彈目交會(huì)估算最終結(jié)果。

4 結(jié)語

本文研究了水面艦艇硬武器模擬交戰(zhàn)裁決系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并已經(jīng)完成了系統(tǒng)的研制開發(fā)工作，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)?zāi)軌蛟谥眯哦葍?nèi)裁決水面艦艇艦空導(dǎo)彈和艦炮的抗擊效果。