載艦環境仿真方法研究＊

盧 鑫 徐 武

（92941部隊93分隊 葫蘆島 125001）

1 需求分析

載艦環境信息主要包括載艦姿態、氣象、時統和目標（艦載指控系統、搜索雷達和電子偵察設備等接收或發現的目標）信息。載艦環境相關參數是導彈武器系統、艦炮武器系統和魚雷等艦載武器系統發射的重要參數。由于受布靶、掃海和安全等因素限制，導彈等武器系統試驗一般只能在相對比較理想的載艦環境下進行，且試驗樣本數有限，不能對武器系統性能進行客觀合理的評價。對在惡劣氣象條件等復雜載艦環境下的武器裝備性能考核程度還遠遠不夠。因此需要借助仿真試驗等手段來考核武器裝備性能。載艦環境仿真是仿真試驗的關鍵環節，一方面可以為仿真試驗提供不同條件下的載艦環境，完成仿真試驗，另一方面也可以為實裝提供不同條件下的載艦環境激勵，實現虛實合成試驗。這就使得許多難以實施或不能實施的試驗成為可能，最終對武器系統性能作出客觀的評定。

2 目標仿真

目標仿真主要指雷達仿真。目標數據包括各目標的經度、緯度、大地高等參數。因搜索雷達性能和環境因素的限制，對不同高度和雷達截面積的目標探測，都具有局限性，所以在搜索雷達目標探測仿真時需考慮上述因素。

2.1 目標搜索雷達視距仿真

設目標搜索雷達在自由空間探測距離（雷達截面積為定值）為RSmax，對不同高度的目標，搜索雷達因受地球曲率等影響，發現和跟蹤距離會小于RSmax。

設地球表面是平坦的，按搜索雷達天線高h（m），考慮地球為正球和大氣對電波折射的影響，搜索雷達視距與目標高度H的關系為

式中，RS為雷達的直視距離（km），h為雷達天線高度（m），H為目標飛行高度（m）。

表1 天線高15m的搜索雷達的直視距離

如某搜索雷達天線高15m，則目標高度與視距RS關系如表1所示。目標高度越低，雷達發現目標的距離越近，當H＝7m時，該搜索雷達發現目標的理論值僅為27km。

2.2 搜索雷達對不同雷達截面積目標的探測能力仿真

不同類型目標，如轟炸機、殲擊轟炸機、空地導彈、巡航導彈、武裝直升機、無人機和戰術彈道導彈等，它們的雷達截面差別很大，這將嚴重影響搜索雷達對它們的最大探測距離。

根據雷達方程：

當目標的雷達截面σ變化時，由于搜索雷達的PF、G、λ、Prmin、L不變，因而，可將雷達方程寫成：

式中，PF為發射機輸出的脈沖功率，G為天線增益系數，λ為雷達工作波長，σ為目標雷達截面積，Prmin為雷達接收機能接收的最小功率（接收機靈敏度），L為饋線和電波在空中傳播的損耗系數。

如某雷達對σ＝1m2的最大探測距離為Rmax＝100km，則得：

這樣，該雷達探測距離和目標雷達截面積的關系為

由上式可得對不同雷達截面目標，這種搜索雷達的最大探測距離如表2所示。

表2 某雷達對不同雷達截面目標的最大探測距離

3 載艦姿態仿真

載艦姿態受海雜波、艦型、航速和航向等因素影響，沒有固定規律，仿真難度較大。對收集的大量綜合導航系統數據進行統計分析，或從其圖像觀察，雖無明顯的規律可循，但是艦艇的搖擺和起伏總是圍繞某一基準做左右和上下無規律的擺動，周期也在一定的范圍內無規律的波動。

3.1 利用真實綜導數據

圖1 某型艦一級海況縱搖曲線圖

收集不同海況、不同艦型、不同航速和不同航向等條件下的綜合導航系統數據，用真實的載艦姿態數據作為仿真輸出。如圖1所示為某型艦在三級海況條件下縱搖圖，其中縱坐標表示縱搖幅度，橫坐標表示絕對時間。

3.2 利用三次諧波仿真

由于艦艇的搖擺和起伏總是圍繞某一基準做左右和上下無規律的擺動，周期也在一定的范圍內無規律的波動，因此可以考慮用正弦波進行近似替代。利用回歸分析思想，建立回歸模型：

式中，A為幅值，Ai為搖擺譜i次諧波幅值，Ti為搖擺譜i次諧波周期。將收集到的綜合導航系統數據帶入上述回歸模型，求出Ai和Ti即可。

4 時統設備仿真

利用GPS或BD進行仿真。在設備上配置GPS或BD時統卡。GPS／BD時統卡根據GPS／BD天線接收GPS／BD衛星信號進行解碼獲得標準時間后，將代表準確秒時刻的準秒脈沖通過時統電纜向各節點設備發送，各節點設備通過用戶時統卡在接收準秒脈沖的同時通過時統電纜向外轉發。各節點通過GPS／BD時統、用戶時統卡和時統電纜構成的網絡完成準秒脈沖的實時傳遞。GPS／BD時統卡在發送準秒脈沖后通過中斷信號通知時統設備仿真軟件，按仿真配置中規定的報文格式組織網絡時碼報文（包含準秒脈沖時刻的準確的時、分、秒數據），并通過網絡電纜向各節點發送。

5 其它系統的互聯

載艦環境仿真系統作為仿真實驗室的一部分與實驗室其它系統互聯時，可以采用網絡數據傳輸協議TCP／IP，通過網絡交換機與其它系統進行信息交互。當為導彈火控系統實裝設備提供外圍環境的仿真激勵支持，構成虛擬火控系統環境和目標態勢信息時，可以采用多用途電纜（定制海軍標準網絡／串行數據插接件）與導彈火控系統實裝連接，支持火控系統完成各種（包括在實際試驗中無法實現的）條件下的作戰任務。

6 結語

載艦環境仿真意義重大，可以為艦載武器裝備仿真試驗提供外圍平臺環境，是艦載武器裝備仿真試驗的重要環節。建立比較真實的接近實戰條件的載艦仿真環境，可以通過仿真試驗完成各種不同條件下，特別是惡劣氣象條件下的試驗，可以進一步加強對武器裝備性能考核。同時，載艦環境仿真系統可以與實裝連接，為實裝提供各種邊界條件和惡劣氣象條件下的載艦環境激勵，可以加強對實裝的測試，進一步發現實裝設計中存在的缺陷和不足，對實裝進行改進和完善。

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