艦艇防御評估的標準仿真結(jié)構(gòu)

夏全國

(中國人民解放軍92941 部隊94 分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

從2000 年開始，美國海軍艦艇防御戰(zhàn)斗系統(tǒng)的工程人員已經(jīng)開始為艦艇戰(zhàn)斗系統(tǒng)作戰(zhàn)防御進行評估方法的研究。艦艇防御系統(tǒng)性能的關(guān)鍵效能指標是防御毀傷概率。防御毀傷概率評估是將戰(zhàn)斗系統(tǒng)作為一個整體確定為評估標準，同時衡量各種傳感器、控制系統(tǒng)以及參戰(zhàn)人員作為一個作戰(zhàn)單位合起來的性能。由于種種原因，如技術(shù)、安全及成本，艦艇防御戰(zhàn)斗系統(tǒng)性能的評估，特別是防御毀傷概率在測試場地仍無法解決。建立艦艇防御毀傷概率評估方法就是使用建模與仿真的突出作用解決這些問題。

1 防御系統(tǒng)效能

艦艇防御毀傷概率是艦艇防御的關(guān)鍵技術(shù)指標。然而，評定防御系統(tǒng)效能有很多種目標。這些多個目標證明了這樣的事實:完成防御毀傷概率值的生成方法最為重要。

1)提供滿足作戰(zhàn)試驗與評估需要的防御毀傷概率艦艇級別的結(jié)果;

2)作為輸入?yún)?shù)為戰(zhàn)斗提供系統(tǒng)能力與限制條件;

3)向艦艇防御戰(zhàn)斗系統(tǒng)人員提供戰(zhàn)斗系統(tǒng)性能洞察力。

第一個目標，通過一種恰當?shù)姆绞?，防御毀傷概率評定過程是提供防御毀傷概率對于艦艇級別的結(jié)果，以滿足作戰(zhàn)測試與評估。第二個目標是作為輸入對艦隊戰(zhàn)術(shù)開發(fā)提供系統(tǒng)作戰(zhàn)能力，即:幫助指戰(zhàn)員清楚如何進行艦艇防御。第三個目標，評定過程是向艦艇防御系統(tǒng)戰(zhàn)斗決策人員提供對戰(zhàn)斗的洞察力。這個洞察力結(jié)合到戰(zhàn)斗系統(tǒng)性能操作者手中可能就是最重要的目標，使它能夠面對未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，解決所面臨的威脅。

2 艦艇防御評估的通用仿真結(jié)構(gòu)

艦艇防御毀傷概率評定過程是一個半實物仿真試驗過程，在點對點通訊的艦艇防御體系中只能在仿真聯(lián)邦內(nèi)部計算。該過程執(zhí)行需要有效的仿真體系結(jié)構(gòu)定義與一套完整的仿真試驗標準;即防御毀傷概率仿真測試系統(tǒng)與武器仿真試驗規(guī)程。其中防御毀傷概率評定的仿真架構(gòu)是以下面原則為基礎(chǔ)建立的。

2.1 防御毀傷概率評估將使用分布式、可交互的仿真

防御毀傷概率評估不能靠單一的計算機完成仿真，而是需要一套以綜合艦艇、戰(zhàn)斗系統(tǒng)組成、威脅目標等多條件為要素的仿真。仿真系統(tǒng)中的各設(shè)備單機將不按順序，進行分布式的獨立運行。作戰(zhàn)評估的逼真度要求不被仿真交互性所影響。而是通過建立一套仿真試驗網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各個設(shè)備在一定周期內(nèi)合作運行。整套仿真系統(tǒng)工作的單一仿真程序執(zhí)行將決定單一艦艇對抗單一威脅偷襲目標的防御效果。多套程序執(zhí)行仿真將決定防御毀傷概率評估結(jié)果。在程序運行期間各線程的進展將由運行支撐結(jié)構(gòu)控制，以達到維持體系結(jié)構(gòu)安全的完整性。另外，對于作戰(zhàn)評估的仿真程序而言，必須允許在一定的運行時間內(nèi)程序執(zhí)行率比實時多線程運算的仿真要慢。同時這些仿真模型的接口應(yīng)該遵守武器系統(tǒng)試驗前擬定的接口協(xié)議，以便形成聯(lián)邦對象模型與聯(lián)邦協(xié)議。特殊應(yīng)用的防御系統(tǒng)效能與協(xié)議文件的制定應(yīng)該通過武器系統(tǒng)仿真試驗的工程技術(shù)人員按照一定的程序來完成。

2.2 目標威脅與判斷的通用性將通過仿真系統(tǒng)的時空一致性來實現(xiàn)

聯(lián)邦開發(fā)與執(zhí)行程序提倡創(chuàng)建一套通用仿真測試系統(tǒng)的對象模型，也可稱作仿真系統(tǒng)工程概念模型。它要能夠識別所有的威脅目標與影響防御系統(tǒng)效能的任何戰(zhàn)場自然環(huán)境情況。這樣統(tǒng)一定義的物理模型特性必須運行到系統(tǒng)仿真試驗中。這些單個仿真成分的計算分配將較靈活地適用于繼承使用與運行時間效率，不會破壞統(tǒng)一系統(tǒng)工程的整體性。因此，只要一體化的威脅要素在運行時間期間最終實現(xiàn)，威脅目標要素的各個方面可能分布于戰(zhàn)斗系統(tǒng)單元仿真中，例如，影響威脅雷達信號的威脅天線和實物定向，可能在某一仿真中實現(xiàn)，而其他威脅的數(shù)據(jù)就在一部雷達仿真內(nèi)所獨有，只要雷達仿真能識別仿真中天線/實物定向計算的變化。相似地，假如由其他恰如其分的單元仿真所引起的變化是一致且可識別的，自然環(huán)境條件的影響可能在單獨單元仿真的運行期間平行地計算。

2.3 系統(tǒng)通信接口設(shè)計要規(guī)范

戰(zhàn)術(shù)指揮系統(tǒng)對仿真系統(tǒng)的接口需要規(guī)范、統(tǒng)一。比如，試驗指揮中心艦艇到防御系統(tǒng)應(yīng)該如同艦艇上一樣，作用到防御毀傷概率的戰(zhàn)場范圍。這樣做的目的是為了避免再次對已經(jīng)存在且在隨之產(chǎn)生的系統(tǒng)仿真接口內(nèi)部建立的置信度重新建立接口定義。另外，軟件測試可能利用現(xiàn)有的與綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)或成像和顯示設(shè)備相匹配的診斷工具來改進。這些系統(tǒng)間的通信要求服從仿真系統(tǒng)試驗接口。同時，整個仿真系統(tǒng)試驗接口沒有必要在逐個接口上進行封裝，只考慮影響防御毀傷概率的即可。

2.4 系統(tǒng)的交互作用以物理特性為基礎(chǔ)

在艦艇防御系統(tǒng)中，對于體系結(jié)構(gòu)內(nèi)的所有要素必須執(zhí)行，并適當?shù)姆从乘霈F(xiàn)的其他系統(tǒng)的影響與作用。在以體系結(jié)構(gòu)為支撐的防御系統(tǒng)試驗中要引入具有威脅的突襲目標，而不是一個接一個地參戰(zhàn)。同時還要有充分的細節(jié)來表示其交互性，以證明作戰(zhàn)評估是完全可以信賴的。這將使運行的執(zhí)行時間速度比實時慢，同時還要應(yīng)該適應(yīng)物理特性為基礎(chǔ)的高密度計算，所以，仿真要讓執(zhí)行運行時間管理的速率比實際慢。

3 防御毀傷概率仿真測試系統(tǒng)組成與功能

近年來，隨著計算機軟、硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化水平的不斷提升，艦艇防御武器系統(tǒng)試驗手段得到很大提高，特別是對一些邊界特性試驗的分析和評估越來越朝著虛實合成試驗體系方向發(fā)展。防御毀傷概率評估仿真測試系統(tǒng)的基本目的是創(chuàng)建一種可運行的仿真結(jié)構(gòu)來滿足基本要求，為艦載武器系統(tǒng)防御毀傷概率評估方法提供可實踐的平臺，并且將為艦艇防御毀傷概率評估方法的頂層設(shè)計拓展思路。

3.1 防御毀傷概率評估仿真測試系統(tǒng)組成

防御毀傷概率評估仿真測試系統(tǒng)組成主要包括:操控顯示分系統(tǒng)、戰(zhàn)情仿真分系統(tǒng)、評估處理分系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口分系統(tǒng)、光電跟蹤模擬器、搜索雷達模擬器、跟蹤雷達模擬器、數(shù)字仿真分系統(tǒng)、GPS 時統(tǒng)、設(shè)備電纜。系統(tǒng)軟件包括:支持軟件Windows 2000、Windows XP;程序設(shè)計語言:VC++6.0、RTX 軟件。應(yīng)用軟件:操控顯示應(yīng)用軟件、戰(zhàn)情仿真應(yīng)用軟件、搜索雷達模擬應(yīng)用軟件、數(shù)字仿真應(yīng)用軟件、光電模擬應(yīng)用軟件、跟蹤雷達模擬應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽應(yīng)用軟件、評估處理應(yīng)用軟件等。

3.2 防御毀傷概率評估仿真測試系統(tǒng)功能

1)目標態(tài)勢仿真

多目標戰(zhàn)場態(tài)勢仿真、多目標戰(zhàn)場態(tài)勢目標初始參數(shù)輸入及仿真驅(qū)動、空海岸目標航路模擬、仿真輸出水面、空中和岸上目標航路真值數(shù)據(jù)。

2)目標航路噪聲仿真

空中目標在水平方向和垂直方向分別或同時疊加擾動，水面目標在垂直方向上考慮艦船升沉疊加擾動，擾動初始參數(shù)可配置。

3)艦艇防御系統(tǒng)通信報文仿真

根據(jù)運行需要仿真艦艇防御系統(tǒng)火控目指、火控諸元、發(fā)射器架位以及捷聯(lián)等通信報文。

4)外場真實目標航路復現(xiàn)

使用真值設(shè)備的目標航路數(shù)據(jù)或艦艇防御系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)處理后作為仿真目標航路真值驅(qū)動艦艇防御武器系統(tǒng)工作。

5)數(shù)據(jù)錄取功能

實時監(jiān)聽錄取艦艇防御武器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息。在外場試驗或半實物仿真試驗時，通過網(wǎng)絡(luò)交換機監(jiān)聽口實時監(jiān)聽錄取搜索雷達點跡/航跡、火控目指、雷達目標跟蹤數(shù)據(jù)、光電目標跟蹤數(shù)據(jù)、火控諸元、發(fā)射器架位以及捷聯(lián)報文信息。

6)時間同步功能

使用配置的GPS 時統(tǒng)設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部時間同步;由GPS 時統(tǒng)設(shè)備對接入的試驗時統(tǒng)時間同步B 信號解調(diào)輸出B 碼時間、1 s 時間同步脈沖和10 ms(或20 ms)時間同步脈沖實現(xiàn)與艦艇防御武器系統(tǒng)各設(shè)備同步。

7)數(shù)據(jù)處理功能

評估搜索雷達點跡/航跡精度、火控目指精度、雷達跟蹤精度、光電跟蹤精度、火控諸元精度、發(fā)射器架位以及捷聯(lián)精度;評估全系統(tǒng)反應(yīng)時間、跟蹤雷達反應(yīng)時間、光電反應(yīng)時間、情報和火控反應(yīng)時間。

8)仿真試驗精度和反應(yīng)時間評估

根據(jù)仿真試驗類型，評估搜索雷達點跡精度、火控目指精度、雷達跟蹤精度、光電跟蹤精度數(shù)據(jù)、火控諸元精度以及發(fā)射器架位精度數(shù)據(jù);評估全系統(tǒng)反應(yīng)時間、跟蹤雷達反應(yīng)時間、光電反應(yīng)時間、情報和火控反應(yīng)時間。

9)數(shù)據(jù)管理、存儲及驅(qū)動功能

將監(jiān)聽的防御武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，接收目標、搖擺臺真值數(shù)據(jù)和評估結(jié)果數(shù)據(jù)按要求存入數(shù)據(jù)文件進行管理，并可根據(jù)需要提取外場航路真值，驅(qū)動被試系統(tǒng)進行試驗。

10)人機交互功能

具有參數(shù)裝定、運行控制、態(tài)勢顯示、狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)顯示功能。

4 防御毀傷概率仿真測試系統(tǒng)仿真試驗實例

小口徑艦炮武器系統(tǒng)是水面艦艇近程反導防御的最后一道防線，肩負著最后毀傷來襲導彈的重要使命任務(wù)。其毀傷概率是在給定射擊條件下，射彈毀傷目標可能性大小的量度，取決于武器性能、彈藥威力、戰(zhàn)斗或射擊條件、導彈的防護能力等因素。艦炮武器系統(tǒng)最終目的是為了使射出彈丸命中并摧毀目標，因此，在艦炮武器系統(tǒng)外場試驗中考核對目標的毀傷概率尤為重要。為了使考核結(jié)果可信，需要進行充分的外場試驗，不過，由于靶標特性、測量安控保障能力以及經(jīng)費、周期等方面的限制，射擊試驗難以充分進行，即使進行充分試驗，目標是否毀傷有時也不易判別。因此，防御毀傷概率仿真測試系統(tǒng)仿真試驗應(yīng)運而生。

下面選取某型艦炮武器系統(tǒng)跟蹤靶標的動態(tài)精度數(shù)據(jù)和靶標的參數(shù)，全航路l 門艦炮對1 個靶標毀傷概率進行仿真。

1)首先抽取某型艦炮跟蹤某型靶標一航次的動態(tài)精度數(shù)據(jù)。根據(jù)火控解算程序計算單位氣象條件改變下，彈丸在水平距離和高度上的改變量，即計算fhv0、fdv0、fhp、fhv0、fdp、fhwd、fdwd。

2)測定靶標前、側(cè)和仰視面積為Ax、Ay、Az，根據(jù)目標飛行航路和彈丸存速計算靶標在x 坐標系上的命中域。

3)計算動態(tài)精度、氣象準備誤差和彈丸散布誤差在X坐標系的脫靶量。

4)設(shè)定艦炮射速、開火距離、?；鹁嚯x和每航次射彈數(shù)。

5)初始確定仿真次數(shù)N0，對該航次進行仿真。

仿真次數(shù)達到要求后，根據(jù)置信系數(shù)和毀傷概率計算值修訂仿真次數(shù)N1，直到滿足要求。在射彈數(shù)和射速等射擊條件一定的情況下，不同開火距離毀傷概率變化如下:在捷徑一定的情況下，開火距離越近毀傷概率越高，但是隨著目標接近我艦，也會對我艦造成很大的威脅，需要選擇一個合適的開火點，使得既要給予目標以有效打擊，又要避免我方更大損失。

在射擊距離和射速等射擊條件一定的情況下，不同射彈數(shù)下毀傷概率變化如下，毀傷隨射彈數(shù)的增加而增大，射彈數(shù)超過1 500 發(fā)后，命中概率的增長趨緩，因此，依靠無限增加射彈數(shù)對于提高毀傷概率作用有限。況且，射彈增加，射擊時間過長，炮管過熱，會使毀傷概率降低，同時，火炮的彈鼓有限，也不可能備有太多的彈藥。在射擊距離和射彈數(shù)等射擊條件一定的情況下，不同射速下毀傷概率變化如下:隨著射速的提高毀傷概率增大，但是射速超過8 000 發(fā)/分以后，增加緩慢，甚至略有下降。因此，在一定范圍內(nèi)，射速增加能夠增大毀傷概率，但是射速太快會造成振動過大，炮管過熱膨脹，使目標毀傷概率降低。在不同航路方位和高低射角的動態(tài)精度綜合誤差情況下，仿真得到毀傷概率如下:動態(tài)精度的方位和高低均方根都較小時毀傷概率較高。反之，動態(tài)精度的方位和高低均方根都較大時毀傷概率較低。但是在動態(tài)精度單一指標較高時，命中概率不一定較高，在動態(tài)精度方位均方根達到0.28，但是高低均方根只有2.47，這一航次毀傷概率只有46.2%。

總之，射擊距離越近，毀傷概率越高;射彈數(shù)越多，毀傷概率越大。

5 結(jié)束語

艦艇防御毀傷概率評定方法使武器系統(tǒng)實現(xiàn)戰(zhàn)斗時的點對點評估，而不必通過實際事件來評估。防御毀傷概率仿真測試系統(tǒng)提供的成果與經(jīng)驗，創(chuàng)新了艦艇防御毀傷概率的評定方法標準及結(jié)構(gòu)。同時，利用艦炮武器系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)計算毀傷概率在具體試驗中進行了實踐考核，這樣能夠為艦艇防御武器系統(tǒng)試驗的組織實施提供決策依據(jù)，使得防御毀傷概率測試系統(tǒng)仿真計算艦艇防御毀傷概率具有一定的可信性。

［1］邱志明.艦炮武器系統(tǒng)分析［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1999:113-129.

［2］馮元偉，冷述振，李本任.基于動態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)的艦炮射擊精度仿真［J］.彈道學報，2007，19（1）:27-29.

［3］程健慶.仿真建模技術(shù)在新型艦炮武器系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計算機仿真，2002，19（1）:54-58.

［4］徐世錄，侯振寧.彈道導彈防御系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術(shù)，2004，26（1）:32-37.

［5］美國國防部. 美國彈道導彈防御評估報告:2010 年版［M］.武期祖，譯.出版地不詳:［出版社不詳］，2010.

［6］王薇，楊晴川.美國國防部削減導彈防御項目預算［N］.中國青年報，2009-05-08（3）.

［7］金圣彪.美國彈道導彈防御系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.導彈與航天運載技術(shù)，2009（5）:57-61.

［8］楊麗明.奧巴馬宣布美國放棄東歐導彈防御系統(tǒng)［N］.中國青年報，2009-09-18（4）.

［9］王軍生，姜青山，馬良.反艦導彈末端機動對反導艦炮的突防模型研究［J］. 海軍航空工程學院學報，2006（4）:449-451.