基于裝備試驗的戰術導彈作戰仿真建模

崔連虎

(91336 部隊，河北 秦皇島 066000)

基于裝備試驗的戰術導彈作戰仿真建模

崔連虎

(91336 部隊，河北 秦皇島 066000)

針對作戰仿真系統的可信性問題，提出了將裝備試驗和作戰仿真建模相結合的思想。以戰術導彈作戰仿真建模為例，具體分析了戰術導彈及其導引頭裝備試驗項目設計與試驗數據應用，設計了模型結構，基于裝備試驗數據修正了模型參數，基于Agent的建模思想構建了復雜電磁環境下的戰術導彈行為模型。應用結果表明：模型仿真運行結果與半實物仿真試驗結果具有較好的一致性，可直接服務于戰術級仿真推演應用。此外，模型構建思想及方法也可為靶場開展裝備作戰試驗和平行試驗研究提供新思路。

戰術導彈；裝備試驗；作戰仿真； Agent

作戰仿真是和平年代研究戰爭最為有效的手段之一[1]，近年來受到各國(地區)軍方的高度重視，但可信性問題仍然制約著作戰仿真結果的應用。作戰仿真是基于模型的試驗活動，模型的逼真度直接影響仿真結果的可信度。因此，如何建立具有較高逼真度的作戰仿真模型，提高作戰仿真結果的可信度，是作戰仿真研究人員面臨的一個關鍵性問題。

依據仿真的規模，作戰仿真可以分為4個層次，從大到小依次為戰略仿真、戰役仿真、戰術仿真和技術仿真[2-3]。在不同層次的仿真系統中，模型的精細程度不同。但對于同一裝備實體，不同精細程度的模型應具有一致性，統一于建模對象客觀存在的屬性和行為能力，這也是多分辨率建模思想的重要內涵之一。筆者在工程實踐中發現：由于作戰仿真系統建設與應用的復雜性，熟悉裝備性能、研究武器平臺層次仿真的技術人員往往不關注戰術層次的作戰仿真；研究戰術層次作戰仿真的技術人員往往不熟悉實際裝備，所構建的裝備實體模型只是一般性的基本原理描述，難以全面、準確地描述裝備屬性和能力。可以說，裝備試驗和宏觀層次的作戰仿真之間存在“脫節”現象，難以保證作戰仿真的可信性。

針對這一問題，本文借鑒平行試驗[4]的概念，提出將裝備試驗和作戰仿真建模相結合的思想，并以戰術導彈在復雜電磁環境下的行為特性為研究對象，分析戰術導彈裝備試驗項目與試驗數據，構建可用于戰術層次作戰仿真的戰術導彈模型，初步實現了裝備試驗與作戰仿真建模的有機結合。

1 裝備試驗的項目設計與數據應用

隨著裝備研制、生產、采購、使用流程的不斷完善，裝備試驗幾乎貫穿戰術導彈武器系統全壽命周期的各個階段，主要包括研制性試驗、設計定型試驗、作戰試驗、批抽檢試驗和部隊作戰使用試驗等[5]。不同階段試驗的側重點不同，綜合起來就可以比較全面地反映戰術導彈的戰技性能和使用性能。下面以復雜電磁環境下戰術導彈的行為特性建模為目標，分析相關試驗項目設計及試驗數據應用問題。

由于復雜電磁環境對戰術導彈的影響主要反映在導引頭部位，因此本文重點分析與導引頭性能試驗相關的3大類試驗項目：導彈半實物仿真試驗、導引頭對海試驗和導彈飛行試驗。

1.1 導彈半實物仿真試驗

對于雷達制導的戰術導彈，可在微波暗室內利用各種射頻仿真設備構設復雜電磁環境，以實現對雷達導引頭各種性能的綜合檢驗；同時，輔以三軸飛行轉臺及測控系統，還可以與彈道仿真模型實時交互，開展復雜電磁環境下的模擬打靶試驗[6]。這種半實物仿真系統具有應用靈活、性價比高的顯著優勢，廣泛應用于研制性試驗與設計定型試驗。

半實物仿真試驗環境設置靈活，數據記錄完整，因而可以開展以下研究：

1)基本性能測試，包括導引頭探測靈敏度、角度測量精度、角度分辨力和距離分辨力等；

2)設置典型干擾環境，記錄試驗導引頭工作狀態、測量誤差隨干擾參數的變化規律；

3)干擾條件下的模擬打靶試驗，完整記錄不同干擾條件下導彈的行為特性。

1.2 導引頭對海試驗

將導引頭架設在海邊，在海背景條件下選擇適當航路，利用真實目標(艦艇或者模擬靶船)的運動來檢驗導引頭的各項性能指標，如導引頭作用距離、目標選擇性、捕捉可靠性、跟蹤穩定性、跟蹤精度、環境適應能力以及抗干擾性能等[7]。對海試驗是導引頭外場試驗的第一步。

相對而言，對海試驗的優勢在于真實的海背景和艦船目標；其缺點在于干擾環境設置靈活性差，試驗方案的實現程度有限。試驗結果的主要用途為：

1) 利用作用距離、跟蹤穩定性、跟蹤精度等基本性能試驗結果，修正導引頭模型參數；

2) 驗證典型態勢下導引頭的抗干擾能力，如壓制干擾的“跟雜”臨界轉換狀態、距離拖引干擾有效/無效轉換的臨界條件等內容。

1.3 導彈飛行試驗

導彈飛行試驗是在研制、定型、批生產等不同階段進行最終檢驗、考核導彈武器系統的實踐手段，通過飛行試驗可以比較全面地檢驗導彈武器系統的戰技性能，以及各分系統的工作性能和相互間的協調性，飛行試驗是任何其他試驗手段所無法替代的[5]。

飛行試驗可以分別在無干擾和有干擾環境下實施，其中：無干擾條件下的試驗數據反映了戰術導彈在一般海面環境下的飛行穩定性、制導控制性能等全彈基本性能，具有最高的可信度，可用于校驗和修正仿真模型；干擾條件下的試驗數據在一定程度上反映了人為干擾與制導飛行的映射關系。總體來說，導彈飛行試驗代價昂貴，不可能開展大樣本試驗，更合理的應用模式是在內外場一體化試驗框架下對關鍵試驗態勢進行綜合性驗證。

1.4 試驗數據應用設計

上述3類試驗項目各有側重點，相應試驗結果都可以在一定程度上支撐戰術導彈作戰仿真模型的構建工作。通過對裝備試驗數據的進一步處理，可按圖1所示思路構建戰術導彈在復雜電磁環境下的行為模型。

圖1 裝備試驗與作戰仿真模型關系

戰術導彈作戰仿真建模采用模型與數據相分離的思想，在模型結構中確定了系統邊界，規定了實體的屬性和行為，給出了模型質的規定性；模型參數則與具體的建模對象相匹配，描述實體行為能力實際能達到的程度。導彈半實物仿真試驗項目完整、數據豐富，可以全面反映導彈的屬性和行為，因而可以確定相應的模型結構；而對海試驗則可以在自然環境相關的導引頭基本性能試驗方面對模型參數進行修正；小樣本的飛行試驗通過典型態勢下的全彈高可信度試驗數據對模型參數進一步修正，形成準確描述特定戰術導彈復雜電磁環境下行為能力的作戰仿真模型。

2 典型戰術導彈行為建模

作戰系統具有非線性、不確定性、多層次性和涌現性等特點，屬于復雜社會巨系統。現有基于還原論的建模方法已不能很好地刻畫復雜系統，而基于Agent的建模方法是一種自底向上的建模方法，能夠將復雜系統中個體的微觀行為與系統的整體宏觀“涌現性”有機地結合起來，是一種有效的復雜系統建模方式，適合于對復雜作戰系統的建模與仿真，正逐漸成為體系對抗仿真建模的重要研究方向[8-9]。本文基于Agent的建模思想，將戰術導彈抽象成為具有自主行為能力的Agent。

2.1 模型總體結構

根據Agent建模思想，Agent是一個具有智能和交互能力的自治計算實體，它通過感應器來感知環境，并通過效應器作用于環境，能夠在變化的環境中靈活、理性地自主行動。因此，主動式雷達制導戰術導彈的完全自主攻擊過程可以由一個Agent的自主行為進行描述。基于Agent的行為一般包括感知、認知處理和行為輸出3個部分[8]，具體到戰術導彈Agent，則可進行如下設計。

1) 感知：雷達導引頭探測目標信息。

2) 認知處理：信息融合及目標識別、抗干擾處理等。

3) 行為輸出：導彈制導飛行。

圖2 戰術導彈Agent行為建模框架

基于Agent建模思想的戰術導彈行為建模框架如圖2所示，其中：戰術導彈Agent通過導引頭感知環境中的目標、雜波及敵方施放的多種人為干擾；再經目標信息融合給出角度、距離等目標測量信息；制導控制系統根據目標測量信息控制導彈進行方位跟蹤，并根據彈目相對距離適時進行末端躍升俯沖攻擊，同時將導彈位置、姿態信息實時輸出給其他Agent，構成了完整的環境感知、認知處理和行為輸出過程，真實再現戰術導彈的自主行為能力。

2.2 目標探測模型

雷達制導導彈的目標探測傳感器是末制導雷達(導引頭)。關于雷達仿真建模，一般可分為功能級和信號級2個層次，其中：信號級仿真是基于零中頻信號的信號流仿真，計算量大，適合研究單套裝備的技術仿真應用環境；功能級仿真以描述雷達基本行為能力、體現性能指標為主要目標，滿足戰術級作戰仿真需求。在作戰仿真應用中，對于雷達目標檢測問題，一般關心2個方面：一是能否檢測到遠距離的小目標(目標雷達反射截面積小)；二是噪聲干擾條件下能否正常捕捉、跟蹤目標。其核心都是最小可檢測信噪比問題。

在裝備試驗過程中，受自然環境、試驗裝備性能等諸多因素的限制，直接試驗雷達對小目標的檢測能力存在困難，可行的做法是:在微波暗室環境下設置典型目標和噪聲壓制干擾，形成連續可控的信干比(目標信號與干擾功率比值)，試驗雷達在噪聲干擾條件下的目標檢測能力，得到最小可檢測信干比，近似等效最小可檢測信噪比(S/N)min，然后通過雷達方程[10]確定雷達對小目標的作用距離Rmax，其表達式為

(1)

式中：Pt為發射功率；G為天線增益；Ae為天線有效孔徑；σ為目標雷達反射截面積；系數kT0=4×10-21W/Hz；B為接收機帶寬；Fn為噪聲系數。

在實際戰場環境中，環境雜波和電磁散射信號會不同程度地影響末制導雷達的目標檢測能力，在條件允許情況下可通過對海試驗結果進行修正。在作戰仿真應用中，將目標探測問題轉化為信噪比(或信干比)的計算問題。

2.3 干擾處理模型

在不同干擾條件下給出與導引頭性能一致的目標測量信息，是戰術導彈Agent認知處理的主要內容。除自然環境的雜波以外，人為干擾主要分為壓制干擾和欺騙干擾，其中：壓制干擾一是影響導引頭的目標檢測，相關處理體現在目標檢測模型中，二是影響導引頭的目標角度、距離測量精度，可通過分析裝備試驗中的誤差統計特性進行復現；欺騙干擾則可根據干擾手段進一步細分為艦載有源干擾、舷外有源干擾、箔條沖淡/質心干擾等。

在建模過程中，需要針對每一種干擾分析相應試驗項目和試驗結果，建立相應的干擾處理模型。以箔條質心干擾為例，試驗中發現質心干擾形成條件比理論上的更為苛刻，導引頭跟蹤的實際角位置也不是簡單的能量質心。分析認為：理論上的計算模型多是在靜態條件下計算能量質心，忽略了從目標到質心的跟蹤轉換過程;而對高速飛行的導彈而言，這一轉換過程不可忽略。考慮導引頭跟蹤轉換過程，結合試驗結果分析，可實時計算導引頭跟蹤位置θ：

(2)

式中：σ1、σ2分別為艦船目標和箔條干擾的雷達反射截面積；G1、G2分別為艦船目標和箔條干擾位置在導引頭天線當前指向下的增益；θ1、θ2分別為艦船目標和箔條干擾位置相對基準位置的方位角。

質心干擾態勢如圖3所示。在式(2)的質心計算模型中，每一時刻的質心位置不僅與艦船目標、箔條干擾的位置及雷達反射截面積相關，還與導引頭的天線指向及天線方向圖相關，從而準確模擬了導引頭跟蹤位置從艦船目標轉向質心的過渡過程。

圖3 質心干擾態勢

2.4 運動控制模型

制導控制系統一般包括俯仰、偏航和滾轉3通道控制回路，以及相應的執行機構——舵系統。對于單平面制導的戰術導彈，在建模時可以忽略滾轉通道，簡化為俯仰和偏航2個獨立通道，其中：俯仰通道按指定規律完成導彈的高度控制；偏航通道則按指定的制導律(導引方法)控制導彈機動，在方位上追蹤指定的目標。

制導律是導彈制導控制系統的核心內容，廣泛應用的比例導引法模型[11]可描述為

(3)

式中：θM為導彈速度方向；q為目標視線角；K為比例系數。

該模型以微分方程形式描述了導彈飛行過程中速度向量轉動角速度與目標線轉動角速度的比例導引關系。

除了制導控制系統的簡化處理，彈體動力學/運動學6自由度模型也需要進行相應簡化：一是將速度方向近似等效為彈軸指向；二是以導彈位置為核心，僅保留與制導律相關的運動參數，最大程度地減小模型解算的計算量。對于簡化的導彈運動控制模型，可通過與6自由度彈體及制導控制模型進行數據對比來驗證模型的正確性，并修正模型參數。

3 模型應用與驗證

為了驗證上述模型結構的正確性和參數的準確性，本文設計開發了相應的仿真應用及驗證環境，模型以動態鏈接庫形式接入該仿真環境，設置戰術導彈、艦船目標、箔條干擾等戰場要素的主要參數后，形成一個典型的箔條質心干擾對抗態勢，仿真運行結果如圖4所示。

仿真結果表明：該戰術導彈Agent模型能夠正確描述其主要戰場行為特性，驗證了該模型結構的正確性。同時，將基于該模型的典型仿真結果和相應的半實物仿真結果進行比較，采用Theil不等式系數法(Theil Inequality Coefficient, TIC)在時域內對比分析跟蹤方位角、導彈位置坐標等數據的一致性，結果發現：計算結果一般處于0.1～0.2區間內，滿足工程經驗標準(TIC<0.3)，說明模型運算結果與半實物仿真結果具有較好的一致性，驗證了模型參數的準確性。

圖4 箔條質心干擾仿真結果

4 結論

綜合分析豐富的裝備試驗數據，面向作戰仿真需求構建裝備實體的行為模型，是對試驗數據的深加工，既可以提高裝備試驗的附加效益，又可以提高作戰仿真模型的逼真度，增加宏觀層次作戰仿真的可信性。本文通過戰術導彈作戰仿真模型構建實例，給出了裝備試驗與作戰仿真建模相結合的工程化方法，為靶場開展裝備作戰試驗和平行試驗研究提供了一條新思路。

裝備試驗可以為作戰仿真建模提供支撐，作戰仿真需求也可以反過來指導裝備試驗，促使武器裝備試驗由“標準環境下的性能試驗”向“近似實戰環境下的作戰試驗”轉變。在二者結合過程中，相關的作戰試驗數據處理、作戰仿真建模框架、作戰試驗項目設計等理論方法仍有待進一步深入研究。

[1] 唐見兵．作戰仿真系統可信性研究[D]．長沙：國防科學技術大學，2009．

[2] 黃柯棣，劉寶宏，黃建，等．作戰仿真技術綜述[J]．系統仿真學報，2004，16(9)：1887-1895．

[3] 郭齊勝，羅小明，董志明,等．裝備作戰仿真概論[M]．北京：國防工業出版社，2007：3-5．

[4] 楊雪榕，范麗，王兆魁. 武器裝備體系平行試驗概念與方法的討論[J]. 國防科技，2013，34(3)：18-22.

[5] 金振中，李曉斌．戰術導彈試驗設計[M]．北京：國防工業出版社，2013：8-11．

[6] 張鴻喜，崔連虎．半實物仿真中導引頭安裝誤差的影響分析[J]．計算機仿真，2010，27(12)：31-34．

[7] 馬艷，薄志峰．反艦導彈導引頭試驗數據采集系統設計[J]．制導與引信，2012，33(3)：1-5．

[8] 黃文清．作戰仿真理論與技術[M]．北京：國防工業出版社，2011：69-74．

[9] 胡曉峰，楊鏡宇，司光亞，等．戰爭復雜系統仿真分析與實驗[M]．北京：國防大學出版社，2008：205-214．

[10] (美)Skolnik M I.雷達系統導論[M]．3版.左群聲，徐國良，馬林，等譯．北京：電子工業出版社，2006：23-26．

[11] 劉興堂．導彈制導控制系統分析、設計與仿真[M]．西安：西北工業大學出版社，2006：72-79．

(責任編輯:尚彩娟)

Tactical Missile Operational Simulation Modeling Based on Equipment Test

CUI Lian-hu

(Troop No. 91336 of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Aiming at the problem of credibility of combat simulation system, the idea of combining equipment test and operational simulation modeling is put forward. Taking the tactical missile operational simulation modeling as an example, the equipment test result of tactical missile and seeker is analyzed, the structure of the model is designed, the model parameters are revised based on equipment test data, and tactical missile behavior model under complex electromagnetic environment based on Agent method is constructed. The results of application show that, the results of model simulation and the hardware-in-the-loop simulation test has a better consistency, and can directly serve the tactical level simulation deduction. In addition, the modeling thought and method can also provide new ideas for the development of combat test and parallel experiment in military range.

tactical missile; equipment test; operational simulation; Agent

1672-1497(2015)03-0095-05

2015-01-08

崔連虎(1983-)，男，工程師，碩士。

TJ761.1；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.019