彈道導彈精度仿真系統通用設計方法*

肖 凡，張 濤，馬 暄

(1 海軍潛艇學院，山東青島 266042;2 海軍裝備研究院，北京 100161)

0 引言

精度［1］是彈道導彈重要的戰術技術指標之一，在論證、評定及作戰使用階段都具有重要價值。由于試驗費用、靶場測試條件等影響，飛行試驗數量受到了極大的限制，精度分析即使采用小子樣分析的方法［2］，飛行試驗子樣也難以滿足要求，隨著計算機技術與仿真技術的發展，將計算機仿真技術用于彈道導彈精度分析成為了一種重要手段。

文獻［3］采用計算機仿真技術對導彈命中精度進行仿真試驗與評估;文獻［4］介紹了仿真方法在精度分析中的應用;文獻［5］給出了基于 HLA/RTI［6］彈道導彈精度分析仿真系統的基本設計方案和一個系統體系架構的技術參考模型。上述文獻及國內外該領域的研究主要涉及仿真方法、模型驗證及系統體系架構等問題，側重于仿真技術的具體運用。

隨著彈道導彈型號和精度分析目的的逐步豐富，其精度仿真系統設計方法的通用性、重用性需求日益顯現。文中將對此進行探討和研究，以滿足需求的不斷變化，為提高彈道精度仿真系統設計的重用性和通用性提供了技術途徑。

1 系統功能及流程簡析

彈道導彈精度仿真系統的應用可以概括為4個方面:精度指標分配、精度評定、精度預測及精度試驗復現。精度指標分配是裝備論證階段的重要工作，精度仿真系統能夠加入任意干擾，提供不同飛行程序所對應的落點偏差，據此為精度指標分配提供決策依據;精度評定是彈道導彈定型的重要工作之一，精度仿真系統應該具備模擬打靶和精度估計功能;精度預測對彈道導彈的作戰使用具有很強的指導意義，目的是預測一定干擾條件下導彈的落點精度，為作戰使用提供決策依據;精度試驗復現能夠再現飛行試驗的飛行彈道，有效考核各項誤差分離結果的準確性。

精度仿真的基本流程如圖1所示。干擾是精度仿真系統的輸入條件，精度指標分配中輸入的數據屬于預設干擾;精度評定中的輸入屬于實測數據或者模型;精度預測和精度試驗復現中的輸入屬于實測數據。精度仿真的目的是得到標準彈道和干擾彈道的六自由度數值仿真落點。結果分析是采用適當的方法對仿真所得的數據進行分析，如求取數據方差、均值，利用Bayes方法［7］求精度點或者區間估計等。

圖1 精度仿真的基本過程

2 模型設計

建模是系統設計的關鍵，無論精度仿真系統的仿真對象是何種型號、仿真的目的是什么，系統建模都離不開需求分析、系統結構分析和系統行為分析。

UML(unified modeling language)是面向對象的可視化建模語言，是面向對象領域中的重要成果，UML建模提供了新的軟件模型描述方法，能夠為系統設計的各個階段提供統一的可視化模型描述，其統一過程的迭代式生命周期適應于需求的不斷變化，為提高系統重用性提供了保證［8-9］。

UML對精度仿真系統進行模型設計時步驟如下:第一步是需求描述模型設計，第二步是結構模型設計，第三步是行為模型設計。UML的用例圖(usecase diagram)非常適合需求描述模型設計;UML的靜態模型中的類圖(class diagram)、對象圖(object diagram)、包圖(package diagram)、構件圖(component diagram)和配置圖(deployment diagram)等能夠從不同角度描述系統結構，適合于精度仿真系統的結構模型設計;第三步行為模型設計可以通過UML動態模型中的順序圖(sequence diagram)、協作圖(collaboration diagram)、狀態圖(state diagram)和活動圖(activity diagram)完成。

2.1 需求描述模型

用例圖描述系統外部的執行者與系統提供的用例之間的某種聯系，其中用例是對系統功能的描述，執行者則是使用這些用例的角色或外部系統［10-11］。

如前所述，用戶使用精度仿真系統的目的無外乎以下4個方面:精度指標分配、精度評定、精度預測及精度試驗復現，這便是系統最大的需求，這些需求的實現離不開六自由度仿真，包括標準彈道仿真和干擾彈道仿真。通過UML的用例圖描述如圖2所示。

圖2 系統需求描述用例圖

2.2 結構模型

精度仿真系統涉及的單元非常多，包括指標、干擾、精度算法、測試數據、六自由度仿真、結果分析等，各單元之間相互交錯、單元內部構成復雜。類(class)是面向對象技術中最基本的元素，類模型揭示了系統的結構［12］。因此可以通過UML類模型對系統進行結構建模，為了增強系統的升級能力和通用性，建模時首先應該理清類之間的層次關系，再對各層的類進行設計。

2.2.1 類間層次關系

根據彈道導彈精度仿真的特點，從設計的通用性出發，文中將系統的類設計為4個層次:算法層、專業層、應用層和用戶層，如圖3所示。

精度仿真中涉及到大量的通用計算，如插值、矩陣、矢量、坐標轉換、方程求解、積分、均值、方差、常見數據分布、隨機抽樣、點估計、區間估計、小子樣Bayes計算等。算法層通過設計計算類庫(calculation class)來實現上述通用計算，為專業層中的類提供計算支持，代碼重用性好。

圖3 類間層次關系

專業層是系統設計的重點，提供飛行仿真與干擾生成的各種功能。它針對不同的應用領域設計，調用算法層中的算法，在彈道導彈精度仿真應用領域內是完全通用的，代碼重用性好。

應用層是對專業層的具體化，針對特定的型號和仿真應用，代碼重用性稍差。

用戶層負責與用戶交互，其代碼是完全具體的，不具有重用性。

在算法層、專業層、應用層和用戶層中，專業層的建模最為重要，既是彈道導彈精度仿真專業的集成，而且設計要具有重用性，即能夠滿足不同型號和應用的需要，下面將對其建模進行分析。

2.2.2 專業層模型

專業層是系統建模的重點，設計成由飛行仿真類庫和干擾類庫兩大部分組成，飛行仿真類庫包含眾多的子類，最終組成飛行仿真類，包含的一級子類有火箭類、彈頭類、地球類、大氣類、空氣動力類和發射信息類，如圖4所示。限于篇幅，各子類的建模文中不予詳述，其具體設計可參考文獻［13］。

圖4 飛行仿真類結構模型

干擾類(disturbance class)在精度仿真系統中具有重要地位，對其進行全面、準確的建模關系到系統設計的成敗。彈道導彈一般采用慣性制導的主動式方案，影響落點精度的主要干擾為兩大類:初始誤差和工具誤差，方法誤差、氣動參數誤差、質量偏差、擾動引力、高空風等對精度有一定影響，但影響相對較小。結構模型如圖5所示。

圖5 干擾類結構模型

2.3 行為模型

厘清精度仿真系統各實體間的行為關系是建模的重要環節。UML的順序圖能夠很好的描述系統實體內部和實體之間的交互行為，體現實體間消息傳遞的時間順序。

本系統運行時主要涉及發射信息、算法器、干擾器、六自由度仿真器、結果分析器及界面處理器等實體，通過六自由度的標準彈道和干擾彈道仿真獲取精度仿真結果，這一行為過程用順序圖描述如圖6所示。

圖6 仿真順序圖

3 軟硬件設計

需求描述模型、結構模型及行為模型的建立使得系統功能、結構和交互關系得以清晰描述，為彈道導彈精度仿真系統軟硬件結構設計提供了支撐。

以模型設計為基礎，從設計的通用性出發，文中將彈道導彈精度仿真系統設計為雙機多軟件結構:雙機即采用兩臺計算機的硬件方案;多軟件即以結構模型和行為模型為基礎，設計六自由度飛行仿真軟件、干擾生成軟件、界面交互軟件、結果分析軟件及可視化等軟件，軟硬件結構及配置關系如圖7所示。

圖7 軟硬件結構及配置關系

管理計算機中運行界面交互軟件、干擾生成軟件、結果分析軟件及可視化等軟件。界面交互軟件處理用戶的操作響應、仿真結果的顯示;干擾生成軟件生成各種干擾，用于干擾彈道仿真;結果分析軟件對比標準彈道和干擾彈道仿真結果，進行精度計算;可視化軟件對六自由度飛行過程進行可視化顯示，增加系統的交互效果和美感(這部分軟件根據需要可以不進行設計)。

由于六自由度飛行仿真需要的系統資源較多，為了提高系統的運行效率，仿真計算機只運行六自由度飛行仿真軟件。管理計算機將參數及干擾等信息發送給仿真計算機，仿真計算機將仿真結果傳給管理計算機。圖8為所設計某型彈道導彈精度仿真系統的軟件部分界面圖。

4 結束語

為了滿足不同型號和仿真目的的需要，以系統設計的通用性和重用性為目標，文中將UML建模技術用于彈道導彈精度仿真系統的模型設計，建立了適合于多種型號及不同仿真目的的需求描述模型、結構模型和行為模型，在模型設計的基礎上，從設計的通用性出發，建立了彈道導彈精度仿真系統的雙機多軟件架構，并據此設計了某型彈道導彈精度仿真系統。

該設計方法適應需求的不斷變化，為提高系統設計的重用性和通用性提供了保證。計算類及飛行仿真類的功能和設計質量對系統的通用性至關重要，是工程運用中應該重點關注和值得進一步研究的內容。

圖8 軟件界面

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