基于虛擬試驗的引戰(zhàn)配合系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

基于虛擬試驗的引戰(zhàn)配合系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

針對高價值彈藥引戰(zhàn)配合實彈試驗設(shè)計難、數(shù)據(jù)采集難、經(jīng)費消耗大的問題，設(shè)計基于虛擬試驗技術(shù)的引戰(zhàn)配合系統(tǒng)，重點討論導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力破片飛散模型、破片命中模型、目標(biāo)易損性模型等關(guān)鍵模型的實現(xiàn)方法；以某型防空導(dǎo)彈為例，模擬對某典型直升機的追擊，驗證該系統(tǒng)實現(xiàn)方法的有效性、正確性和可靠性。試驗結(jié)果表明：某型防空導(dǎo)彈的毀傷效能達90%以上；所獲結(jié)果為防空導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，同時具有節(jié)約經(jīng)費的軍事應(yīng)用意義。

虛擬試驗；引戰(zhàn)配合；仿真；目標(biāo)易損性

引戰(zhàn)配合是引信利用環(huán)境、目標(biāo)和制導(dǎo)信息，在導(dǎo)彈和目標(biāo)交匯過程中，控制戰(zhàn)斗部起爆，實現(xiàn)對目標(biāo)的最大損毀過程[1]。現(xiàn)代導(dǎo)彈發(fā)展要求引信可以識別各類復(fù)雜目標(biāo)，可對抗各類干擾[2]。傳統(tǒng)引信的設(shè)計和測試方案，主要依靠外場試驗完成，價格昂貴，時間周期成本高，針對特定需求有時難以完成。然而隨著計算機仿真技術(shù)[3]的迅速發(fā)展，虛擬試驗技術(shù)逐步取代傳統(tǒng)方案，成為研究人員在進行實物設(shè)計過程中的重要指標(biāo)參考。

基于虛擬試驗技術(shù)的引戰(zhàn)配合系統(tǒng)，需要綜合考慮各種干擾和散布條件，以導(dǎo)彈、引信類型等工程引戰(zhàn)數(shù)學(xué)模型為理論基礎(chǔ)，通過計算機仿真技術(shù)，模擬引戰(zhàn)配合過程中，武器裝備攻擊末端的彈目遭遇狀態(tài)，可視化演示引信與戰(zhàn)斗部配合的全過程，計算目標(biāo)的毀傷概率[4-8]，分析引戰(zhàn)系統(tǒng)的性能，優(yōu)化引戰(zhàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計。

本文針對引戰(zhàn)配合虛擬試驗系統(tǒng)的系統(tǒng)模型和實現(xiàn)方法進行了研究，討論導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力破片飛散模型、破片命中模型、目標(biāo)易損性模型等相關(guān)關(guān)鍵子系統(tǒng)模型和實現(xiàn)方法。通過該引戰(zhàn)配合虛擬試驗系統(tǒng)，對某型防空導(dǎo)彈針對某典型直升機的毀傷效能進行了虛擬試驗及仿真評估，給出評估結(jié)果和結(jié)論。

1 引戰(zhàn)配合虛擬試驗系統(tǒng)模型設(shè)計

引戰(zhàn)配合虛擬試驗系統(tǒng)主要由導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力模型子系統(tǒng)、目標(biāo)易損性模型子系統(tǒng)、彈目交匯計算子系統(tǒng)、毀傷評估子系統(tǒng)、可視化仿真演示子系統(tǒng)等構(gòu)成。如圖1所示。

圖1 引戰(zhàn)配合虛擬試驗系統(tǒng)組成

引戰(zhàn)配合虛擬試驗系統(tǒng)基本工作流程如下：

首先，建立導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力模型，研究在同等質(zhì)量和初始速度的條件下，靶板距離、靶板厚度、靶板材料、撞擊方向等因素對相關(guān)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力的影響。

之后，建立目標(biāo)易損性模型，從目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性和功能特性對目標(biāo)的易損特性進行研究。

隨后，建立彈目交匯計算方法，通過確定的引戰(zhàn)配合虛擬試驗系統(tǒng)中的戰(zhàn)斗部與目標(biāo)類型，利用彈目交匯條件生成戰(zhàn)斗部與目標(biāo)的所有交匯情況。

在建立以上模型和數(shù)據(jù)庫后，調(diào)用導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力模型數(shù)據(jù)及目標(biāo)易損性模型數(shù)據(jù)，計算所有交匯條件下目標(biāo)毀傷概率，進行毀傷評估；

最后，可視化仿真演示引戰(zhàn)配合過程中，武器裝備攻擊末端的彈目遭遇狀態(tài)，形象直觀的反映引戰(zhàn)配合全過程的可視化結(jié)果。

2 關(guān)鍵子系統(tǒng)和實現(xiàn)方法研究

2.1 導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力破片飛散模型

以典型的破片式戰(zhàn)斗部為例，表征破片式戰(zhàn)斗部主要性能的參數(shù)有：最大殺傷距離、破片初速、破片飛散角、破片總數(shù)和單枚破片質(zhì)量等[9]。其中破片飛散模型(殺傷錐)封閉在兩個錐體之間，如圖2所示，受最大距離和最小距離限制。上述區(qū)域分成傾斜角從0°～360°，俯仰角從80°～100°，距離從最小到最大的單元。對于具體的戰(zhàn)斗部，可適當(dāng)設(shè)置模型參數(shù)使每個殺傷元素代表實際的破片。這種分層飛散模型能夠較真實反映戰(zhàn)斗部破片的飛散過程。

圖2 破片飛散模型示意圖

2.2 導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力破片命中模型

通過計算破片命中模型命中目標(biāo)的殺傷元，可確定命中目標(biāo)位置。虛擬試驗中的目標(biāo)模型由四邊形構(gòu)件組成的閉合表面，每個四邊形構(gòu)件由4個點的x，y，z坐標(biāo)、表面法向量、命中該單元的殺傷元的個數(shù)來表征。

破片命中判定是在虛擬試驗的每一個時間步長內(nèi)，把整個目標(biāo)轉(zhuǎn)換到彈體坐標(biāo)系內(nèi)，檢查每一個目標(biāo)表面單元是否落入殺傷錐內(nèi)，判定條件是：目標(biāo)點和導(dǎo)彈間的距離要小于殺傷錐的最大距離，大于其最小距離；目標(biāo)點方向和導(dǎo)彈縱軸間的夾角處于殺傷錐內(nèi)。

以上條件滿足，則要進行詳細分析，目的是要估計可能的遮掩。最終計算出目標(biāo)每個位置被擊中的殺傷元數(shù)量，并以此數(shù)據(jù)計算毀傷概率。

2.3 目標(biāo)易損性模型

以某型武裝直升機為例，按照被命中的情況下，目標(biāo)毀傷對毀傷元的敏感性將直升機分成多個關(guān)鍵部位，例如：駕駛員艙(A)，油箱(B)，發(fā)動機(C)，旋翼(D)，尾槳(E)。關(guān)鍵部位網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。此外，以駕駛員艙即A段為例，把駕駛艙進一步分成3段，即A1，A2，A3，其中A1橫向尺寸為1 024 mm，A2橫向尺寸為1 056 mm，A3橫向尺寸為556 mm，每一段在俯視圖方向又細分成4個部分i，j，k，l，如圖4所示。綜合多種情況進行具體分析，可得到打擊駕駛員艙的毀傷概率。

2.4 彈目交匯計算

交匯計算模型采用Monte Carlo方法確定。通過設(shè)計隨機數(shù)發(fā)生器，控制彈道交會參數(shù)的隨機產(chǎn)生。根據(jù)輸入的彈目交會參數(shù)范圍值，用隨機數(shù)控制抽取，作為相應(yīng)彈道的固定交會參數(shù)。根據(jù)脫靶量的分布規(guī)律產(chǎn)生本條彈道的脫靶量，隨機產(chǎn)生導(dǎo)彈的脫靶方位。最終根據(jù)彈目交會參數(shù)、脫靶量、脫靶方位、轉(zhuǎn)換矩陣、目標(biāo)上的制導(dǎo)中心以及仿真初始時刻的彈目距離值等參數(shù)值，計算出導(dǎo)彈和目標(biāo)的初始位置。但當(dāng)有實際靶場實彈數(shù)據(jù)支撐，即有靶試彈道光測數(shù)據(jù)時，則以已知的實際參數(shù)值為準(zhǔn)。

圖3 武裝直升機關(guān)鍵部位網(wǎng)格模型

圖4 駕駛艙分解

2.5 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與毀傷評估

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模型采用C/S體系結(jié)構(gòu)，以SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫為底層支撐平臺，用于保存和管理引戰(zhàn)配合系統(tǒng)各子模型數(shù)據(jù)信息。在搭建時，各子系統(tǒng)按照總體概念模型要求以及自身研究內(nèi)容，分別設(shè)計和導(dǎo)入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)信息。最后，將所有數(shù)據(jù)庫整合到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的SQL-SERVER實例中，以供引戰(zhàn)配合系統(tǒng)調(diào)用。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模型的搭建，可以集中管理平臺的數(shù)據(jù)，有益于提高數(shù)據(jù)完整性，減少數(shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由戰(zhàn)斗部威力模型數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)易損性模型數(shù)據(jù)庫、毀傷評估數(shù)據(jù)庫及其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 仿真平臺數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

通過三維視景進行碰撞檢測可以得到導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的命中位置，得到擊中目標(biāo)后的靶點空間坐標(biāo)、攻角、傾角、彈體速度、目標(biāo)著靶區(qū)域編號(0，1，2，…，n)等，從而載入已有的目標(biāo)易損性模型，通過查詢不同部位毀傷概率表，綜合分析，計算給出中靶部位實際毀傷結(jié)果，最終得到目標(biāo)毀傷概率。

為實現(xiàn)毀傷可視化，分別設(shè)計數(shù)據(jù)融合處理和視景仿真顯示兩部分。數(shù)據(jù)融合處理部分采用VC++2005開發(fā)環(huán)境下VTK(Visualization toolkit)[10]開發(fā)。其所使用的圖像模型，基于三維函數(shù)庫OpenGL，可屏蔽開發(fā)細節(jié)以及封裝常用算法，并且采用采用Pipeline機制，實現(xiàn)對任意類型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理，非常適合系統(tǒng)中對于戰(zhàn)斗部威力數(shù)據(jù)與目標(biāo)易損性數(shù)據(jù)融合計算處理。

視景仿真顯示部分在Vega Prime的仿真引擎平臺下，采用Multigen Creator建立相關(guān)視景模型[11]。VegaPrime可提供跨平臺、可擴展的開發(fā)環(huán)境，高效創(chuàng)建和配置視景仿真的可視化應(yīng)用[12-13]。Multigen Creator可創(chuàng)建用于視景仿真的實時三維模型，快速實現(xiàn)大型視景仿真。結(jié)合以上兩者，有利于快速配合和實現(xiàn)整個引戰(zhàn)系統(tǒng)的視景仿真顯示。

綜合以上兩部分，可視化演示模型以 VC++2005為開發(fā)環(huán)境，通過VTK實現(xiàn)戰(zhàn)斗部對于裝甲目標(biāo)的毀傷細節(jié)及最終的毀傷評估，利用Multigen Creator建立戰(zhàn)斗部、裝甲目標(biāo)及其他視景模型，在Vega Prime的仿真引擎平臺的驅(qū)動下實現(xiàn)大場景戰(zhàn)斗部對裝甲目標(biāo)的毀傷。其中典型目標(biāo)如阿帕奇直升機可視化顯示如圖6所示，戰(zhàn)斗部對于裝甲目標(biāo)的毀傷細節(jié)(圖7)包括戰(zhàn)斗部射流形成過程及對典型厚度裝甲鋼板的穿透過程，可以定量計算戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷。

圖6 阿帕奇直升機可視化顯示

圖7 Vtk演示毀傷細節(jié)圖

可視化實現(xiàn)流程如圖8所示，載入導(dǎo)彈與目標(biāo)可視化模型，利用彈目交匯條件仿真生成戰(zhàn)斗部與目標(biāo)所有交匯情況，計算所有交匯條件下目標(biāo)毀傷概率，確定該種戰(zhàn)斗部對目標(biāo)最終毀傷結(jié)果。

圖8 可視化實現(xiàn)流程

3 虛擬試驗仿真結(jié)果

以某型防空導(dǎo)彈為例，針對目標(biāo)為某型武裝直升機，在虛擬試驗仿真前，需要對以下參數(shù)進行設(shè)定或初始化：

脫靶量參數(shù)：脫靶量分布律、最小脫靶量、最大脫靶量、脫靶量均值、脫靶量均方差等。

目標(biāo)參數(shù)：最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角、最小滾動角、最大滾動角、最小速度、最大速度、最小加速度、最大加速度、直升機旋翼不動、制導(dǎo)中心、指定點XYZ坐標(biāo)等。

導(dǎo)彈參數(shù)：最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角、最小速度、最大速度、最小加速度、最大加速度、導(dǎo)彈中心點、與尾噴口距離等。

引信參數(shù)：探測距離、子午面最小角、子午面最大角、赤道面起始角、赤道面角寬度、赤道面角增量、起始角隨機、探測模型角量子、探測模型步長、探測方式參數(shù)、信號處理方式參數(shù)、激光發(fā)射功率、波長、探測器靈敏度、敏感面面積、放大器增益、收發(fā)間隔、探測門限、計數(shù)脈沖等。

戰(zhàn)斗部參數(shù)：戰(zhàn)斗部類型、最大殺傷距離、殺傷元初速、殺傷錐最小角、殺傷錐最大角、殺傷層數(shù)、每層厚度、俯仰角量子、傾斜角量子、殺傷模型步長、制動系數(shù)、桿條長度、桿條直徑、殺傷錐最小角、殺傷錐最大角、殺傷層數(shù)、每層厚度、俯仰角量子、傾斜角量子等。

延遲時間參數(shù)：引戰(zhàn)間距、固定延時、相對速度 延遲時間等。

其中在設(shè)置目標(biāo)參數(shù)(最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角、最小滾動角、最大滾動角)、導(dǎo)彈參數(shù)(最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角)使導(dǎo)彈對目標(biāo)分別為迎擊、側(cè)前迎擊和側(cè)后迎擊的3種情況后，進行虛擬試驗計算，相應(yīng)結(jié)果如圖9～圖11所示。

最終通過毀傷評估模型計算得到最終毀傷概率，如表1所示，在彈目位置分別為迎擊、側(cè)前迎擊及側(cè)后迎擊的情況下，毀傷概率分別為0.987，0.965，0.975。

圖9 導(dǎo)彈迎擊目標(biāo)擊中情況

圖10 側(cè)前迎擊目標(biāo)擊中情況

圖11 側(cè)后追擊目標(biāo)擊中情況

序號彈目位置毀傷概率1迎擊0．9872側(cè)前迎擊0．9653側(cè)后追擊0．975

4 結(jié)論

設(shè)計了基于虛擬試驗技術(shù)的引戰(zhàn)配合系統(tǒng)，重點研究導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力破片飛散模型、破片命中模型、目標(biāo)易損性模型等相關(guān)關(guān)鍵子系統(tǒng)模型的實現(xiàn)方法，為虛擬試驗系統(tǒng)的建立提供充分的理論基礎(chǔ)。以某型防空導(dǎo)彈為例，針對某典型武裝直升機，通過虛擬試驗系統(tǒng)計算，驗證了該系統(tǒng)實現(xiàn)方法的有效性、正確性和可靠性。所獲結(jié)果為某型防空導(dǎo)彈的引戰(zhàn)配合技術(shù)方案提供了技術(shù)支撐，具有指導(dǎo)方案設(shè)計、減少用彈量及節(jié)約經(jīng)費的軍事應(yīng)用意義。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Research on System Implementation Method of Fuze-Warhead Matching Based on Virtual Experiment

LUO Qiang, LYU Hong-peng, SUN Wei-ping, LIANG Chao,SONG Zhe, ZHANG Xi-jing, REN Meng, WU Jiang-peng

(Xi’an Institute of Modern Control Technology，Xi’an 710065, China)

In terms of hard experiment design, data acquisition difficulties and huge cost in the fuze-warhead matching evaluation of the high-value ammunition, the fuze-warhead matching system based on the virtual experiment technology was designed, in which the flying and meeting model of warhead fragments, the establishment of the target vulnerability and other key implementation methods of subsystem models were discussed. The effectiveness, correctness and reliability of the system method were validated by simulating an air defense missile chasing a certain helicopter through the virtual experiment system. The results show that the damage efficiency of the air defense missile is more than 90%. The results provide technical support for the fuze-warhead matching system of the air defense missile, and saving funds in the military application.

virtual experiment; fuze-warhead matching; simulation; target vulnerability

2016-11-22；

2016-12-20 作者簡介：駱強(1980—)， 男， 碩士，高級工程師，主要從事虛擬試驗與仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.04.011

駱強，呂鴻鵬，孫衛(wèi)平，等.基于虛擬試驗的引戰(zhàn)配合系統(tǒng)實現(xiàn)方法研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(4):50-54.

format:LUO Qiang, LYU Hong-peng, SUN Wei-ping, et al.Research on System Implementation Method of Fuze-Warhead Matching Based on Virtual Experiment[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):50-54.

TJ01

A

2096-2304(2017)04-0050-05