戰術導彈仿真技術發展分析與思考

張 勵,田 義,洪澤華,李 奇

(上海機電工程研究所,上海 201109)

0 引言

仿真技術被認為是繼理論與實驗之后,人們認識世界的第三種手段[1]。仿真技術是以建模與仿真理論為基礎,以計算機系統、物理效應設備及仿真器為工具,建立研究對象模型、構造運行仿真系統、分析評估仿真結果的一項綜合性技術,是研究復雜系統中復雜性問題的技術和方法。

戰術導彈仿真是仿真技術與航天工程技術的結合,為導彈武器的設計、分析、性能效能評估等提供理論方法、驗證手段和試驗平臺[2]。戰術導彈仿真技術包括單系統級仿真和多系統綜合仿真。其中：單系統級仿真用來考核驗證系統設計的正確性,如制導控制系統仿真、引戰系統仿真,被廣泛應用于型號研制中;多系統綜合仿真用來考核驗證多系統聯合工作的匹配性、協調性、正確性及系統效能,如導彈全武器系統綜合仿真、導彈武器體系仿真等,被應用于導彈武器性能/效能評估中。

1 戰術導彈仿真技術架構

從三個維度對戰術導彈仿真技術進行劃分和描述,即：戰術導彈仿真任務所對應的研制過程、試驗種類及仿真的逼真度,如圖1所示。其中：研制過程包括論證、方案設計、工程研制、鑒定定型及應用等;試驗類型包括數字仿真、桌面仿真、半實物仿真、綜合仿真等;逼真度是不同仿真系統或平臺與所仿真對象的相似程度或復現程度。如此劃分既可以對戰術導彈仿真從三個相互獨立的維度進行描述和分析,也便于在研制過程中綜合分析各研制階段中各類仿真試驗結果的置信度[3]。圖1中的點表示在研制階段針對制導控制系統進行高逼真度半實物仿真試驗。

圖1 描述戰術導彈仿真的三個維度Fig.1 3D description of tactical missile simulation

為滿足戰術導彈全周期、全系統的仿真需求,戰術導彈仿真的技術體系分為：仿真總體技術、仿真基礎技術、仿真系統/平臺技術、仿真試驗技術,如圖2所示。其中：仿真總體技術主要研究戰術導彈的仿真標準規范、仿真系統集成技術、仿真評估方法等,為仿真技術研究、仿真系統/平臺開發構建、仿真試驗實施及評估提供指導和依據;仿真基礎技術主要包括實體及環境建模、物理效應模擬,認知與行為建模、模型/模擬器VV&A 等,為仿真應用提供模型、模擬器的數據、知識等仿真資源;仿真系統/平臺技術主要包括支撐技術、管控技術及交互式顯示技術等,為仿真應用提供系統/平臺支撐;仿真試驗技術分別對應戰術導彈研制全生命周期中三個層次的仿真試驗,包括單系統性能仿真試驗、全系統(多系統)級性能/效能仿真試驗、體系級效能評估仿真試驗,主要涉及仿真試驗設計、試驗方法、試驗數據分析及試驗評估等技術。

圖2 戰術導彈仿真技術架構Fig.2 Architecture of tactical missile simulation technology

2 戰術導彈仿真技術研究現狀分析

2.1 國外研究現狀

2.1.1 仿真總體技術及基礎技術

1)仿真技術體系結構與標準日臻完善。

國際上,各大仿真研究機構在云計算技術和面向服務架構的發展背景下,積極推進新型仿真體系結構,仿真體系結構由集中式、封閉式向分布式、開放式、交互式方向發展。基于面向服務和通過云計算的服務模型提供建模與仿真應用,快速、按需部署的可組合仿真環境的新概念——建模仿真即服務(MSaaS)應運而生[4]。美國防部、北約等持續不斷完善仿真標準體系,已建立的建模與仿真標準包括仿真體系結構標準、數據標準、仿真VV&A 標準、仿真互操作標準等,用以支持公用的仿真技術框架,環境、實體、行為等模型表達,以及系統、平臺、設施等構建。

2)目標/環境特性建模覆蓋范圍越來越廣

以法國SE-Workbench為代表的先進目標特性建模集成環境采用一個通用的求解內核和物理擴展效應來實現光電、電磁和聲學的多譜段統一,能夠運行在離線高逼真度仿真模式和快速仿真模式,可驅動物理效應仿真器運行,已支持相控陣雷達、合成孔徑雷達(SAR)成像等實時仿真。

3)目標/環境物理效應建模仿真緊貼戰術導彈探測技術發展

2016年,美國NASA 成功研制了紅外超頻段動態模擬器原理樣機,將紅外特性數學模型轉化為真實的物理量模擬器,實現中長波紅外超譜段目標和場景模擬。2017年,美國Kent光電有限公司成功研制了一種用于測試評估單光子發射偏振成像傳感器性能的多譜段偏振場景模擬器,可以產生短波紅外波段內的多譜段或超譜段視頻圖像,空間分辨率為512×512,并可在可控的帶寬內實現空域、頻域和6個偏振方向的調制。2016年,美國圣巴巴拉紅外公司成功研發了一種新型超大規模(像素數＞2 K×2 K)、超高溫(模擬最高等效溫度在1 500 K以上)的紅外電阻陣場景投影器,允許多個芯片進行無縫粘接,形成超大型面陣,其面積是以512像素為單位的任意N×M 像素大小[6-8]。2017 年,英國Ultra Electronics公司推出了全新“變色龍”雷達目標模擬器,將雷達目標生成和電子對抗仿真能力融為一體,采用第5代數字射頻存儲技術,可提供多達24個獨立模擬通道,高精度實時模擬三維目標的多點散射特性、箔條干擾、雜波等,頻段覆蓋范圍為0.5～40 GHz,具有1.2 GHz瞬時帶寬,聲稱能兼容當前最新的雷達技術。近年來,美國Eastern Optx研發了1107系列、1100系列雷達目標模擬器,工作頻段高達40 GHz。1107系列模擬器的動態范圍達100 dB,可以工作在脈沖、跳頻、連續波、加密和調制機制等模式,模擬距離達160 km,模擬距離精度為100 m,多普勒頻移范圍為0～50 k Hz(k Hz級步長)。1100系列模擬器的模擬距離為100 km,多普勒頻移范圍為0～50 k Hz(Hz級步長),具有多路徑和雜波的模擬能力。美國Kratos RT Logic公司推出的通道模擬器能夠模擬雷達傳播過程的通道效應,例如：相位連續性、實時載波和信號的多普勒頻移、距離延時、衰減及噪聲等。該模擬器不僅能模擬UHF,L,S,C,X,Ku波段,還配套了本地及遠程控制軟件,具有良好的圖形操作界面,通過插件模式與Analytical Graphics公司的STK 軟件兼容,可以實現通道效應和運動效應的無縫銜接。韓國先進無線技術全球(AWT Global)公司推出了MRS 雷達模擬器,其中,標準版可同時生成16通道連續波或脈沖信號,覆蓋了2～18 GHz頻段,增強版可達128個獨立通道,覆蓋了0.5～40 GHz頻率范圍。

4)探索復雜系統仿真模型驗證新方法

針對復雜系統仿真的特點,需要探索新的模型驗證方法。美國國家航空航天局(NASA)馬歇爾太空飛行中心利用需求傳播不確定來量化動態模型驗證指標[5]。同時,針對復雜仿真系統可信度評估與VV&A(校核、驗證與確認)的需求,基于機器學習的智能化評估方法與技術成為當前的研究熱點。以大數據智能、互聯網群體智能、跨媒體智能、人機混合增強智能、自主智能系統等為主的新技術為解決復雜仿真系統可信度評估問題帶來了機遇。

2.1.2 仿真系統/平臺

1)仿真支撐平臺支持可重構、可擴展、模塊化的導彈仿真能力

以美國為代表的發達國家開發了多項高性能仿真平臺工具產品,如：用于滿足“阿爾伯特項目”等分析仿真需求的SP tempest并行計算機系統,以及GTW,SPEEDES,WarpIV,Maisie,PARSEC,POSE,SIMKIT,Musik 等并行仿真支撐環境[6]。美國Raytheon公司為了降低研制費用,加速導彈仿真的開發進度,專門為導彈武器系統設計打造了可快速重構的模塊化仿真支撐環境genSIM,可支持隨著導彈武器系統成熟度的增加,提高仿真的逼真度[9]。同時,針對特定對象快速構建不同顆粒度的仿真模型,加速仿真能力生成的過程。

2)仿真交互式顯示工具種類不斷豐富,通用化水平日益提升

美軍研發了一系列典型仿真支撐工具,包括：M?K 公司系列產品、擴展防空仿真系統(EADSIM)、聯合戰區級仿真系統(JTLS)、聯合半自動兵力(JSAF)、聯合建模與仿真系統(JMASS)[6,10],還包括：支持沉浸式仿真和訓練的虛擬現實場景生成系統(VRSG)、虛擬對抗系統(VCS)、虛擬戰場空間第2代系統(VBS2)等[11]。

3)高性能仿真計算支持新型導彈設計

近年來,國際上高性能仿真支撐平臺技術按照發展硬件、提出架構標準、實現支撐軟件、創新應用模式的路徑不斷推進。在多核服務器、快速海量存儲、高速網絡等硬件技術及分布式并行計算軟件技術的支持下,從高性能向高效能的方向發展。

2.1.3 仿真試驗技術

1)導航制導控制仿真評估能力取得新進展

美國已建成國際上規模最大、技術最先進的全波段紅外成像制導、全頻段射頻制導、射頻/紅外復合制導、射頻/紅外/激光三模共口徑復合制導等半實物仿真系統,完成了多個新型導彈半實物仿真試驗驗證[12-13]。其半實物仿真系統提供了支持飛行前預測/飛行后重建、現場決策等手段。2016年,美國NASA 建立了更為先進的導航半實物仿真試驗系統,該系統具備X 射線導航、脈沖星/伽馬射線導航、光學自主導航、星際飛行器間通信等仿真能力。

2)聯合仿真技術能力支撐導彈武器系統及體系性能/效能評估

美國建立了綜合測試系統,可在地面上對反導系統進行設計驗證與評估,提供較真實的作戰環境和目標場景模擬,能進行武器系統分布式地面設計驗證、分系統設計驗證,以及集成系統驗證。支持武器系統從設計-地面試驗-飛行試驗的各階段任務,可進行全系統的數字仿真和半實物仿真,能夠提供威脅和環境數據的注入,可有效驗證系統設計的正確性,支持系統集成測試[14]。

3)仿真試驗與鑒定一體化

近年來,導彈仿真試驗已逐漸成為鑒定試驗的一個環節,即將鑒定評估進程推進到工程研制階段。2016年10月,美國太平洋司令部和綜合導彈防御聯合司令部為評估彈道導彈防御性能完成了一次地面試驗,模擬了各種類威脅場景,以綜合評估彈道導彈防御系統的功能[6]。

2.2 國內研究現狀

第二次世界大戰后期,火炮控制與飛行控制系統的研究孕育了仿真技術,至今仿真技術已深入到我國國民經濟、國防建設、自然科學、社會科學等領域,發揮著越來越大的作用[2,4-5]。我國戰術導彈仿真的發展大致分為三個階段：第一階段20世紀90年代中期之前,是我國戰術導彈仿真發展的初級階段。在此期間建成了第一批導彈制導半實物仿真系統,包括射頻制導和紅外制導半實物仿真系統,主要應用于單一制導模式、簡單點目標的制導控制系統半實物仿真。第二階段1995—2010年,是我國戰術導彈仿真進入快速發展階段。一是制導半實物仿真技術趨于成熟,出現紅外成像、雷達主/被動復合、射頻/光學雙模復合等制導半實物仿真應用系統;二是導彈武器系統攻防對抗仿真技術、體系仿真技術快速進步,為導彈武器性能/效能評估、裝備頂層設計、新型號論證等發揮了重要的技術支撐作用。第三階段是2011年至今,是我國戰術導彈仿真進入成熟發展的新階段。在信息、計算、網絡等新技術推動下,智能化建模與評估新方法、高效能仿真支撐平臺技術、貼近真實感的系統試驗與評估、高性能高逼真探測導航制導半實物仿真等技術,為導彈武器研制提供更有效的驗證和評估手段。

我國戰術導彈仿真領域經過長期發展,已形成較為完善的技術體系,建成了多個可服務于戰術導彈武器裝備研制的仿真試驗系統/平臺,支撐導彈武器研制全系統、全過程的發展[15-17]。

1)典型實體/環境數學建模與物理效應模擬有效支撐應用

建立了一定規模的典型實體模型庫、典型環境模型(即其效應)模型庫,研制了面向應用的光學、電磁物理效應模擬器。實體模型包括幾何模型、物理特性模型等。環境模型包括典型氣象環境模型和自然環境模型等[12,15-17]。物理效應模擬器包括光學單元模擬器、光學輻射式及調制式多元成像模擬器[18]、多光譜成像模擬器、電磁陣列式單元模擬器、電磁陣列式成像模擬器、氣動光學/氣動加熱等特殊物理效應和多物理場耦合效應模擬器、結構動力學環境模擬器、導彈發射系統模擬器、火控系統模擬器、導彈武器系統全任務維修訓練模擬器等[19]。上述模型及模擬器已應用于戰術導彈仿真系統/平臺、仿真試驗及仿真訓練中。

近年來,我國在仿真模型校核方法方面也取得了研究成果,包括：對各類模型校核方法的研究、對模型校核過程中抽象方法的研究及近似條件選取等,仿真模型置信度越來越高,更有力地支撐了戰術導彈仿真驗證評估。

2)仿真系統/平臺較好服務于應用

仿真系統/平臺的技術研究成果已快速轉化為仿真手段和能力,成功研制了適應于戰術導彈仿真多種任務需求的仿真系統和平臺,包括部件級和單系統級性能驗證與評估半實物仿真系統、多系統級性能驗證評估數字/半實物綜合仿真平臺和體系級效能評估數字仿真平臺。目前,我國已研制的半實物仿真系統可滿足多種體制的導航、制導、控制等仿真需求。一是先進光學成像制導半實物仿真技術已趨于成熟,如單波段、雙波段紅外半實物仿真系統、紅外/可見光半實物仿真系統等已應用于導彈仿真中。二是在射頻制導仿真技術領域先后研制了多套陣列輻射式射頻半實物仿真系統,可滿足不同探測體制仿真試驗驗證需要[20]。三是光學/射頻復合半實物仿真技術近年來發展快速,研制的基于緊縮場的射頻/紅外共口徑復合半實物仿真系統、多通道射頻陣列/紅外成像共口徑復合半實物仿真系統已獲得工程應用。其中,基于緊縮場的射頻/紅外共口徑復合半實物仿真系統采用光學和電學一體化設計的方法,通過在五軸轉臺上共用一套光學準直系統實現射頻/紅外的共口徑復合。

在多系統級仿真平臺建設方面,已取得多項高性能仿真平臺的技術成果,構建了由多個分系統組成的全系統綜合仿真支撐環境和試驗平臺,將數字、半實物等仿真資源集成,實現全系統級性能仿真評估,為全系統兼容性、協調性、匹配性等仿真驗證提供服務。

在導彈裝備體系論證級決策仿真支撐平臺建設中,形成了Arch Modeler,SysPrime等復雜系統體系結構設計工具和“XSimStudio[21]”“數字武器開發平臺DWK”“基于組件的一體化建模與仿真系統CISE++”等體系仿真平臺,構建了導彈裝備體系仿真示范應用系統等。基于CNP Tools,e M-Plant等工具和軟件構建了一體化聯合保障裝備保障業務仿真推演體系,能夠對導彈武器系統任務保障效能進行分析。

3)仿真試驗技術已成為支撐戰術導彈全生命周期的技術手段

目前,單系統級仿真試驗技術比較成熟,如制導控制半實物仿真,已廣泛應用于戰術導彈設計研制中,并在試驗鑒定中發揮了越來越重要的作用。近年來,體系論證仿真試驗技術、多系統構成的全系統性能/效能評估仿真試驗技術得到越來越多的關注和重視。以提升產品環境適應性為需求,鑒定試驗已將系統性能/效能仿真、體系效能評估仿真納入其中,成為產品鑒定試驗的有效補充。

為適應戰術導彈“試驗—鑒定”一體化發展的趨勢,已在試驗設計和試驗方法方面開展了研究,通過研制方與使用方合作及共享信息和數據,針對戰術導彈試驗的小子樣問題,充分利用驗前信息,在仿真試驗框架設計、試驗環境構建、試驗項目篩選化、試驗樣本水平確定以及試驗數據融合分析等方面取得應用研究成果[22-23]。仿真試驗校核與確認直接影響仿真結果的正確性和可用性,開展基于VV&A 過程,以及Bayes網、云模型、信息熵與模糊數學等方法研究,對不同系統層次的復雜仿真系統置信度開展分析,滿足統計評估的基本要求[24-25]。國內研究人員運用小子樣評估、多源信息融合、異總體參數評定、效能分析評估等建模與仿真方法,充分綜合各階段、各種類的評估數據,實現對戰術導彈技術性能和作戰使用效能的全面綜合評價[26-29]。

2.3 研究現狀分析

戰術導彈仿真技術經過多年的發展,從原來較單一的設計驗證仿真發展為論證。設計研制、鑒定評估全生命周期仿真,從單系統性能仿真發展為單系統性能仿真、多系統性能/效能綜合仿真與體系對抗仿真的全系統仿真,如圖3所示。基于國內外發展分析,當前戰術導彈仿真技術的研究現狀可歸納為以下幾點：

1)新技術、新方法等在建模仿真中的應用最為迅速和廣泛,已形成的仿真體系架構、較豐富的模型和模擬器儲備、功能較強的性能/效能仿真系統和平臺,以及較完善的仿真試驗和評估方法,為戰術導彈仿真奠定了較好的基礎。

2)已建立的典型實體/環境模型庫,與不斷提高的導彈復雜環境適應性要求尚有差距,復雜場景建模仿真的逼真度需進一步提高。模型/模擬器的構建標準和評價方法尚不健全。

圖3 仿真在裝備全生命周期中的作用Fig.3 Function of simulation in the life cycle of missile weapon

3)已建立的仿真系統、仿真平臺主要解決單系統的分段設計驗證問題為主;多系統綜合仿真平臺的研究還需進一步深入,平臺的能力、智能化水平及評估置信度都有待提升。

4)已形成的仿真試驗應用,從支撐研制向支撐論證和鑒定使用的“兩端”拓展。但新興的高沉浸式強交互虛實融合仿真試驗技術還處于研究階段;高逼真仿真試驗方法、高效/智能仿真試驗評估方法尚需深入研究和應用驗證。

3 重點發展方向分析

3.1 復雜場景建模仿真技術

隨著戰場環境和戰術導彈系統復雜度的提升,給當前單一、孤立的建模思路帶來了巨大挑戰。針對所面臨的“復雜”建模對象,復雜環境建模、物理效應建模等已成為研究重點。

3.1.1 復雜場景數學建模

1)復雜場景特殊效應特性建模

當前復雜電磁/光電場景的復雜度雖然有標準進行分級,但實質上還處于定性階段,需進一步建立“復雜度”量化度量模型。復雜場景之所以復雜是由于內含的要素多且要素之間存在動態交互或耦合效應,因此需要重點研究各源之間的動態交互下耦合特性及等效場景構建方法,如研究多物理場環境互耦效應機理及測試方法、多場耦合效應下的成像目標畸變特性建模方法等。

2)實測數據反演建模

針對實測數據在仿真中的應用問題,研究靜態目標紅外輻射特性的測試方法、真實環境動態目標紅外輻射特性跟蹤測試方法、復雜場景紅外輻射特性模型標準化表示方法,構建復雜場景的紅外輻射特性數據庫,與理論模型循環校核進行比對,基于新型紅外成像模擬器響應特性,建立復雜場景紅外輻射特性的仿真模型。

3.1.2 復雜場景物理效應模擬

1)高性能成像模擬

由原來簡單的單點目標或多點目標、固定背景模擬逐步轉為成像模擬,例如紫外成像、SAR 成像、MIMO(多輸入多輸出系統)成像等模擬。同時,原有的成像模擬的圖像分辨率和動態范圍等性能指標也將越來越高。不僅模擬傳統的目標、干擾、背景等常規信息,而且要模擬特殊環境或物理效應對成像的影響,例如氣動光學效應造成的波面畸變等[30]。

2)多維度目標信息模擬

多維度目標信息模擬是在現有模擬目標信息維度的基礎上增加新維度(如距離維、速度維、光譜維、偏振或極化維等[31]),例如射頻任意變極化、激光多普勒或微多普勒、光學偏振成像、多光譜成像等模擬。隨著維度的增加,所需模擬的信息量以幾何級數增加,而當前傳統器件的模擬信息量有限,為了模擬新增加維度的信息,要犧牲其他某個或某些維度的信息量,從而降低了系統的分辨率。隨著三維或多維目標信息物理輻射模擬技術的發展,未來多維度信息模擬的精度也將越來越高。

3)多體制復合目標模擬

多體制復合目標模擬是采用復合方法將兩種或多種不同體制的目標模擬器進行復合共用或一體化設計研制[32-34],例如被動微波或毫米波與中波紅外成像復合、激光雷達與可見光成像復合、毫米波/長波紅外/激光半主動三模復合等。對于分口徑的目標復合,在原有仿真方法和系統的基礎上基本可以完成,而對于多模共口徑復合,技術實現矛盾的焦點轉移到復合方法和復合器件上。

3.2 仿真支撐平臺技術

3.2.1 面向高逼真強實時多任務協同仿真平臺

協同作戰是現代化戰爭的主要樣式。以多體協同、多飛行器編隊等為主要特征的復雜裝備研制,需要仿真平臺具備全任務剖面的高逼真、強實時的仿真支撐能力。硬件在環是提高仿真逼真度的主要手段,對于多體協同、多飛行器編隊等仿真,則需要多套硬件在環仿真系統通過實時通信網絡構成一體化的協同仿真環境。該環境對協同性、實時性等要求十分苛刻。當前,需解決仿真實時控制與集成交互、組態化運行與高穩定幀時間控制、超高速實時網絡通信與智能I/O 交互等難點,使仿真平臺具備超高速率實時數據通訊及多種接口的長線傳輸與通用適配能力。

3.2.2 面向多領域融合的跨域/異構聯合仿真平臺

跨域/異構聯合仿真以不同領域仿真技術融合研制能力為核心,能應用于全數字仿真和半實物仿真中,包含裝備論證仿真、產品設計與驗證仿真、生產制造仿真、服務保障仿真等方面。依靠大數據、云計算等技術,以先進的計算機技術、網絡技術以及通信協議技術為基礎,將具備特定功能的各類仿真資源進行集成,實現深層次多方協同、開源式資源共享、系統性場景再現,實現跨域/異構仿真資源互操作、可重用和可組合能力。

當前,戰術導彈武器多系統跨域/異構聯合仿真需重點關注兩方面。一是實時同步與邏輯同步模式下的仿真資源重用性和可信性問題。針對異構跨越條件下的互聯仿真,研究高精度時間同步技術及時間推進機制,實現不同形態的參試、受試資源靈活組合,并保持在相同的想定和試驗方案下,試驗結果的一致性。二是解決遠程互連的適用性和安全性。對于存在實時交互要求嚴苛的仿真環境,研究遠程分布網絡數據實時傳輸技術,并在試驗方案設計和參試與受試資源部署使用時進行合理規劃和設計,將遠程互聯帶來的誤差控制在適用范圍之內[27]。

3.3 仿真試驗技術

典型條件下戰術導彈性能驗證和優化的仿真試驗方法及評定方法已有較成熟的應用,面向復雜應用的邊界條件下及系統全鏈路性能仿真試驗等正成為研究重點。

3.3.1 性能仿真試驗

1)邊界性能仿真試驗

靶試的局限性使戰術導彈的邊界與極限性能難以考核,制約著導彈裝備的作戰運用。未來可充分利用仿真的優勢,在內場仿真試驗室進行極限條件下的仿真試驗對導彈的性能摸底探邊。重點研究解決仿真有限資源條件下和有限樣本下的邊界性能試驗設計問題,以及從試驗數據中提取邊界性能指標的問題。

2)全鏈路綜合仿真試驗

在對抗條件下,導彈武器系統通常具有交互性、高動態性、不確定性等特點,為了對導彈武器系統設計的正確性、協調性進行驗證和優化,驗證和評估導彈武器系統性能,需要實現導彈武器從系統探測、指揮發射控制、制導控制、引戰配合直至命中目標的全武器系統閉環仿真試驗。

3)多體協同仿真試驗

隨著云作戰、蜂群作戰、網絡中心戰等作戰理念的研究與推進,戰術導彈由單彈作戰向多彈協同、集群協同作戰發展。在試驗室環境下,在有限的仿真計算資源、有限物理效應模擬資源條件下,仿真多目標交互環境及集群交互過程,達到場景再現、機理再現、過程再現和效果再現的目的。

3.3.2 體系效能仿真試驗

能力存在于體系之中。體系對抗仿真技術在裝備體系頂層設計、方案論證、推演與評估,熱點問題研究和體系運用研究中成熟應用,形成了一批不同體系和用途的仿真試驗系統,滿足了目前相關領域對仿真的迫切需求。同時,通過這些項目的建設,各部門廣泛推廣了體系對抗仿真技術,使體系仿真作為一種研究導致得到認可和接受。體系效能仿真試驗需在給定威脅、條件、環境和作戰方案下,檢驗與評估體系實現特定任務目標的效果。隨著戰術導彈朝著多彈協同、集群協同、體系化方向發展,其體系效能仿真試驗面臨大樣本、高維度等問題,制約著體系效能仿真試驗的效率,增加了仿真成本和時間開銷。因此,需要對體系效能仿真試驗的過程、抽樣方法、試驗變量、試驗數據采集等進行科學設計,在覆蓋體系效能試驗要求的前提下,對試驗的各個環節進行優化,提高試驗效率,降低試驗開銷。

4 后續發展思考

仿真技術將沿著“數字化、虛擬化、網絡化、智能化、普適化、協同化”的方向發展。近年來,云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術與建模仿真技術進一步深度融合,使建模仿真的潛力進一步釋放,提升了建模仿真技術對戰術導彈仿真需求的支撐能力。

4.1 新材料、新工藝、新方法促進裝備仿真的仿真器高性能、高置信度發展

4.1.1 促進物理效應模擬技術的更新換代

1)推動紅外成像目標轉換核心技術升級

紅外成像目標模擬的核心是紅外轉換器。當前國內已實現工程應用的紅外轉換器主要分為三類：基于光調制的數字微鏡陣列[18]、基于熱發射的電阻陣[36]和基于光熱轉換的光纖面陣[37]。對于以上三類轉換器,需要借助芯片的半導體工藝以及先進的光學設計仿真手段提升成像模擬的性能和應用范圍。此外,運用最新技術開發新型的紅外成像轉換技術,例如MEMS二維振鏡掃描成像、紅外激光高溫高動態目標模擬、光子誘導動態紅外圖像模擬等。

2)微波與光子結合提升射頻目標模擬性能

射頻目標模擬系統的工作帶寬受到了傳統微波器件工作帶寬的限制,光的波長是微波波長的百萬分之一到千分之一,其作為載波所傳輸的信號帶寬遠大于射頻作為載波所加載的信號。基于微波光子方法能在光域實現微波信號產生、傳輸、處理和控制,有望解決射頻信號的動穩定低耗傳輸、高純度的微波本振信號生成、瞬時大帶寬射頻信號的幅相精確控制等問題,提升當前射頻目標模擬的性能,為未來新體制射頻目標模擬方法提供了新的可能[38]。

4.1.2 探索先進新體制新概念戰術導彈仿真器

針對顛覆性概念前沿、新體制、智能新概念戰術導彈,探索例如量子雷達及光量子成像模擬、關聯成像模擬、X 射線脈沖星模擬、高精度地球重力場模擬、姿軌控六自由度模擬、跨介質過程模擬等新型仿真器的概念,為未來新型戰術導彈武器的仿真需求儲備仿真技術能力。

4.2 數字化、網絡化、智能化促進裝備仿真系統集成的標準化、平臺化

數字、智能、網絡三大領域是未來技術持續創新戰略的關鍵要素,上述要素與仿真技術的結合,將加速真實物理世界與虛擬仿真世界的融合。催生出仿真新方法、新功能和新業態,推動仿真系統快速發展,促進裝備仿真系統標準化、平臺化。

1)構建面向新型聯合作戰的分布式綜合試驗環境

為應對武器裝備在未來大規模聯合作戰條件下的試驗鑒定評估需求,基于5G、物聯網等先進網絡技術,促進面向服務平臺架構的發展,將云計算引入到建模與仿真領域中,以提高互操作性、可組合性、可重用性,降低建模與仿真的成本,使可快速部署、可互操作和可信的服務型仿真平臺成為可能。集成各領域試驗資源,構建面向體系、虛實結合的分布式綜合試驗環境,充分發揮各專業試驗系統與靶場的技術與資源優勢,支撐開展大規模聯合作戰裝備試驗與訓練演習。

2)推動先進智能仿真技術應用

隨著人工智能技術的發展,認知仿真等智能化仿真技術被應用到試驗鑒定評估領域。在開展體系對抗條件下的武器裝備試驗鑒定評估和智能化武器裝備的試驗鑒定評估時,重點解決復雜體系對抗建模、網絡安全對抗模擬、智能無人集群對抗模擬等仿真問題,實現體系對抗對象和智能化裝備/系統認知決策過程與結果的有效模擬。

4.3 新的試驗方法和試驗評估方法促進仿真對裝備鑒定更有力支撐

1)建立基于建模仿真的試驗鑒定評估理論方法體系

為滿足新型武器裝備和聯合作戰條件下的試驗鑒定評估需要,從理論基礎、技術理論、應用理論等方面建立理論方法體系,應用虛實結合、平行系統、在線/事后評估、深度學習等基于建模仿真的試驗鑒定評估新手段,解決試驗鑒定評估在使用條件、實施流程、數據處理、結果評估等環節存在的問題。

2)發展基于混合現實技術的虛實結合仿真試驗鑒定模式

將虛擬現實、增強現實、混合現實技術應用于鑒定試驗,構造高沉浸式的虛擬仿真戰場或虛實結合的戰場環境,實現試驗人員、作戰指揮人員與裝備的虛擬場景交互,形成人在回路的實裝與仿真相結合的試驗鑒定模式,提升武器裝備在戰場對抗環境中的實戰性能評估水平,滿足鑒定評估要求。

3)注重加強海量試驗數據的深度挖掘和綜合分析

大數據技術為海量數據的深度挖掘與綜合利用提供了有效手段。由于基于建模仿真試驗鑒定評估產生的海量仿真、實裝等多維試驗數據在類型、格式、粒度上千差萬別,采用大數據技術對其進行深度挖掘和綜合分析,可從多視角展現裝備在不同試驗環境、試驗條件下的戰術技術效能,大幅提高武器裝備試驗鑒定評估的可信度與有效性。

5 結束語

仿真技術正面臨著前所未有的發展機遇,未來將結合戰術導彈武器裝備建模與仿真技術需求,開展顛覆性概念、前沿新體制等戰術導彈武器裝備的仿真技術研究,瞄準仿真應用,積極探索仿真新概念、新方法、新技術,推動我國戰術導彈仿真技術轉型升級和持續創新式發展。