导弹定型鉴定中仿真与飞行试验一体化研究*

2012-09-02赵喜春时维科

现代防御技术 2012年6期

赵喜春，时维科

(中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛 125001)

0 引言

仿真技术用于支持武器装备研制已有广泛的研究，早在20世纪90年代末美国就提出了建立一个以虚拟样机为基础，以作战仿真为测试评估环境的装备采办全过程，全方位管理系统，以达到快、好、省地开发武器系统的目标。从国内外仿真技术用于辅助武器装备采办层面讲，大致有3种情况:其一，将技术状态相同的研制性试验结果和靶场仿真试验结果作为验前信息，将靶场定型飞行试验信息作为现场试验信息，用贝叶斯方法［1］进行定型鉴定;其二，利用研制过程的半实物仿真试验和实弹打靶对其模型进行校核、验证，其可信度模型被确认后，用大量的仿真打靶进行定型鉴定;其三，利用仿真技术构造一个虚实合成的试验环境，利用这个环境对真实系统进行测试、评估和鉴定［2-3］。战术导弹仿真试验与飞行试验一体化研究的目的是将仿真试验与型号设计、飞行试验及其他试验贯穿起来，通过飞行试验打靶校验模型，使用已校验的模型进行仿真打靶，通过仿真打靶减少实弹打靶次数，进而实现缩短研制周期和减少研制经费的总体任务。

1 定型鉴定中仿真试验与飞行试验一体化的方案构想

战术导弹仿真与飞行试验一体化以科学发展观“统筹兼顾”的基本方法为指导，以靶场定型试验战术技术性能和战术使用性能鉴定为核心，运用系统论、控制论和信息论的方法［4］，研究试验内容、试验手段、试验分析与评估、试验管理等方面的一体化试验理论和方法。其重点是实现一体化试验设计、一体化试验评估和一体化试验管理。

1.1 一体化试验设计

仿真试验与飞行试验一体化设计的基本思路如下:

(1)对导弹武器系统性能指标的考核［5］(如对反舰导弹自控终点散布、捕捉概率、单发命中概率和防空导弹杀伤区、制导精度、引战配合效率和单发杀伤概率等)以主要特征点飞行试验为依据，辅以仿真手段进行统计分析。

(2)各种复杂条件(如复杂电磁环境、复杂气象环境、复杂环境条件和典型干扰环境条件等)对武器系统的影响，主要以仿真手段来考核，辅以几组典型的抽样飞行试验进行考核。

(3)各种边界条件(如对反舰导弹的最大、最小射程，最大射击扇面角和对防空导弹的高界、低界、远界、近界、大航路捷径等)的考核，全部用仿真手段实现。

(4)飞行试验中故障的查找、定位和复现，特别是根据靶场测量数据和一般分析无法确定故障原因时，需以仿真试验为主要分析手段，以实弹飞行试验为辅助手段分析故障机理。

(5)武器系统作战使用性能(如对付多目标能力，系统安全性、可靠性等)的考核，以飞行试验为依据，辅以仿真手段进行分析。

1.2 一体化试验评估

将实际飞行试验与仿真试验结果进行一体化处理是定型鉴定中的关键，一种可行的途径是将可信的仿真试验结果作为性能指标鉴定的验前信息，以实际飞行试验结果为现场信息，应用贝叶斯统计方法进行评定［6］，其基本方案如图1所示。

图1 一体化试验评估基本方案Fig.1 Integrated test and evaluation project

1.3 一体化试验管理

一体化试验管理的关键是协商及论证靶场、使用单位、承研单位之间不同的试验目的和要求，进而提出一体化实施总体方案［7-8］，具体规定飞行试验和仿真试验的考核项目及分工，共享试验信息，对战术导弹仿真和飞行试验信息实施闭环控制，一体化试验信息组织系统如图2所示。

2 仿真试验与飞行试验一体化的关键技术

在战术导弹定型鉴定中，仿真试验结果与实物试验结果的一致性检验和一体化处理是一体化试验的关键技术问题。

2.1 仿真试验结果与实物试验结果的一致性检验

根据试验结果的特性，系统性能参数包括静态性能和动态性能，其中，静态性能以随机变量的形式表示，如导弹试验的命中点偏差、杀伤概率等;动态性能以随机序列的形式表示，如导弹过载、姿态、速率、分系统的输出等［9］。

随机变量一致性检验属于两样本统计假设检验的范畴，可分为2种情况:

(1)当静态参数总体的分布函数F完全未知时，采用非参数检验方法。一般地，在大样本情况下，可利用 Kolmogorov-Smirnov 检验，Pearson χ2检验;在小样本情况下，则采用Wilcoxon秩和检验、逆序检验等，其理论都比较成熟。鉴于导弹飞行试验次数少，一般采用秩和检验来检验仿真试验结果和飞行试验的一致性。

图2 战术导弹仿真与飞行试验信息组织系统示意图Fig.2 Sketch map of statics missile simulation and fly test information organization system

(2)当静态参数总体的分布函数F已知时，一般采用参数假设检验方法中的置信区间法或假设检验法等，其理论也比较成熟。

随机序列的一致性检验［10］比较复杂，分析的方法既可以在时域中进行，也可以在频率域中进行，一般分2种情况:

(1)通过分析仿真与实物试验结果的误差序列特征，对二者间的一致性进行评估。常用的有判断比较法、Theil(theil inequality coefficient，TIC)不等式系数法、灰色关联分析和时序模型比较法等。

(2)通过估计仿真与实物试验结果各自的某些典型特征，并加以比较，对二者间的一致性进行评估。目前比较受推崇的方法为频谱比较法［11］，其基本思想是将2个时序的一致性检验问题转换为2个频谱密度的一致性检验问题。

值得说明的是，上述不同的方法有各自的特点和适用范围，应按不同的实际问题确定检验的方法。

2.2 仿真结果与实物试验结果的一体化处理

定型试验中，仿真所获得的数据量往往很大，而实际飞行试验数据量一般较小，但其真实性远高于仿真试验，因此如何应用仿真结果，是值得深入研究的问题。目前，一种可行的方法是将可信的仿真结果作为验前信息，以实物试验结果为现场信息，应用贝叶斯统计方法进行鉴定，其评估步骤如图1所示。

3 仿真试验与飞行试验一体化应用示例

将仿真与飞行试验一体化方法应用于某型导弹武器系统定型鉴定，对试验结果进行一体化处理，对系统战技性能进行了全面评定，为设计定型提供了可靠依据。

3.1 仿真模型的建立

导弹武器系统全参量数字计算机仿真模型采用Matlab和C/C++混合编程技术进行建模。仿真模型主要包括以下4部分，其中，制导控制及六自由度弹体动力学仿真模型主要采用Simulink和C/C++混合编程技术建立，模拟导弹从发射到拦截的全部工作过程;引战配合仿真模型采用M语言编写，模拟引信的无线电通道和全部的起爆控制逻辑，并能作出战斗部对目标的杀伤效果评估计算;武控装定参数计算仿真模型采用M语言编写，模拟计算导弹发射时装定参数的计算过程，并能模拟装定过程中的误差环节;雷达数据处理仿真模型采用C/C++语言编写，模拟雷达对测量数据的卡尔曼滤波过程，并能模拟数据处理过程中的系统误差、随机误差和噪声。

3.2 仿真模型的校核

根据批复的仿真试验大纲要求，仿真系统的模型验证工作主要集中在系统的二次建模上，对计算机仿真模型的验证主要采用3种方法:①仿真结果与靶试结果进行比对;②仿真结果与设计部门的控制弹道程序进行比对;③仿真结果与设计部门的标准题进行比对。通过对各种数据进行比对表明:仿真计算结果与其他参照数据源基本吻合，仿真模型是正确的，仿真结果是可信的。

3.3 仿真目标特性和仿真空域点的设计

依据该型导弹武器系统研制总要求，其主要用于拦截空中飞机类和反舰导弹类目标，因此本次仿真试验选择2种典型目标，其中飞机类目标雷达散射截面积分别取为1，2和5 m2，并将模型合理分成8个子目标，每个子目标的有效反射面积用相应的向量形式表示，运动速度按300，500，700 m/s 3档设置，机动过载取0.5，2.0，3.5和5，机动方式有上仰、俯冲、水平顺时针、水平逆时针、S型机动5种;反舰导弹类目标的雷达散射截面积取为0.05，0.1和0.2 m2，并将模型合理分成8个子目标，每个子目标的有效反射面积用相应的向量形式表示，运动速度按400，650和900 m/s 3档选取，机动过载取2.5，5，机动方式有俯冲和S型2种。

仿真空域点的设计依据是该型武器研制总要求中的杀伤空域指标。仿真特征空域点覆盖全部杀伤区空域，根据目标速度和目标类型的不同，由低空到高空按不同的高度分层计算;在每个确定的高度层上，航路捷径由0逐渐增加到最大;机动过载的大小从低空到高空逐渐减小，机动方式随机选取，每个空域点进行100次以上蒙特卡罗统计仿真计算。

3.4 仿真与飞行试验结果的一体化处理

一体化处理的方法是将通过一致性检验认为可信的仿真结果作为验前信息，然后应用上面提到的方法，如最大熵法、共轭分布法、自助法或随机加权法等，作出其总体未知分布参数的分布函数或密度函数，进而得到其验前分布，其中自助法和随机加权法可以直接由样本得到未知分布参数的近似表示，并且适用于信息量较少的场合，本文推荐使用。这样，在经过实际飞行试验获得少量现场样本后，可用贝叶斯决策方法进行验后性能鉴定，此时的关键是决策损失函数的选取，而鉴定的优良性指标可用犯2类错误的概率及决策风险来衡量［12］。

3.5 仿真在定型鉴定中的应用情况

(1)精度鉴定的主要依据

由于受外场飞行试验弹数、试验安全、靶标供靶能力等因素限制，有时系统所要求的使用条件在真实试验环境下是无法实现的，对其精度的全面统计分析只能通过仿真试验条件来保障。仿真试验结果表明，大机动、大航捷和俯冲攻击类目标对系统制导落入概率、引战配合效率及单发杀伤概率［13］有一定的影响。

(2)系统性能指标鉴定的补充依据

根据杀伤区仿真空域点的设置，在设计的每个高度层上按照航路捷径由小到大的顺序对不同斜距的弹目交会点进行100次以上的统计仿真，仿真结果验证了武器系统反飞机和反反舰导弹的垂直杀伤区和典型高度的水平杀伤区。

(3)产品故障分析的辅助依据

在系统外场真实环境试验中，由于被试系统的故障或自身存在的问题而导致试验失败的事件时有发生，也是系统研制过程中在所难免的，问题是如何提高试验的成功率，一个极为有效的方法就是在系统外场试验之前，尽可能地通过仿真试验发现系统存在的问题，以及在外场失败的情况下，尽快地通过仿真试验查找和分析其中的原因，排除隐患，确保再次外场试验的成功。

(4)外场试验方案优化的设计依据

由于仿真试验不受时间、地点、环境等条件的严格限制，具有消耗少、重复性好、试验环境可以模拟控制等特点，因而可对影响系统的多个参数不同水平进行比较充分的试验，获取大量的系统仿真试验数据。通过对仿真试验数据的分析，可以比较全面地了解掌握不同等级水平条件下试验目标及环境对系统影响的基本情况，在进行灵敏度分析的基础上，选择对于系统影响较大的主要参数和典型的等级水平进行外场试验的航次数量，缩短外场试验周期，降低试验消耗，提高试验效率。