舰艇防御评估的标准仿真结构

夏全国

(中国人民解放军92941 部队94 分队，辽宁 葫芦岛 125001)

从2000 年开始，美国海军舰艇防御战斗系统的工程人员已经开始为舰艇战斗系统作战防御进行评估方法的研究。舰艇防御系统性能的关键效能指标是防御毁伤概率。防御毁伤概率评估是将战斗系统作为一个整体确定为评估标准，同时衡量各种传感器、控制系统以及参战人员作为一个作战单位合起来的性能。由于种种原因，如技术、安全及成本，舰艇防御战斗系统性能的评估，特别是防御毁伤概率在测试场地仍无法解决。建立舰艇防御毁伤概率评估方法就是使用建模与仿真的突出作用解决这些问题。

1 防御系统效能

舰艇防御毁伤概率是舰艇防御的关键技术指标。然而，评定防御系统效能有很多种目标。这些多个目标证明了这样的事实:完成防御毁伤概率值的生成方法最为重要。

1)提供满足作战试验与评估需要的防御毁伤概率舰艇级别的结果;

2)作为输入参数为战斗提供系统能力与限制条件;

3)向舰艇防御战斗系统人员提供战斗系统性能洞察力。

第一个目标，通过一种恰当的方式，防御毁伤概率评定过程是提供防御毁伤概率对于舰艇级别的结果，以满足作战测试与评估。第二个目标是作为输入对舰队战术开发提供系统作战能力，即:帮助指战员清楚如何进行舰艇防御。第三个目标，评定过程是向舰艇防御系统战斗决策人员提供对战斗的洞察力。这个洞察力结合到战斗系统性能操作者手中可能就是最重要的目标，使它能够面对未来战斗系统的设计与开发，解决所面临的威胁。

2 舰艇防御评估的通用仿真结构

舰艇防御毁伤概率评定过程是一个半实物仿真试验过程，在点对点通讯的舰艇防御体系中只能在仿真联邦内部计算。该过程执行需要有效的仿真体系结构定义与一套完整的仿真试验标准;即防御毁伤概率仿真测试系统与武器仿真试验规程。其中防御毁伤概率评定的仿真架构是以下面原则为基础建立的。

2.1 防御毁伤概率评估将使用分布式、可交互的仿真

防御毁伤概率评估不能靠单一的计算机完成仿真，而是需要一套以综合舰艇、战斗系统组成、威胁目标等多条件为要素的仿真。仿真系统中的各设备单机将不按顺序，进行分布式的独立运行。作战评估的逼真度要求不被仿真交互性所影响。而是通过建立一套仿真试验网络系统，各个设备在一定周期内合作运行。整套仿真系统工作的单一仿真程序执行将决定单一舰艇对抗单一威胁偷袭目标的防御效果。多套程序执行仿真将决定防御毁伤概率评估结果。在程序运行期间各线程的进展将由运行支撑结构控制，以达到维持体系结构安全的完整性。另外，对于作战评估的仿真程序而言，必须允许在一定的运行时间内程序执行率比实时多线程运算的仿真要慢。同时这些仿真模型的接口应该遵守武器系统试验前拟定的接口协议，以便形成联邦对象模型与联邦协议。特殊应用的防御系统效能与协议文件的制定应该通过武器系统仿真试验的工程技术人员按照一定的程序来完成。

2.2 目标威胁与判断的通用性将通过仿真系统的时空一致性来实现

联邦开发与执行程序提倡创建一套通用仿真测试系统的对象模型，也可称作仿真系统工程概念模型。它要能够识别所有的威胁目标与影响防御系统效能的任何战场自然环境情况。这样统一定义的物理模型特性必须运行到系统仿真试验中。这些单个仿真成分的计算分配将较灵活地适用于继承使用与运行时间效率，不会破坏统一系统工程的整体性。因此，只要一体化的威胁要素在运行时间期间最终实现，威胁目标要素的各个方面可能分布于战斗系统单元仿真中，例如，影响威胁雷达信号的威胁天线和实物定向，可能在某一仿真中实现，而其他威胁的数据就在一部雷达仿真内所独有，只要雷达仿真能识别仿真中天线/实物定向计算的变化。相似地，假如由其他恰如其分的单元仿真所引起的变化是一致且可识别的，自然环境条件的影响可能在单独单元仿真的运行期间平行地计算。

2.3 系统通信接口设计要规范

战术指挥系统对仿真系统的接口需要规范、统一。比如，试验指挥中心舰艇到防御系统应该如同舰艇上一样，作用到防御毁伤概率的战场范围。这样做的目的是为了避免再次对已经存在且在随之产生的系统仿真接口内部建立的置信度重新建立接口定义。另外，软件测试可能利用现有的与综合数据系统或成像和显示设备相匹配的诊断工具来改进。这些系统间的通信要求服从仿真系统试验接口。同时，整个仿真系统试验接口没有必要在逐个接口上进行封装，只考虑影响防御毁伤概率的即可。

2.4 系统的交互作用以物理特性为基础

在舰艇防御系统中，对于体系结构内的所有要素必须执行，并适当的反映所出现的其他系统的影响与作用。在以体系结构为支撑的防御系统试验中要引入具有威胁的突袭目标，而不是一个接一个地参战。同时还要有充分的细节来表示其交互性，以证明作战评估是完全可以信赖的。这将使运行的执行时间速度比实时慢，同时还要应该适应物理特性为基础的高密度计算，所以，仿真要让执行运行时间管理的速率比实际慢。

3 防御毁伤概率仿真测试系统组成与功能

近年来，随着计算机软、硬件技术和网络化水平的不断提升，舰艇防御武器系统试验手段得到很大提高，特别是对一些边界特性试验的分析和评估越来越朝着虚实合成试验体系方向发展。防御毁伤概率评估仿真测试系统的基本目的是创建一种可运行的仿真结构来满足基本要求，为舰载武器系统防御毁伤概率评估方法提供可实践的平台，并且将为舰艇防御毁伤概率评估方法的顶层设计拓展思路。

3.1 防御毁伤概率评估仿真测试系统组成

防御毁伤概率评估仿真测试系统组成主要包括:操控显示分系统、战情仿真分系统、评估处理分系统、网络接口分系统、光电跟踪模拟器、搜索雷达模拟器、跟踪雷达模拟器、数字仿真分系统、GPS 时统、设备电缆。系统软件包括:支持软件Windows 2000、Windows XP;程序设计语言:VC++6.0、RTX 软件。应用软件:操控显示应用软件、战情仿真应用软件、搜索雷达模拟应用软件、数字仿真应用软件、光电模拟应用软件、跟踪雷达模拟应用软件、网络监听应用软件、评估处理应用软件等。

3.2 防御毁伤概率评估仿真测试系统功能

1)目标态势仿真

多目标战场态势仿真、多目标战场态势目标初始参数输入及仿真驱动、空海岸目标航路模拟、仿真输出水面、空中和岸上目标航路真值数据。

2)目标航路噪声仿真

空中目标在水平方向和垂直方向分别或同时叠加扰动，水面目标在垂直方向上考虑舰船升沉叠加扰动，扰动初始参数可配置。

3)舰艇防御系统通信报文仿真

根据运行需要仿真舰艇防御系统火控目指、火控诸元、发射器架位以及捷联等通信报文。

4)外场真实目标航路复现

使用真值设备的目标航路数据或舰艇防御系统的测量数据处理后作为仿真目标航路真值驱动舰艇防御武器系统工作。

5)数据录取功能

实时监听录取舰艇防御武器系统的网络信息。在外场试验或半实物仿真试验时，通过网络交换机监听口实时监听录取搜索雷达点迹/航迹、火控目指、雷达目标跟踪数据、光电目标跟踪数据、火控诸元、发射器架位以及捷联报文信息。

6)时间同步功能

使用配置的GPS 时统设备实现系统内部时间同步;由GPS 时统设备对接入的试验时统时间同步B 信号解调输出B 码时间、1 s 时间同步脉冲和10 ms(或20 ms)时间同步脉冲实现与舰艇防御武器系统各设备同步。

7)数据处理功能

评估搜索雷达点迹/航迹精度、火控目指精度、雷达跟踪精度、光电跟踪精度、火控诸元精度、发射器架位以及捷联精度;评估全系统反应时间、跟踪雷达反应时间、光电反应时间、情报和火控反应时间。

8)仿真试验精度和反应时间评估

根据仿真试验类型，评估搜索雷达点迹精度、火控目指精度、雷达跟踪精度、光电跟踪精度数据、火控诸元精度以及发射器架位精度数据;评估全系统反应时间、跟踪雷达反应时间、光电反应时间、情报和火控反应时间。

9)数据管理、存储及驱动功能

将监听的防御武器系统数据，接收目标、摇摆台真值数据和评估结果数据按要求存入数据文件进行管理，并可根据需要提取外场航路真值，驱动被试系统进行试验。

10)人机交互功能

具有参数装定、运行控制、态势显示、状态显示和数据显示功能。

4 防御毁伤概率仿真测试系统仿真试验实例

小口径舰炮武器系统是水面舰艇近程反导防御的最后一道防线，肩负着最后毁伤来袭导弹的重要使命任务。其毁伤概率是在给定射击条件下，射弹毁伤目标可能性大小的量度，取决于武器性能、弹药威力、战斗或射击条件、导弹的防护能力等因素。舰炮武器系统最终目的是为了使射出弹丸命中并摧毁目标，因此，在舰炮武器系统外场试验中考核对目标的毁伤概率尤为重要。为了使考核结果可信，需要进行充分的外场试验，不过，由于靶标特性、测量安控保障能力以及经费、周期等方面的限制，射击试验难以充分进行，即使进行充分试验，目标是否毁伤有时也不易判别。因此，防御毁伤概率仿真测试系统仿真试验应运而生。

下面选取某型舰炮武器系统跟踪靶标的动态精度数据和靶标的参数，全航路l 门舰炮对1 个靶标毁伤概率进行仿真。

1)首先抽取某型舰炮跟踪某型靶标一航次的动态精度数据。根据火控解算程序计算单位气象条件改变下，弹丸在水平距离和高度上的改变量，即计算fhv0、fdv0、fhp、fhv0、fdp、fhwd、fdwd。

2)测定靶标前、侧和仰视面积为Ax、Ay、Az，根据目标飞行航路和弹丸存速计算靶标在x 坐标系上的命中域。

3)计算动态精度、气象准备误差和弹丸散布误差在X坐标系的脱靶量。

4)设定舰炮射速、开火距离、停火距离和每航次射弹数。

5)初始确定仿真次数N0，对该航次进行仿真。

仿真次数达到要求后，根据置信系数和毁伤概率计算值修订仿真次数N1，直到满足要求。在射弹数和射速等射击条件一定的情况下，不同开火距离毁伤概率变化如下:在捷径一定的情况下，开火距离越近毁伤概率越高，但是随着目标接近我舰，也会对我舰造成很大的威胁，需要选择一个合适的开火点，使得既要给予目标以有效打击，又要避免我方更大损失。

在射击距离和射速等射击条件一定的情况下，不同射弹数下毁伤概率变化如下，毁伤随射弹数的增加而增大，射弹数超过1 500 发后，命中概率的增长趋缓，因此，依靠无限增加射弹数对于提高毁伤概率作用有限。况且，射弹增加，射击时间过长，炮管过热，会使毁伤概率降低，同时，火炮的弹鼓有限，也不可能备有太多的弹药。在射击距离和射弹数等射击条件一定的情况下，不同射速下毁伤概率变化如下:随着射速的提高毁伤概率增大，但是射速超过8 000 发/分以后，增加缓慢，甚至略有下降。因此，在一定范围内，射速增加能够增大毁伤概率，但是射速太快会造成振动过大，炮管过热膨胀，使目标毁伤概率降低。在不同航路方位和高低射角的动态精度综合误差情况下，仿真得到毁伤概率如下:动态精度的方位和高低均方根都较小时毁伤概率较高。反之，动态精度的方位和高低均方根都较大时毁伤概率较低。但是在动态精度单一指标较高时，命中概率不一定较高，在动态精度方位均方根达到0.28，但是高低均方根只有2.47，这一航次毁伤概率只有46.2%。

总之，射击距离越近，毁伤概率越高;射弹数越多，毁伤概率越大。

5 结束语

舰艇防御毁伤概率评定方法使武器系统实现战斗时的点对点评估，而不必通过实际事件来评估。防御毁伤概率仿真测试系统提供的成果与经验，创新了舰艇防御毁伤概率的评定方法标准及结构。同时，利用舰炮武器系统试验数据计算毁伤概率在具体试验中进行了实践考核，这样能够为舰艇防御武器系统试验的组织实施提供决策依据，使得防御毁伤概率测试系统仿真计算舰艇防御毁伤概率具有一定的可信性。

［1］邱志明.舰炮武器系统分析［M］.北京:兵器工业出版社，1999:113-129.

［2］冯元伟，冷述振，李本任.基于动态跟踪数据的舰炮射击精度仿真［J］.弹道学报，2007，19（1）:27-29.

［3］程健庆.仿真建模技术在新型舰炮武器系统中的应用［J］.计算机仿真，2002，19（1）:54-58.

［4］徐世录，侯振宁.弹道导弹防御系统的现状与发展［J］.情报指挥控制系统与仿真技术，2004，26（1）:32-37.

［5］美国国防部. 美国弹道导弹防御评估报告:2010 年版［M］.武期祖，译.出版地不详:［出版社不详］，2010.

［6］王薇，杨晴川.美国国防部削减导弹防御项目预算［N］.中国青年报，2009-05-08（3）.

［7］金圣彪.美国弹道导弹防御系统的发展现状及趋势［J］.导弹与航天运载技术，2009（5）:57-61.

［8］杨丽明.奥巴马宣布美国放弃东欧导弹防御系统［N］.中国青年报，2009-09-18（4）.

［9］王军生，姜青山，马良.反舰导弹末端机动对反导舰炮的突防模型研究［J］. 海军航空工程学院学报，2006（4）:449-451.