高炮武器系统虚拟射击试验方法

葛承垄，朱元昌，邸彦强，孟宪国

（军械工程学院，石家庄 050003）

高炮武器系统虚拟射击试验方法

葛承垄，朱元昌，邸彦强，孟宪国

（军械工程学院，石家庄 050003）

首先介绍了高炮武器系统对空射击精度试验现状，针对传统试验方法存在的成本高昂、组织繁琐、试验周期长等不足，提出了一种基于抽样的虚拟射击试验方法，介绍了虚拟射击试验原理，给出了虚拟射击试验系统结构图，重点讨论了各系统的主要功能，最后给出了虚拟射击试验的数据流分析、组织实施流程和验证思路。

高炮武器系统，射击试验，虚实结合

0 引言

虚拟试验场VPG（Virtual Proving Ground）技术是美军于20世纪90年代末提出的一种旨在实现多靶场一体化联合试验训练和靶场仿真资源互操作、可重用的一种新技术，代表了武器系统试验鉴定的发展方向。国内研究人员针对虚拟试验场也取得了部分研究成果。文献［1］系统阐述了虚拟靶场的特点及技术内涵，设计了基于TENA的虚拟靶场总体框架；文献［2］从虚拟试验场体系结构、一体化信息系统、通用合成环境等方面介绍了虚拟试验场的研究现状，并给出了虚拟试验场未来的几点发展趋势；文献［3］介绍了虚实合成试验的基本内涵，阐述了研究反舰导弹突防虚实合成试验方法的必要性和意义，构建了反舰导弹突防虚实合成系统并论述了其组成功能。

高炮武器系统是地面防空领域的重要力量，然而国内针对高炮武器系统虚拟射击试验方法的研究还是空白。现有的射击精度试验方法是以航模作为目标靶机，随着高炮武器系统性能的不断提升，对高速航模靶机的需求也日益增加。这使得现有射击精度试验方法面临试验成本的急剧增加，为了更好、更快、更经济地完成靶场高炮武器系统射击试验任务，本文突破传统物理靶场的观念，就高炮武器系统对空虚拟射击试验技术进行了研究并提出了一种可行的虚拟射击试验方法。

1 虚拟射击试验方法原理

针对靶场试验过程中存在的试验成本、试验误差、试验周期等突出问题，提出了基于抽样的虚拟射击试验方法，其原理如图1所示。

图1 基于抽样的虚拟射击试验原理图

高炮武器系统虚拟射击试验方法的基本思想为：首先基于动态精度飞行试验数据，利用抽样理论获得目标测量值数据和目标真值数据，然后用目标真值数据替代目标靶机，用目标测量值数据替代目标坐标测定器的测量值，将目标测量值数据注入到被试武器系统中，解算射击诸元，驱动火力系统进行射击，利用脱靶量测量标准设备得到弹道坐标数据，通过脱靶量数据处理分析武器系统射击精度。其中，基于抽样理论的目标测量值数据和目标真值数据的生成过程称之为航迹生成。

2 虚拟射击试验系统组成及功能

高炮武器系统虚拟射击试验是以评估高炮综合体在接近真实试验环境下的射击精度为目的，采用虚实结合的试验方式，构建成本低廉、周期较短、可信度高的试验平台。高炮武器系统虚拟射击试验系统结构如图2所示，主要由被试武器系统、实时测试系统、航迹生成系统、航迹注入系统、虚拟场景合成系统、虚拟空间和坐标映射关系组成。整个系统在数据流的支持下构成统一的整体。

图2 虚拟射击试验系统结构图

2.1 航迹生成系统

由于整个虚拟射击试验系统由数据流驱动，获取虚拟射击试验所需的航迹是进行虚拟射击试验的前提条件，因此，航迹生成系统起到“数据源”的作用，是整个虚拟射击试验系统的核心组成部分。

航迹生成过程由确定数学假设、确定动态精度飞行试验有效航次数［4］、抽样算法［5］、航迹生成验证4部分组成，在逻辑上形成问题研究的闭环。首先，完成对某一时刻测量误差分布的假定，为生成航迹奠定理论基础。其次，通过估计全航路的系统误差置信区间［6］长度和均方差置信区间长度，观察二者随动态精度飞行试验航次数（样本量）的变化趋势，确定动态精度飞行试验的有效航次数，使得N条航迹数据在一定置信水平下代表同一试验条件下全部航次的数据特征，同时计算全航路动态精度性能指标［7］。再次，确定有效航次数之后，通过分析航迹个体间的差异程度，选取适当的抽样算法，抽取虚拟射击试验所需的一条航迹。最后从相关数学假设的验证和检验动态精度性能指标的置信水平出发，利用假设检验理论对航迹生成过程进行验证。

2.2 航迹注入系统

航迹注入系统完成将生成的目标测量值数据注入到火控系统中，主要由航迹注入接口完成。注入接口是被试武器与虚拟试验系统之间进行数据交互的硬件接口设备。针对不同型号、不同物理接口电气关系、不同数据传输协议的被试武器系统，利用特定的注入接口进行航迹注入。

2.3 被试武器系统

被试武器系统是虚拟射击试验中的真实资源，其主要作用是经航迹生成得到目标测量值之后进行射击诸元解算，得到射角和方位角，并驱动火力系统对靶机的虚拟航迹进行射击。

2.4 实时测试系统

火力系统对虚拟航迹进行射击后，弹丸弹道坐标的获取主要依靠实时测试系统，即靶场测量设备。在真实射击精度试验中，目标测量值数据和目标真值数据分别由目标坐标测定器和目标标准测量设备测得；而在虚拟射击试验中，目标测量值数据和目标真值数据经抽样产生，因而真实资源中的靶场测量设备主要是指弹道标准测量设备。

2.5 坐标映射关系

构建基于Virtools下的虚拟试验环境，“虚”、“实”之间需要交互大量的数据，而这些数据是在不同坐标系下定义的。主要涉及4个坐标系［8］：靶场中的车体坐标系、靶场中的北天东大地坐标系、Virtools中的世界坐标系、Virtools中的大地坐标系。因而坐标映射关系主要解决靶场和虚拟试验环境的坐标系不一致问题，使二者达到空间一致。首先，明确坐标系的建立原则，即坐标原点位置及X、Y、Z的方向定义。其次，根据火控系统原理，确定坐标系的旋转、平移转换关系。最后，确定坐标系的映射关系。

2.6 虚拟场景合成系统

虚拟场景合成系统主要完成两大任务。一方面，利用3dsmax软件实现虚拟试验环境及靶机、弹丸等的几何、物理建模，并基于Virtools软件将建模对象合成到统一的试验环境中。另一方面，实现相关数据信息的融合和交互，为在虚拟空间中统计射击精度提供保证。

2.7 虚拟空间

虚拟空间为虚拟射击试验提供虚拟环境，主要包括虚拟靶场环境、虚拟靶机和虚拟弹丸等。为逼真地反映对空射击试验过程，在虚拟空间必须完成对目标实体的行为建模。其中虚拟靶机依靠生成的目标真值数据驱动飞行，弹丸由经坐标映射获得的坐标数据驱动飞行，同时在虚拟空间内得到脱靶量计算结果，用于评定高炮武器系统射击精度。

3 虚拟射击试验数据流分析

虚拟射击试验的数据流主要有两条。一条是“由虚入实”数据流；另一条是“由实入虚”数据流。虚拟射击试验数据流示意图如图3所示。

“由虚入实”数据流：航迹生成后得到目标测量值数据，然后通过火控接口注入火控系统中，解算射击诸元，驱动弹丸飞行。一方面，航迹生成后得到目标真值数据，并导入虚拟空间驱动虚拟靶机飞行；另一方面，在高炮武器系统对虚拟航迹进行射击过程中，弹道标准测量设备实时测量弹丸坐标，通过坐标映射方法将弹丸坐标数据映射入虚拟空间并驱动虚拟弹丸的射击飞行。除了以上两条数据流外，相关虚拟射击试验数据将被存储，用于回放虚拟射击试验过程。

图3 虚拟射击试验数据流分析

4 虚拟射击试验组织实施

为更有效开展虚拟射击试验，需要规范的组织实施流程。首先根据试验要求、靶场经验、抽样指标、抽样算法等确定样本要求并得到样本（样本量为N），然后判断样本是否满足要求，若不满足则重新进行动态精度飞行试验获取新样本，直至样本满足要求。若满足样本要求，则根据样本内部个体差异、抽样规模和相应抽样参数等因素选择一定的抽样方法进行抽样得到目标测量值和目标真值。接下来进行对空虚拟射击试验，并进行脱靶量计算，最后得到射击精度的统计结果。虚拟射击试验组织实施流程如图4所示。

图4 虚拟射击试验组织实施流程

5 试验验证思路

高炮武器系统虚拟射击试验突破了传统实装试验模式，是一种虚拟试验与实装相结合的试验方法，试验的可信性反映了试验方法的正确与否，亟需适当的验证方法进行验证。

高炮武器系统虚拟射击试验与传统实装试验的主要区别在于：以虚拟靶机替代实际靶机飞行，虚拟靶机的飞行由抽样产生的实测数据驱动；负责拍摄同帧画幅的靶场光学设备无法拍摄到靶机，射击精度统计（脱靶量的计算）需要在虚拟环境中完成。因而试验方法的验证主要从以下两点入手。①针对提出的相关假设，利用分布检验和假设检验理论对航迹生成进行验证；②对传统试验方法和“虚实结合”试验方法得到的脱靶量数据进行对比分析，根据脱靶量统计特性（均值、方差）判定两种方法是否有显著差异。

6 结论

高炮武器系统对空射击精度试验成本高、试验周期长、组织复杂，在真实环境中进行试验受到制约，因而必须逐渐改变当前的试验模式。本文提出的一种高炮武器系统虚拟射击试验方法，将仿真技术应用到靶场试验中，实现由传统实装试验向“虚实结合”试验的转变。

［1］关萍萍，翟正军.虚拟靶场运行支撑体系结构研究［J］.计算机测量与控制，2009，17（2）：2475-2478.

［2］陈广林，郑建福，高雪.虚拟靶场技术发展趋势及靶场应用［J］.兵器试验，2008，10（5）：42-48.

［3］李一，冯楠.反舰导弹突防虚实合成试验方法［J］.火力与指挥控制，2012，37（10）：185-188.

［4］郝继平.目标探测精度试验的样本和航次数量设计及其应用［J］.中北大学学报（自然科学版），2008，29（4）：380-384.

［5］杜子芳.抽样技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2005：105-110.

［6］盛骤，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计［M］.北京：高等教育出版社，2000：195-200.

［7］GJB3856—99.中华人民共和国国家军用标准——高炮综合体定型试验规程［S］.北京：国防科工委，1999.

［8］梁冠辉，朱元昌，邸彦强.基于HLA/Virtools的高炮火控系统仿真平台设计［J］.系统仿真学报，2009，21（21）：6954-6958.

Research on Virtual Firing Test Method for Anti-aircraft Weapon System

GE Cheng-long，ZHU Yuan-chang，DI Yan-qiang，MENG Xian-guo
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

The status of anti-aircraft weapon system firing precision test is introduced firstly，and aiming at the deficiencies of high cost and long cycle and complicated organization process，a virtual firing test method based on sampling is proposed and the principle of virtual firing test is introduced. Then the structure chart of virtual firing test system is put forward，and system’s major functions are mainly discussed in this paper.The data flow，organizing execution flow and validation notion of virtual firing test are acquired finally.

anti-aircraft weapon system，firing test，virtual and real complex

TP391.9

A

1002-0640（2015）05-0157-03

2014-03-02

2014-04-21

葛承垄（1990- ），男，山东平阴人，硕士。研究方向：武器系统仿真。