靶场试验方案推演与评估系统设计

2015-07-01孙艳英

兵器装备工程学报 2015年3期

孙艳英

(92941 部队，辽宁葫芦岛 125001)

在海上靶场进行的导弹试验，发射平台和发射方向多是移动变化的，而测控装备的测量站址是固定的，使测控装备的性能受航区及海上各种环境条件的限制。靶场试验航区周围石油钻井平台的增多，制约靶场试验航路的选取，为靶场试验方案的制定增加了难度。靶场试验方案是由试验主管人员根据历史经验设计试验航路，选用参试装备，目前还没有科学合理的论证方法和方便可行的论证工具对设计出的试验方案进行合理性分析和论证。另外，在靶场组织的导弹飞行试验中，往往由于试验危险区内存在的个别渔船影响，导致试验任务一再推迟甚至取消。针对上述原因，本文设计了靶场试验方案推演与评估系统，模拟导弹沿预定飞行试验航路飞行，推演参试装备对导弹跟踪测量参数和跟踪性能，估算导弹在飞行中对保护目标的威胁程度，评估试验方案的总体性能，既能动态演示试验进程，对试验方案进行科学合理的演示验证，为试验方案制定人员提供测试和验证工具，还能提供准确、可靠的威胁态势信息，为试验决策首长提供辅助决策信息支持，避免或减少一些试验资源浪费，提高靶场的指挥自动化水平。

1 试验方案推演与评估系统设计

1.1 系统结构

靶场试验方案推演与评估系统主要由试验方案推演系统、试验方案评估系统、数学模型库、数据库(包括测量原始数据、测量结果数据、理论弹道数据、测控装备性能指标、测控站点数据、航区周围重点目标数据)、数据库管理系统、信息显示系统、人机交互界面组成。系统结构如图1 所示。

图1 靶场试验方案推演与评估系统结构

1.2 试验方案推演系统

试验方案推演主要基于制定的试验方案，依照理论弹道数据，结合导弹运动特点、测控装备技术指标、航区及海上各种环境条件的限制，通过数学推演模型按时间轴生成导弹运动参数、参试测控装备对导弹的跟踪测量数据等试验模拟推演数据，对试验过程进行动态推演，驱动靶场指挥显示系统动态展示推演过程中的试验综合态势和试验预期结果。若推演过程中输入定制的推演事件［1］，则解算推演事件对导弹飞行试验的影响。推演事件是试验过程中影响试验进程的事件，如危险区或禁区渔船，航区附近石油平台，复杂气象条件等。假设推演事件1 为航区某位置的石油平台，则在方案推演过程中实时解算目标在飞行过程中对石油平台的威胁概率，给出不断变化的量化结果，并将威胁概率按值域范围分成不同威胁等级，当威胁概率大于规定范围时给出威胁提示和威胁等级提示。

1.3 试验方案评估系统

试验方案是否满足试验要求，需要对该方案各主要指标进行评估，即对测量精度、可靠性和试验成功率等进行分析和评价。

试验方案评估系统根据试验方案推演系统产生的推演数据，估算参试装备在不同弹道段落的测量精度、测量覆盖区域、各弹道段落的测量成功率、安控可靠性(安控时延)、对重要目标的威胁概率等指标。最后综合试验方案各项指标，应用系统分析方法对试验方案作出明确评价，评估试验方案的合理性。

1.4 数学模型库

数学模型库包括数据分析、计算、推理所需的各种数学模型。主要包括设备误差引入模型;测控数据仿真模型;对测量数据进行预处理的野值剔除、数据平滑、滤波、预测等算法模型;实时数据处理模型(弹道解算、落点评估、对重要目标的威胁概率评估等);装备历次试验数据质量评估模型;测控装备在跟踪覆盖区域的测量成功率、测量精度解算模型;目标理论弹道对不同测系的坐标变换模型;系统可靠性估算模型;试验方案综合评估模型等。

1.5 数据库

靶场测控信息主要包括外测(光测、雷测、GPS/北斗)、遥测、警戒雷达等信息。

测控装备原始测量数据录入测量原始数据库;经野值剔除、平滑、滤波、定位等一系列处理后的弹道解算结果、设备质量评估结果(包括跟踪时间、跟踪稳定性、数据录取有效率、测量精度)等数据录入试验结果数据库;任务结束后的事后数据处理结果作为数据真值录入试验结果数据库。

靶场所有测控装备的战术技术指标参数(作用距离、测角范围、跟踪角速度、测量精度等)录入测控装备指标数据库;靶场所有测控站点的大地坐标(L、B、H)和空间直角坐标(X、Y、Z)录入测控站点数据库;航区周围重点目标的大地坐标(L、B、H)、区域面积、重要等级等数据录入航区周围重点目标数据库;水文气象数据录入水文气象数据库。

数据库管理系统用于完成对数据库的录入、修改、查询和维护工作。

2 试验方案推演过程

2.1 弹道仿真

弹道仿真可分为理论弹道仿真、极限弹道仿真和任意规划弹道仿真。

理论弹道和极限弹道由工业部门提供，一般分为3 种:建立在空间直角坐标下的坐标(t，X，Y，Z);建立在大地坐标下的坐标(t，L，B，H);建立在发射坐标系下的平面坐标(t，X，Z)和海拔高程H，由下式［2］

计算发射坐标系下的坐标 (t，X，Y，Z )。

任意规划弹道是在二维电子地图上任意输入目标运动航迹，根据目标的起始点坐标、时间、运动速度和运动方向生成目标规划弹道。

在实时数据处理中，需要根据外场装备的数据帧频将仿真弹道数据加密成同等帧频数据。

2.2 装备测量数据仿真

为了对目标飞行试验进行定量分析，需要对目标在空间的位置、速度等参数进行测量，提供各测量站到飞行目标的距离、方位角、高低角，及它们随时间的变化率等。

对于给定的仿真弹道，需要进行发射坐标系、地心坐标系与测量坐标系之间的转换［2-3］，最终将发射坐标系或地心坐标系下的目标弹道数据转换为各测站测量坐标系下对目标的观测元素，如方位角、俯仰角、目标距离等，这些观测元素是测量站在理想条件下的观测结果。

装备的测量原理、测量体制、测量环境等因素影响，使靶场测控系统中测量装备采集的目标运动参数数据存在各种不同程度的误差。对于设定的目标运行轨迹，为准确推演各测量站对目标的观测结果，需要在理想的观测结果中加入合理的测量误差。

2.3 测量误差引入

随着目标的运动，测量站相对于被测目标之间的相对位置关系即跟踪几何在不断变化，其测量误差也在不断变化，而电磁环境、气象等要素也会影响测量装备的测量结果。因此，不同测量装备的测量误差不同，布站位置不同的同一种测量装备的测量误差不同，不同气象条件参试的同一测量装备的测量误差也不相同。

考虑试验中易出现的异常情况如异常测元、时间不同步等情况。按照误差模型将各种误差源的误差仿真值加到理想状态下的观测结果上，形成合理的测量仿真结果。引入的误差源包括空间传播误差、大地测量误差、测量设备误差、时统误差等主要误差项。

误差仿真的策略是:向不同测量段落的各测元分别加入符号不同、大小不等的系统误差;向各测元分别加入服从正态分布、均值为零的随机误差。引入的系统误差和随机误差的方差的大小可根据各测量装备的性能指标和在不同参试条件下的历史测量误差统计分析获得。

不同站址的测量装备对目标的捕获时间、跟踪时间不同，需考虑各测站的跟踪覆盖范围和对目标的通视性。

2.4 测量装备通视性分析

由于测量装备的自身性能(测角范围、最大作用距离、跟踪角速度、角加速度等)影响和时空条件(地球曲率、目标的光照条件等)限制，测量装备对目标的观测是有范围的。

当目标飞行高度较低时，有些站位装备因地形遮挡测量不到目标，需根据各测量站点周围地形地貌，得到各自的受限范围。

测量装备能够观测到目标的空间范围称可见域。由于目标特性、环境条件和测控装备自身性能的影响，装备对其可见域目标不一定能发现和跟踪，装备对目标的跟踪特性可由仿真和历史测量结果统计分析获得。

2.5 推演事件定制

试验方案制定过程中或进入试验程序后，总有一些含有一定风险的不确定事件影响试验方案的制定或试验的实施，可在试验方案推演系统中预先或实时输入定制的推演事件，推算和演示推演事件对导弹飞行试验的影响。例如，在按任务需求规划的某试验航路中，有某石油平台距试验禁区较近，应分析导弹飞行故障对该石油平台可能造成的威胁，对试验风险进行评估。为此，可以在试验方案推演系统中预先输入该试验平台位置，定制对该石油平台进行威胁评估的推演事件，在方案推演过程中实时推算并显示导弹故障对该石油平台的威胁概率。

推演事件由用户和推演系统的人机交互界面输入，对于固定事件元素如石油平台位置存储在数据库中，输入时从数据库调入，突发性事件元素人工输入。

2.6 推演态势显示

真实演示试验飞行过程、参试装备工作状态及试验预测结果，是对该试验实施过程的预演，为方案制定人员和试验决策人员提供科学、直观的可视依据。显示内容包括试验目标飞行轨迹，参试测控装备对目标的跟踪状态、跟踪测量参数，系统测量精度，导弹故障时预测落点对重要目标的威胁概率等。

3 试验方案评估方法

3.1 评估指标确定

为确定设计出的试验方案是否满足试验要求，试验过程中出现的突发事件是否影响试验安全、满足试验条件，需要对系统某些指标进行量化、评估，包括对测量精度、测量覆盖区域、测量成功率、安控可靠性、目标威胁概率等指标进行分析，建立量化分析模型，并对各指标量化结果进行综合评估，对试验方案的合理性和可行性作出准确评价。

3.2 测量覆盖区域分析

已知各测量装备的站址和战术技术指标，根据理论弹道或规划弹道，在考虑周围地形、地球曲率、跟踪角速度等因素的影响下，分析各参试测控装备组成的测控系统对被测目标可达到的跟踪测量区域［4］，分析被测目标在试验航区内任意位置，系统可实现的跟踪覆盖区域，估算是否满足测控要求。

影响测量装备捕获跟踪的许多因素呈随机特性，例如弹道与姿态的随机变化、装备的随机误差、环境条件的随机变化等，需要通过多次仿真，用统计的方法确定测量覆盖区域，并采用数据列表和图形方式显示。

3.3 测量成功率分析

参试的每台装备，并不是每次试验都能保持较好的可靠性并提供有效的试验数据，在实际测量时因可靠性不够导致不能提供有效的试验数据的情况需要考虑在内。

测量成功率分析是对参试的各测量装备组成的测控系统进行可靠性估计，计算整个测控系统成功完成对目标测控任务的概率。

本文对测控系统可靠性的评估分析，是以被评估参试装备在近期内参加试验任务能够提供有效测量信息的能力作为衡量其可靠性的重要指标和依据，并兼顾到测控装备近期的维护保养情况及参加测控联调、合练等任务的工作状态。

设某装备在近1年内参加试验任务N 次，有N1次提供了有效的试验数据，未能提供有效数据的情况包括装备故障、操作手操作失误和测量数据异常等。计算单台装备测量成功率r 的公式为

测控系统中的各装备是相互独立的，整个测控系统的测量成功率模型为并联结构。系统的测量成功率计算公式为

3.4 测量精度分析

在靶场进行的武器装备的试验目的是检验武器装备的战术技术性能，鉴定武器装备性能是否满足战术技术指标的标准测控系统的精度。

假设某测量装备采用某种数据处理方法得到导弹的弹道坐标为x1、x2、…、xn，理论弹道坐标为x01、x02、…、x0n。则该装备提供的测量精度估计值［5-6］为

同理可得到

则系统测量精度统计结果为:

在不同测控段落，参试装备不同，导弹参数精度不同，需要根据参试装备实际测量和数据处理情况合理划分统计区域，使弹道精度统计结果真实反映各测控段落实际情况，以正确检验试验测控方案是否满足试验要求。

3.5 安控可靠性分析

安控由弹上自主自毁系统和地面安控系统组成，两系统采用并联方式。将各系统装备按工作方式进行分类，建立各装备的可靠性模型和框图，按照设备基本可靠性指标MTBF值和规定的任务时间，计算各装备的任务可靠性［7］。靶场安控可靠性框图如图2 所示。

图2 靶场安控可靠性框图

3.6 目标威胁概率评估

距试验危险区较近的目标或试验禁区内出现的移动船只，需计算导弹故障飞行时对目标的威胁概率。靶场试验的导弹故障模式［8］一般分为有控坠落和失控坠落2 类模式。每类模式又分为有偏坠落和无偏坠落2 种形式。由于导弹在其飞行弹道上任一点均可能发生故障，且弹道上不同点对于保护目标的威胁不同，工程上一般采用弹道逐点积分原理进行计算。基本方法是:导弹故障或对导弹实施安控后自毁落点散布是以自毁点为中心，以导弹速度方向为中心，半径为R 的长方形或扇形等区域，R 值大小与导弹故障时的导弹速度、弹道高度有关，在中心方向上均匀选取间隔足够小的点，计算每一点对保护目标的威胁概率，然后相加。

3.7 试验方案评估

由于试验中涉及的环境因素、设备因素、人为因素的不完全确定性，有些试验方案评定指标比较抽象、模糊，如测量装备工作的稳定性、人工操作的随机性等，基于这种描述问题的不准确性即模糊性，可采用模糊综合评价方法［9-10］对试验方案进行综合评估。

设U={u1，u2，…，un}为评价指标因素集合，V={v1，v2，…，vm}为评价指标的评语集合。设模糊集合B～={b1，b2，…，bm}是评语集合V 上的一个模糊子集，其中bj(j=1，2，…，m)∈［0，1］是第j 种评价vj对模糊集B～的隶属度;模糊集合A～={a1，a2，…，an}为评价指标因素权重集合，其中为从U 到V 的一个 (n×m )维模糊关系矩阵，其矩阵元素rij表示从第i 个指标因素着眼，作出第j 种评价的可能程度。则评判结果

4 实例分析

将某试验方案分成3 个测量段落，在每个测量段落分别对测量精度、测量覆盖区域、测量成功率、安控可靠性、目标威胁概率进行分析、统计，给出出不同指标的模糊评价值。将评判集定义为﹛好，良好、一般、差﹜。如由首段参试设备的测量成功率分别为0.70、0.60、0.70、0.60、0.65，则由并联成功率计算公式得出首段测量系统的测量成功率为0.995，其模糊评判集为{0.5，0.4，0.1，0}。同理得出各评价指标的评价关系矩阵R～: