新型舰炮火控仿真试验建模及VV＆A技术

2015-12-02韩建兴田尚飞

指挥控制与仿真 2015年5期

韩建兴，田尚飞

(江苏自动化研究所，江苏连云港 222061)

传统的舰炮武器及火控技术趋于成熟，但在应对新的作战对抗目标发展过程中，舰炮系统需不断更新和改进技术，以满足新的作战使命需要。新型舰炮系统的发展，离不开新型火控的精确解算和控制。例如在近程反导舰炮武器系统中，应用火控新机理、新算法，提高系统瞄准精度和快速反应能力;通过提高舰炮发射率和弹丸初速度，发展新型制导弹药，提高对导弹的毁伤效果［1］。同时仿真技术已经被应用于舰炮武器装备的全生命周期，包括论证和设计研制，定型测试验收，以及装备后的模拟训练等过程中，对新型舰炮火控系统中的关键技术研究验证、新系统的能力试验评估测试提供有效的途径方法，持续支持着舰炮武器系统的发展。如何在仿真试验下对火控新技术进行有效的验证，确保火控新模型能够快速形成战斗力，关键是对仿真模型进行VV＆A过程，通过对仿真数据进行验证，提高仿真试验的可信度。

1 舰炮火控系统仿真概述

1.1 仿真工作原理

舰炮火控系统包括火控设备和跟踪传感器(跟踪雷达和光电跟踪仪)，是舰炮武器系统的主要组成部分，主要用于探测、跟踪目标，解算射击诸元，进行射击战术决策，控制舰炮武器开火射击［2］。系统的基本作战过程为:自动接收作战指挥系统目指，自动捕获跟踪空中、海上目标，接收导航信息，求取目标运动参数，解算射击诸元，瞄准射击。系统根据传感器实时测量的对空脱靶量、对海岸弹着水柱偏差进行闭环校射，在线实时校正射击误差，提高系统射击精度。

舰炮火控系统仿真是通过在仿真系统中模拟生成作战环境，验证火控系统或火控设备功能、工作流程是否合理，性能是否满足要求。其中包括:1)舰炮火控设备仿真，通过对跟踪雷达、光电跟踪仪以及捷联垂直基准、舰炮武器进行数字建模，对其信息输出进行仿真，模拟火控设备作战过程的工作环境;2)舰炮火控系统仿真，通过雷达中频模拟器、光电模拟器分别生成模拟信号驱动跟踪雷达、光电跟踪仪按仿真方式工作，模拟火控系统作战过程的工作环境;其中前一种为数字信息仿真，后一种为模拟信号仿真。以跟踪雷达工作方式为例，舰炮火控仿真试验工作原理如图1所示。

1.2 仿真模型组成

在舰炮火控系统仿真过程中，采用面向对象方法对系统进行建模，主要模型如图2所示。

1)跟踪雷达仿真模型

图1 舰炮火控仿真试验工作原理图

图2 舰炮火控系统仿真模型组成图

仿真对象:跟踪雷达传感器;模型功能:对跟踪雷达功能、性能及工作流程进行仿真，与战术环境生成、火控设备进行信息交互，输出传感器设备状态及目标跟踪数据。

2)光电跟踪仪仿真模型

仿真对象:光电跟踪仪;模型功能:对光电跟踪仪功能、性能及工作流程进行仿真，与战术环境生成、火控设备进行信息交互，输出传感器设备状态及目标跟踪数据。

3)火控设备仿真模型

仿真对象:舰炮火控设备;模型功能:对火控设备目指、滤波、解命中、射击控制功能进行仿真，与指控系统、跟踪雷达、光电跟踪仪、舰炮武器、捷联设备进行信息交互，输出火控目指、诸元数据。

4)舰炮武器仿真模型

仿真对象:舰炮设备;模型功能:对舰炮武器主要功能进行仿真，与火控设备进行信息交互，输出架位、状态数据。

5)捷联仿真模型

仿真对象:舰炮武器、跟踪雷达配套捷联设备;模型功能:捷联设备信息仿真，与仿真环境进行信息交互，输出航向、纵横摇测量数据。

6)外弹道仿真模型

仿真对象:舰炮弹丸外弹道;模型功能:根据火炮架位、射击时刻、气象计算弹丸外弹道位置、速度。

2 舰炮火控系统仿真校核的内容

1)校核分类及工作内容

模型一致性校核:检查从概念建模到结构建模，再到程序建模过程需求是否可跟踪可追溯。

模型属性校核:模型所包含的属性是否能够完整地描述仿真对象;主要检查模型所配置的参数是否完全、正确，能否满足模型实现其功能、性能的需要。

模型功能校核:模型所实现的功能是否能够包含仿真对象的主要功能，主要检查模型是否实现了仿真对象的各项功能及子功能。

模型性能校核:模型所实现的主要性能指标是否与仿真对象的性能一致;主要从仿真结果是否符合仿真对象的性能指标设计结果、是否符合仿真对象实际结果两方面进行验证。

模型接口校核:模型所具有的输入输出接口是否满足模型运行与外部模型进行信息交互的需要;主要从标识是否清晰、数量是否完整、内容能否满足整个仿真系统统一设计的要求等方面进行验证。

2)舰炮火控仿真模型校核内容

舰炮火控系统各仿真模型校核内容见表1。考虑舰炮火控试验中的仿真需求，下面以跟踪雷达仿真、外弹道仿真为例，对舰炮火控系统仿真建模及校核验证过程进行详细分析。

3 跟踪雷达探测误差模型及验证

3.1 跟踪雷达探测误差建模

根据对舰炮跟踪雷达测量误差分布特性的假设，可以建立两种不同的模型。本文以目标距离测量为例，分别描述。

1)假设误差服从高斯分布，则仿真模型为

式中，c为距离测量误差，ui为N(0，1)分布随机数，σD为距离测量误差均方差，mD为距离测量误差均值，即数学期望。

2)假设误差服从正态平稳随机过程［3］，则仿真模型为

式中，Δt数据周期，ρD为相关系数。

对于舷角Q、高低角ε，可建立相似的模型。

3.2 跟踪雷达实测误差分析

为验证上述跟踪雷达探测误差模型仿真结果是否正确、合理，我们先对跟踪雷达的实测数据进行分析。对跟踪雷达对目标跟飞试验测量误差进行统计，分析其误差统计结果及误差分布情况。跟踪雷达8组试验数据统计结果见表2，其中第4组的距离误差分布如图3所示，可见该组数据基本符合标准高斯分布。

为能够使用式(4)所述方法对跟踪雷达进行建模仿真，需要先对雷达实测数据误差的自相关性进行分析，根据跟踪雷达具有等周期测量的特点，只考虑相邻周期测量误差相关性时，则式(4)中τ=Δt为常量，经转换有相关系数ρ'D:ρ'D= ρD·Δt

图3 某航次距离误差分布图

由式(5)，对跟踪雷达实测误差数据序列进行相关性分析，得结果如表3。

表3 跟踪雷达实测误差相关性统计结果

3.3 高斯误差模型验证

以上述第四组数据距离误差统计结果作为仿真输入，按照式(1)所述模型，仿真生成12组雷达测量误差序列;然后对仿真结果进行统计、误差分布及对滤波影响的分析，验证其是否符合跟踪雷达实测结果。统计结果见表4，误差分布如图4所示，可见该仿真数据统计结果与输入高度一致，并符合标准高斯分布。

表4 仿真结果统计

图4 高斯模型仿真结果误差分布图

由于跟踪雷达实测数据误差并不是简单的单一模型表示，导致火控滤波存在误差，仿真数据的滤波结果是否与真数据滤波结果一致或相似，是仿真是否逼真的重要因素。为验证高斯模型是否逼真，将2组高斯模型生成的仿真数据与对应的1组真实测量数据采用相同的方法进行滤波平滑处理，并统计处理后数据精度，结果如图5所示，图中高斯模型仿真数据滤波后的精度显著优于实测误差数据，可见高斯模型有待进一步改进。

图5 滤波结果比较图

3.4 正态平稳误差模型验证

以上述第四组数据距离误差统计结果作为仿真输入，按照式(4)所述模型，仿真生成12组雷达测量误差序列;进行统计分析后，再与跟踪雷达实测结果进行比较，完成仿真模型验证。分析结果表明，正态平稳模型生成的雷达探测误差，虽统计的均方差与仿真输入初始值存在一定偏差(见表5);但仿真结果基本符合标准正态分布误差(如图6)，并且从滤波结果来看，正态平稳模型比高斯模型更加符合跟踪雷达实际情况。