基于虚拟试验的引战配合系统实现方法研究



【装备理论与装备技术】

基于虚拟试验的引战配合系统实现方法研究

(西安现代控制技术研究所，西安 710065)

针对高价值弹药引战配合实弹试验设计难、数据采集难、经费消耗大的问题，设计基于虚拟试验技术的引战配合系统，重点讨论导弹战斗部威力破片飞散模型、破片命中模型、目标易损性模型等关键模型的实现方法；以某型防空导弹为例，模拟对某典型直升机的追击，验证该系统实现方法的有效性、正确性和可靠性。试验结果表明：某型防空导弹的毁伤效能达90%以上；所获结果为防空导弹引战配合系统提供技术支撑，同时具有节约经费的军事应用意义。

虚拟试验；引战配合；仿真；目标易损性

引战配合是引信利用环境、目标和制导信息，在导弹和目标交汇过程中，控制战斗部起爆，实现对目标的最大损毁过程[1]。现代导弹发展要求引信可以识别各类复杂目标，可对抗各类干扰[2]。传统引信的设计和测试方案，主要依靠外场试验完成，价格昂贵，时间周期成本高，针对特定需求有时难以完成。然而随着计算机仿真技术[3]的迅速发展，虚拟试验技术逐步取代传统方案，成为研究人员在进行实物设计过程中的重要指标参考。

基于虚拟试验技术的引战配合系统，需要综合考虑各种干扰和散布条件，以导弹、引信类型等工程引战数学模型为理论基础，通过计算机仿真技术，模拟引战配合过程中，武器装备攻击末端的弹目遭遇状态，可视化演示引信与战斗部配合的全过程，计算目标的毁伤概率[4-8]，分析引战系统的性能，优化引战系统的参数设计。

本文针对引战配合虚拟试验系统的系统模型和实现方法进行了研究，讨论导弹战斗部威力破片飞散模型、破片命中模型、目标易损性模型等相关关键子系统模型和实现方法。通过该引战配合虚拟试验系统，对某型防空导弹针对某典型直升机的毁伤效能进行了虚拟试验及仿真评估，给出评估结果和结论。

1 引战配合虚拟试验系统模型设计

引战配合虚拟试验系统主要由导弹战斗部威力模型子系统、目标易损性模型子系统、弹目交汇计算子系统、毁伤评估子系统、可视化仿真演示子系统等构成。如图1所示。

图1 引战配合虚拟试验系统组成

引战配合虚拟试验系统基本工作流程如下：

首先，建立导弹战斗部威力模型，研究在同等质量和初始速度的条件下，靶板距离、靶板厚度、靶板材料、撞击方向等因素对相关导弹战斗部威力的影响。

之后，建立目标易损性模型，从目标的结构特性和功能特性对目标的易损特性进行研究。

随后，建立弹目交汇计算方法，通过确定的引战配合虚拟试验系统中的战斗部与目标类型，利用弹目交汇条件生成战斗部与目标的所有交汇情况。

在建立以上模型和数据库后，调用导弹战斗部威力模型数据及目标易损性模型数据，计算所有交汇条件下目标毁伤概率，进行毁伤评估；

最后，可视化仿真演示引战配合过程中，武器装备攻击末端的弹目遭遇状态，形象直观的反映引战配合全过程的可视化结果。

2 关键子系统和实现方法研究

2.1 导弹战斗部威力破片飞散模型

以典型的破片式战斗部为例，表征破片式战斗部主要性能的参数有：最大杀伤距离、破片初速、破片飞散角、破片总数和单枚破片质量等[9]。其中破片飞散模型(杀伤锥)封闭在两个锥体之间，如图2所示，受最大距离和最小距离限制。上述区域分成倾斜角从0°～360°，俯仰角从80°～100°，距离从最小到最大的单元。对于具体的战斗部，可适当设置模型参数使每个杀伤元素代表实际的破片。这种分层飞散模型能够较真实反映战斗部破片的飞散过程。

图2 破片飞散模型示意图

2.2 导弹战斗部威力破片命中模型

通过计算破片命中模型命中目标的杀伤元，可确定命中目标位置。虚拟试验中的目标模型由四边形构件组成的闭合表面，每个四边形构件由4个点的x，y，z坐标、表面法向量、命中该单元的杀伤元的个数来表征。

破片命中判定是在虚拟试验的每一个时间步长内，把整个目标转换到弹体坐标系内，检查每一个目标表面单元是否落入杀伤锥内，判定条件是：目标点和导弹间的距离要小于杀伤锥的最大距离，大于其最小距离；目标点方向和导弹纵轴间的夹角处于杀伤锥内。

以上条件满足，则要进行详细分析，目的是要估计可能的遮掩。最终计算出目标每个位置被击中的杀伤元数量，并以此数据计算毁伤概率。

2.3 目标易损性模型

以某型武装直升机为例，按照被命中的情况下，目标毁伤对毁伤元的敏感性将直升机分成多个关键部位，例如：驾驶员舱(A)，油箱(B)，发动机(C)，旋翼(D)，尾桨(E)。关键部位网络模型如图3所示。此外，以驾驶员舱即A段为例，把驾驶舱进一步分成3段，即A1，A2，A3，其中A1横向尺寸为1 024 mm，A2横向尺寸为1 056 mm，A3横向尺寸为556 mm，每一段在俯视图方向又细分成4个部分i，j，k，l，如图4所示。综合多种情况进行具体分析，可得到打击驾驶员舱的毁伤概率。

2.4 弹目交汇计算

交汇计算模型采用Monte Carlo方法确定。通过设计随机数发生器，控制弹道交会参数的随机产生。根据输入的弹目交会参数范围值，用随机数控制抽取，作为相应弹道的固定交会参数。根据脱靶量的分布规律产生本条弹道的脱靶量，随机产生导弹的脱靶方位。最终根据弹目交会参数、脱靶量、脱靶方位、转换矩阵、目标上的制导中心以及仿真初始时刻的弹目距离值等参数值，计算出导弹和目标的初始位置。但当有实际靶场实弹数据支撑，即有靶试弹道光测数据时，则以已知的实际参数值为准。

图3 武装直升机关键部位网格模型

图4 驾驶舱分解

2.5 数据库系统与毁伤评估

数据库系统模型采用C/S体系结构，以SQL-SERVER数据库为底层支撑平台，用于保存和管理引战配合系统各子模型数据信息。在搭建时，各子系统按照总体概念模型要求以及自身研究内容，分别设计和导入相应数据库结构和数据信息。最后，将所有数据库整合到数据库服务器的SQL-SERVER实例中，以供引战配合系统调用。数据库系统模型的搭建，可以集中管理平台的数据，有益于提高数据完整性，减少数据冗余。数据库系统由战斗部威力模型数据库、目标易损性模型数据库、毁伤评估数据库及其他基础数据库等组成，结构如图5所示。

图5 仿真平台数据库结构

通过三维视景进行碰撞检测可以得到导弹战斗部对目标的命中位置，得到击中目标后的靶点空间坐标、攻角、倾角、弹体速度、目标着靶区域编号(0，1，2，…，n)等，从而载入已有的目标易损性模型，通过查询不同部位毁伤概率表，综合分析，计算给出中靶部位实际毁伤结果，最终得到目标毁伤概率。

为实现毁伤可视化，分别设计数据融合处理和视景仿真显示两部分。数据融合处理部分采用VC++2005开发环境下VTK(Visualization toolkit)[10]开发。其所使用的图像模型，基于三维函数库OpenGL，可屏蔽开发细节以及封装常用算法，并且采用采用Pipeline机制，实现对任意类型数据的转换和处理，非常适合系统中对于战斗部威力数据与目标易损性数据融合计算处理。

视景仿真显示部分在Vega Prime的仿真引擎平台下，采用Multigen Creator建立相关视景模型[11]。VegaPrime可提供跨平台、可扩展的开发环境，高效创建和配置视景仿真的可视化应用[12-13]。Multigen Creator可创建用于视景仿真的实时三维模型，快速实现大型视景仿真。结合以上两者，有利于快速配合和实现整个引战系统的视景仿真显示。

综合以上两部分，可视化演示模型以 VC++2005为开发环境，通过VTK实现战斗部对于装甲目标的毁伤细节及最终的毁伤评估，利用Multigen Creator建立战斗部、装甲目标及其他视景模型，在Vega Prime的仿真引擎平台的驱动下实现大场景战斗部对装甲目标的毁伤。其中典型目标如阿帕奇直升机可视化显示如图6所示，战斗部对于装甲目标的毁伤细节(图7)包括战斗部射流形成过程及对典型厚度装甲钢板的穿透过程，可以定量计算战斗部对目标的毁伤。

图6 阿帕奇直升机可视化显示

图7 Vtk演示毁伤细节图

可视化实现流程如图8所示，载入导弹与目标可视化模型，利用弹目交汇条件仿真生成战斗部与目标所有交汇情况，计算所有交汇条件下目标毁伤概率，确定该种战斗部对目标最终毁伤结果。

图8 可视化实现流程

3 虚拟试验仿真结果

以某型防空导弹为例，针对目标为某型武装直升机，在虚拟试验仿真前，需要对以下参数进行设定或初始化：

脱靶量参数：脱靶量分布律、最小脱靶量、最大脱靶量、脱靶量均值、脱靶量均方差等。

目标参数：最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角、最小滚动角、最大滚动角、最小速度、最大速度、最小加速度、最大加速度、直升机旋翼不动、制导中心、指定点XYZ坐标等。

导弹参数：最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角、最小速度、最大速度、最小加速度、最大加速度、导弹中心点、与尾喷口距离等。

引信参数：探测距离、子午面最小角、子午面最大角、赤道面起始角、赤道面角宽度、赤道面角增量、起始角随机、探测模型角量子、探测模型步长、探测方式参数、信号处理方式参数、激光发射功率、波长、探测器灵敏度、敏感面面积、放大器增益、收发间隔、探测门限、计数脉冲等。

战斗部参数：战斗部类型、最大杀伤距离、杀伤元初速、杀伤锥最小角、杀伤锥最大角、杀伤层数、每层厚度、俯仰角量子、倾斜角量子、杀伤模型步长、制动系数、杆条长度、杆条直径、杀伤锥最小角、杀伤锥最大角、杀伤层数、每层厚度、俯仰角量子、倾斜角量子等。

延迟时间参数：引战间距、固定延时、相对速度 延迟时间等。

其中在设置目标参数(最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角、最小滚动角、最大滚动角)、导弹参数(最小偏航角、最大偏航角、最小俯仰角、最大俯仰角)使导弹对目标分别为迎击、侧前迎击和侧后迎击的3种情况后，进行虚拟试验计算，相应结果如图9～图11所示。

最终通过毁伤评估模型计算得到最终毁伤概率，如表1所示，在弹目位置分别为迎击、侧前迎击及侧后迎击的情况下，毁伤概率分别为0.987，0.965，0.975。

图9 导弹迎击目标击中情况

图10 侧前迎击目标击中情况

图11 侧后追击目标击中情况

序号弹目位置毁伤概率1迎击0．9872侧前迎击0．9653侧后追击0．975

4 结论

设计了基于虚拟试验技术的引战配合系统，重点研究导弹战斗部威力破片飞散模型、破片命中模型、目标易损性模型等相关关键子系统模型的实现方法，为虚拟试验系统的建立提供充分的理论基础。以某型防空导弹为例，针对某典型武装直升机，通过虚拟试验系统计算，验证了该系统实现方法的有效性、正确性和可靠性。所获结果为某型防空导弹的引战配合技术方案提供了技术支撑，具有指导方案设计、减少用弹量及节约经费的军事应用意义。

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(责任编辑 周江川)

Research on System Implementation Method of Fuze-Warhead Matching Based on Virtual Experiment

LUO Qiang, LYU Hong-peng, SUN Wei-ping, LIANG Chao,SONG Zhe, ZHANG Xi-jing, REN Meng, WU Jiang-peng

(Xi’an Institute of Modern Control Technology，Xi’an 710065, China)

In terms of hard experiment design, data acquisition difficulties and huge cost in the fuze-warhead matching evaluation of the high-value ammunition, the fuze-warhead matching system based on the virtual experiment technology was designed, in which the flying and meeting model of warhead fragments, the establishment of the target vulnerability and other key implementation methods of subsystem models were discussed. The effectiveness, correctness and reliability of the system method were validated by simulating an air defense missile chasing a certain helicopter through the virtual experiment system. The results show that the damage efficiency of the air defense missile is more than 90%. The results provide technical support for the fuze-warhead matching system of the air defense missile, and saving funds in the military application.

virtual experiment; fuze-warhead matching; simulation; target vulnerability

2016-11-22；

2016-12-20 作者简介：骆强(1980—)， 男， 硕士，高级工程师，主要从事虚拟试验与仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.04.011

骆强，吕鸿鹏，孙卫平，等.基于虚拟试验的引战配合系统实现方法研究[J].兵器装备工程学报，2017(4):50-54.

format:LUO Qiang, LYU Hong-peng, SUN Wei-ping, et al.Research on System Implementation Method of Fuze-Warhead Matching Based on Virtual Experiment[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):50-54.

TJ01

A

2096-2304(2017)04-0050-05