潜基导弹发射阵地优选辅助决策系统设计

肖 凡 陆铭华 张 涛

1.海军潜艇学院，青岛266042 2.海军装备研究院，北京 100161



潜基导弹发射阵地优选辅助决策系统设计

肖 凡1陆铭华1张 涛2

1.海军潜艇学院，青岛266042 2.海军装备研究院，北京 100161

在系统功能分析的基础上，运用UML建模技术从需求分析、系统结构以及系统交互过程3个方面对潜基导弹发射阵地优选辅助决策进行了建模设计。构建了系统需求描述的UML模型，通过分解用例模型，分析系统的类结构体系及关联关系建立了系统结构模型，运用顺序图构建了系统行为描述模型。该方法有效提高了系统设计效率，设计出的系统在实用性基础上，还具有复用性及拓展性。 关键词 UML；潜基导弹；阵地；优选；系统设计；模型

对陆基导弹而言，作战任务中目标的方位、防护、性质以及预期的打击效果等都制约着发射阵地的选择[1]。目前，对于陆基导弹发射阵地的研究较为深入，文献[1]探讨了陆基导弹最优发射阵地的选择问题，运用层次分析法建立了评估指标的计算模型；文献[2]针对发射阵地上的设施、装备、人员、组织、管理及阵地环境等多方面因素进行综合性风险性评估，提出了发射风险评估与处置的方法；文献[3]主要分析了弹道导弹发射阵地可能面临的来自空间和空中的威胁，包括被侦察和被攻击的威胁，提出了提高弹道导弹发射阵地生存能力和防护能力应配备的电子防护系统；文献[4]将DS证据理论引入，研究了战术导弹发射阵地选择的DS/AHP方法；文献[5]根据评估指标，运用模糊多属性理论，建立了饱和攻击反舰导弹发射阵位优选评判模型。相对于陆基导弹，潜基导弹发射阵地的选择、艇载导弹的数量、通信保障和海区水文气象等因素都需要研究和考虑，其制约因素多、选择难度大。目前，这方面的研究在国内尚处于起始阶段，相关研究成果鲜有报道，亟待深入研究。

潜基导弹发射阵地优选需考虑的因素多，且与装备战技指标密切相关，本文将对潜基导弹发射阵地辅助决策系统的设计方法进行研究，探讨一种适用于不同代型潜基导弹、能够拓展与重用的通用设计方法。

1 系统功能设计

考虑到潜基洲际导弹需要隐蔽性好、发射可靠，发射条件高等因素，其发射阵地辅助决策系统应至少具备如下功能：

1)火力控制范围计算与图示；

2)通信保障范围图示；

3)海区水文气象统计；

4)发射阵地优选区域计算。

若考虑全时值班，待命发射等情况，还应具备潜艇航路规划、航渡与发射区域值班时间计算、兵力保障能力分析等功能。

火力控制范围是发射区域选择的关键制约因素。对于潜基远程(洲际)弹道导弹而言，由于受地球自转等因素影响，对于给定的任意发射点(南、北极除外)相对战标给定的标准射程，实际射程偏差为正负数百至几千公里。多弹齐射时，同一发射位置不同射向的导弹其最大(最小)可达射程也存在数百乃至上千公里的差异。 因此，火力控制范围计算与图示对于发射区域选择辅助决策尤为重要。可以采用弹道飞行仿真的计算方法精确计算同一位置导弹不同射向(可取射向间隔一定角度，比如10°)的打击范围，从而构建某发射位置的火力控制范围。

陆基导弹一般处于领土范围内发射，通信保障良好。而潜艇常常处于大洋深入，距离海岸线较远，且行动隐蔽，其通信保障困难,存在隐蔽要求与通信暴露的矛盾。由于远离腹地，通信距离远，通信波段受到限制(一般采用长波方式)，且速度慢、错码率高。通信保障对潜基导弹发射非常重要，尤其对于潜基战略导弹而言。发射指令的正确传输是确保可靠发射的基本要求。因此，发射区域选择应该符合通信保障范围要求，而通信保障范围图示为辅助决策提供了最为直观的手段。

水文气象是潜基导弹发射的重要约束条件，是发射区域优选需要重点考虑的因素。风浪、洋流对导弹发射影响最为显著，风浪过大易导致导弹出水姿态失稳而失败；洋流猛烈导致潜艇难于操纵、平台不易瞄准，导弹无法发射。因此，统计不同海区、不同季节的水文气象历史数据，对于优选发射区域具有重要的辅助决策作用。

综合考虑各种因素，选取恰当的方法计算发射阵地优选区域是辅助决策的核心功能,关键是算法的选取。考虑辅助决策的特性，一般可以采用层次分析法、模糊决策等方法。相对重要度(相对优属度)是上述方法计算中重要的影响因子，为了有效减少人为主观臆断，可以采用扎德教授提出的优属度计算方法[6]。

2 系统建模

UML(Unified Modeling Language)是一种基于面向对象的可视化建模语言[7]，它用图形符号表示模型元素，可消除一些潜在的不必要的差异，还可通过统一语义和符号表示，使项目根植于一个成熟的标准建模语言，拓宽所开发的软件系统的适用范围，提高灵活程度，是一种在军事战术战略仿真等大型复杂系统建模领域中广泛应用并得到普遍认可的软件工程方法[8-9]。

UML包括基本构造块、支配运用构造块的规则和机制3个要素。基本构造块包括事物、关系和图，事物包括结构事物、行为事物和分组事物；关系包括依赖、关联、泛化和实现。规则包括为事物、关系和图命名，给名字以特定含义即范围，使用即可见性；事物正确、一致地相互联系即完整性；运行或模拟动态模型即执行。机制包括详细说明、修饰、通用划分和扩展。

UML支持从需求分析开始的软件开发全过程。UML通过3类图形建立系统模型：用例图、静态结构图(对象类图、对象图、组件图及配置图)和动态行为图(顺序图、协同图、状态图及活动图)，这些图从不同的抽象角度实现系统的可视化。本文将从需求分析、系统结构以及系统交互过程(行为)这3个方面完成系统设计。

2.1 需求描述

用例模型明确系统需求、范围和作用，是系统设计和开发的基础[10]。用例图中，椭圆表示用例，执行者用“人形”图符表示，用例和执行者之间的连线表示二者之间的关联和信息交流。

决策者通过火力控制范围计算与图示、通信保障范围图示和海区水文气象统计综合判断、自行优选发射区域，或者通过发射阵地优选区域计算直接优选发射阵地。优选算法、水文气象数据分析、通信覆盖范围计算、弹道飞行仿真和扩展功能模块是实现辅助决策系统的基础。图1为系统UML需求描述的用例图。

图1 系统用例图

2.2 系统结构

类(Class)是面向对象技术中最基本的元素，类模型揭示了系统的结构[11]。建立系统结构模型一般分2步进行：先细化用例模型, 提取系统中的类，再对类的属性和操作进行描述。

根据需求描述的用例图，结合系统结构建模方法，细化用例模型，提取系统中的主要类如下：弹道飞行仿真类(TraSimulation)、通信范围覆盖计算类(ComunicationCal)、水文气象数据分析类(HydroAnalyse)、扩展功能类(ExFunction)、优选计算类(Select)、数据管理类(DataManage)和图示类(Visual)，其关联关系如图2所示。

图2 类间关联关系

1)弹道飞行仿真类

弹道飞行仿真类是火力覆盖功能实现的核心支撑，其计算复杂，依赖的类包括导弹类、诸元类、干扰类及标准环境类等。

导弹类(Missile)由状态变量类(State)、导航制导控制类(GNC)、执行机构类(Actuator)、发动机组类(EngineGroup)、平台类(Platform)、弹载计算机类(Computer)和弹头类(Head)组成。状态变量类随坐标系和计算模型而异，不同状态变量对应不同的积分右函数；导航制导控制类负责导弹的导航、制导与控制算法；执行机构类提供控制力及力矩；发动机组类提供导弹的推力；平台类提供平台接口及功能；弹载计算机类提供弹上计算机通信接口及功能；弹头类提供弹头各种参数信息。

诸元类(Data)由实时诸元类(RealtimeData)和固定诸元类(FixData)组成。实时诸元类提供发射时潜艇位置、速度、深度、姿态等有关信息；固定诸元类提供飞行程序角、导引参数、目标参数和单元测试参数等信息。

干扰类(Disturb)由定位误差类(PosWarp)、定向误差类(OrientWarp)、速度误差类(VeloWrap)、高空风类(AltitudeWind)、扰动引力类(AbGravitation)、气压偏差类(AirPressWrap)及大气密度偏差类(AirDenWrap)组成。

标准环境类(StanEvi)提供标准弹道相关参数，由地球类(Earth)、大气类(Air)及参数类(Coefficient)组成。地球类提供地球参数和不同坐标系下的正常引力计算；大气类提供大气密度、温度、压强等计算模型；参数类提供压心和重心位置、气动系数、比推力、秒流量等标准参数信息。

上述各类结构体系及关系如图3所示。

图3 弹道飞行仿真类结构体系及关系

2)通信范围覆盖计算类

通信范围覆盖计算类用于计算长波、北斗等对潜艇通信实体的通信覆盖区域。

3)水文气象数据分析类

水文气象数据分析类针对导弹发射影响较大的因素进行统计分析，主要包括各海区不同季节(Time)洋流(OceanCur)、海浪(OceanWave)和风(Wind)等数据。

4)扩展功能类

扩展功能类用于优选阵地时延伸考虑的其它因素，如海区通航密度、兵力保障范围和突防概率等。

5)优选计算类

优选计算类采用不同的算法(Method)通过弹道飞行仿真类、通信范围覆盖计算类、水文气象数据分析类以及扩展功能类计算优选阵地。

6)数据管理类、图示类

数据管理类用于管理系统数据，提供弹道诸元、水文气象等数据读写接口；图示类负责各种数据的图形显现及坐标数据的地图标绘。

2.3 行为描述

UML的顺序图也称序列图，描述系统实体内部和实体之间的交互情况，有利于快速建模和反复重用，提高系统开发效率。潜基导弹发射阵地优选与考虑的因素密切相关，但不管因素数量如何，其计算行为过程基本一致，本文以考虑火力覆盖和通信保障为例，对发射阵地优选行为过程进行描述。

数据管理实体接收相关数据并更新；弹道计算实体调用数据管理实体相关计算参数解算某射向下的导弹火力覆盖坐标域，再计算余下射向下的导弹火力覆盖坐标域(射向由0°起，间隔10°，直至射向为360°)，最后将火力坐标域汇总发送给图示实体；图示实体根据坐标域数据绘制火力覆盖范围；通信覆盖实体计算通信保障范围；阵地优选实体接收火力坐标域(火力范围)、通信保障范围，优选计算，得出辅助决策优选阵地，并将优选阵地区域发给数据管理实体存储。该行为过程如图4所示。

图4 优选阵地行为顺序图

3 设计实现

通过前述过程，可以建立由界面交互程数据库和功能动态库(dll文件)组成的潜基导弹发射阵地优选辅助决策系统，系统设计实现的架构如图5所示。其中，界面交互程序与用户进行交互，并完成火力标绘等图形显示工作；数据库进行系统数据管理，主要是水文气象、弹道诸元等辅助决策数据；弹道计算动态库(DDJS.dll)实现弹道计算功能，通信覆盖动态库(TXFG.dll)实现通信覆盖功能判别计算，扩展功能动态库(KZ.dll)用于计算通航密度、兵力保障范围及突防概率等； 阵地优选动态库(ZDYX.dll)集成优选算法，实现优选区域计算。

图5 系统设计实现图

4 结束语

潜基导弹发射海域多，打击范围广，其发射阵地优选涉及战技指标、通信保障及海区水文气象等因素多，亟待深入研究。本文将UML建模技术应用于潜基导弹发射阵地优选辅助决策系统设计，在分析系统功能的基础上，从需求分析、系统结构以及系统交互过程(行为)这3个方面进行了系统设计，从设计实现来看，采用该方法设计的系统在实用性基础上，系统功能拓展、模型修改通过修改相应的设计模型以及在动态库中对修改模型进行代码微调便可实现，复用性及拓展性好。

[1] 朱昱,舒健生.层次分析法在选择导弹发射阵地中的应用[J].火力与指挥控制,2002,27(2):69-71.(Zhu Yu，Shu Jianheng. AHP for Selecting Missle Launch Position[J]. Fire Control&Command Control, 2002,27(2):69-71.)

[2] 慈旋,刘为,朱晨光.基于层次分析的武器系统发射阵地风险评估[J] 海军航空工程学院学报, 2015,30(3):296-300.(Ci Xuan, Liu Wei, Zhu Chenguang. Risk Evaluation of Weapon System Launching Position Based on AHP[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University,2015,30(3):296-300.)

[3] 陶本仁.弹道导弹发射阵地的生存和防护[J]. 航天电子对抗,2006,22(3):1-3.(Tao Benren. Survial and Defense of Launch Position of Ballistic Missile[J]. Aerospace Electronic Warfare,2006,22(3):1-3.)

[4] 刘顺成,刘卫东.基于DS/AHP的导弹发射阵地选择方法[J].指挥控制与仿真,2007,29(5): 44- 46.(Liu Shuncheng,Liu Weidong. The Launch Position Selection Based on DS/AHP[J]. Command Control & Simulaiton, 2007,29(5):44-46.)

[5] 张大为,张华涛，王正民.反舰导弹饱和攻击发射阵位优选[J].弹箭与制导学报,2012,32(2): 219- 222.(Zhang Dawei，Zhang Huatao,Wang Zhengmin. Launch Station Optimization of Anti-ship Missile Saturation Attack[J]. Journal of Projectiles，Rockets．Missiles and Guidance, 2012,32(2):219- 222.)

[6] 徐玖平，吴巍．多属性决策的理论与方法[M]．北京：清华大学出版社,2006．

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[9] Tsutomu O, Tsukasa K, Syuichi H, et al. An Information System Development Method Based on the Link of Business Process Modeling with Executable UML Modeling and Its Evaluation by Prototyping[C]//Pro. of the 22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops,2008:1057-1064.

[10] 齐照辉,王祖尧,张为华,等.基于UML的导弹攻防仿真系统设计及实现[J].系统仿真学报.2006, 18(3): 602-606.(Qi Zhaohui,Wang Zuyao,Zhang Weihua,et al. Design and Implication of Attack and Defense Simulation System for Ballistic Missile with UML[J].Journal of System Simulation,2006,18(3): 602-606.)

[11] 刘润东.UML对象设计与编程[M].北京: 希望电子出版社, 2001.(Liu Rundong.UML Object Design and Programming[M].Beijing:Hope Electronic Press,2001.)

Design of Submarine-Launched Missile Position Optimization System

Xiao Fan1,Lu Minghua1,Zhang Tao2

1. Navy Submarine Academy,Qingdao 266042，China 2. Navy Equipment Research Academy,Beijing 100161，China

Onthebasisofanalyzingfunctionsofsubmarine-launchedmissilepositionoptimizationsystem,UnifiedModelingLanguage(UML)isusedtodesignthesystem.Regardingtheaspectsofrequirementanalysis,classstructureandrelationshipofthesystemareanalyzed.Requirementsdescriptionmodelofsubmarine-launchedmissilepositionoptimizationsystemisconstructedwithUML.Bydecomposingtheusecasemodel,analyzingclassstructureandrelationshipofthesystem,thesystemstructuremodelisestablished.Thebehaviordescriptionmodeloffiringdataverificationsystemisestablishedbysequencediagrams.Thedesignefficiencyisimprovedeffectivelybyapplyingthemethod,andthedesignedsystemisnotonlypractical,butalsoreusableandexpansive.

UML;Submarine-launchedmissile;Position;Optimization;Systemdesignmodel

2016-10-25

肖 凡 (1980-)，男，湖南望城人，博士研究生，主要研究方向为导弹作战使用；陆铭华(1963-)，男，浙江湖州人，博士，教授，主要研究方向为潜艇作战软件；张 涛(1978-),男,湖北公安人,硕士,工程师,主要研究方向为导弹总体。

V488.15

A

1006-3242(2017)02-0078-05