基于半实物仿真的舰炮光电火控模拟训练系统的研究和设计∗

李宙恒 王兴众

（中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

1 引言

舰炮武器系统涉及探测感知设备、情报指挥设备、火力控制设备、综合导航设备、舰炮等多种装备，具有结构复杂、技术综合的特点［1～2］。指挥员、操作员需要进行必要的日常训练以达到熟练操作舰炮武器系统的能力，而系统日常操作和实弹射击训练受到场地、气候、物资保障等多种条件的限制，难以进行短时、多次训练［3］。在训练形式上，传统方式多采用浮体靶或靶机作为目标进行训练，其单一目标类型与简单的航路规划与真实作战情况不符［4～5］。如果用真实目标训练，则存在经费消耗大、组织协调困难、训练效率低等问题［6～7］。因此，有必要研制一套既好用又实用的模拟训练系统。基于半实物仿真的舰炮光电火控模拟训练系统以某型舰船实装光电火控舰炮武器系统为仿真对象，采用与实装光电火控设备几乎完全相同的半实物模拟器，以保证人机交互界面的真实性，其余舰炮武器系统运行所必需的设备及训练所需的海洋战术环境等均采用仿真的方式，形成人在回路的半实物模拟训练系统。该系统可根据不同的需求，开展舰炮武器系统的操作模拟训练、交互式培训等。该系统不仅能起到操作训练的作用，还能精确模拟目标跟踪、火控解算、打击控制、弹丸飞行及目标毁伤等效果，达到对真实光电火控设备的技术状态进行仿真和测试的目的，既训练人又训练设备。

2 模拟训练系统组成及功能规划

2.1 系统总体设计与规划

系统以某型舰光电火控舰炮武器系统为蓝本，模拟舰炮武器系统运行所需的内外部环境。在海洋战术环境、目标模拟及打击效果上采用三维视景仿真技术进行模拟，在人机交互界面上采用与实装光电火控设备几乎完全相同的半实物模拟器，通过仿真系统集成，实现人在回路和装备在回路功能［8］。系统可设置战场环境、选择训练项目，实现接收目指、搜索目标、跟踪测距、火控解算、舰炮射击、命中检测、射击校正等功能，形成闭环控制的舰炮武器系统全过程仿真，记录训练过程中主要操作和关键信息，评估训练效果和成绩［9］。

2.2 系统组成及功能划分

模拟训练系统主要由舰炮武器模拟单元、配套设备模拟单元、海洋战术环境模拟单元组成。如图1所示。

图1 系统组成结构图

2.2.1 舰炮武器模拟单元

舰炮武器模拟单元包括光电火控台、光电跟踪仪模拟器和舰炮模拟器。光电火控台是同时集成光电跟踪仪操控功能模块和舰炮火力解算及射击控制功能模块的舰炮火控设备。光电火控台采用真实设备，与舰船实装光电火控台在功能、性能、软硬件组成和人机交互界面上完全一致，是系统主要的人机交互设备，训练过程中大部分操作在该设备上完成。光电跟踪仪模拟器为数字仿真模拟器，模拟舰船实装光电跟踪仪的主要功能，如手动搜索、电视/红外视频、目标跟踪及激光测距等［10～11］。舰炮模拟器为数字仿真模拟器，可以三维炮体图像模拟舰炮的方位和俯仰运动，可模拟舰炮对控制信号的接收与反馈。该单元具体有几下几项功能：

1）接收并响应指控模拟器的指挥命令和目标指示，接收综合导航系统模拟器提供的本舰航行信息、姿态信息及水文气象环境参数。

2）光电火控台可对跟踪传感器进行综合操控，对舰炮进行综合操控。

3）光电火控台根据目标指示信息，引导跟踪传感器对目标进行搜索跟踪，可控制跟踪器捕获、跟踪目标。根据跟踪器目标数据，求取目标运动参数，解算稳定的射击诸元，带动舰炮瞄准目标，并进行射击控制。

4）具备射击校正、命中检测功能。

5）光电跟踪仪模拟器可接收光电火控台发送的目标指示信息，根据目标指示信息，自动或人机相辅搜索、捕获、跟踪目标，并模拟激光测距，向光电火控台输出目标三维坐标数据功能。

6）舰炮模拟器可以模拟舰炮对各种命令、数据的接收和响应，模拟舰炮伺服运动并反馈舰炮状态及架位信息。

2.2.2 配套设备模拟单元

配套设备模拟单元主要包括指控模拟器、综合导航模拟器和综合时频，其主要功能是模拟舰炮武器系统配套设备的主要功能。

1）情报指挥模拟器，主要功能是模拟生成目标航迹，向光电火控台下达作战命令和目标指示，接收光电火控台的反馈信息并显示。

2）综合导航模拟器，能够模拟舰船综合导航设备的主要功能，模拟舰艇在水面的航行信息、姿态信息以及水文气象环境信息，包括航速、航向、纵横摇、经纬度等导航信息以及气温、气压、湿度、风速、风向等气象信息，将信息以网络报文的形式进行广播。

3）综合时频，向系统各设备提供网络时间信息、确保各设备的时间信息统一；向系统各设备提供高精度频率信号，保证系统各设备在统一脉冲信号下工作，避免数据产生时刻与信息发送时刻不一致而造成的误差。

2.2.3 海洋战术环境模拟单元

海洋战术环境模拟单元，主要完成海洋背景、目标航行以及命中效果的模拟以及展示。

图2 海洋环境与目标仿真结构图

1）导调台。设置作战想定方案，编辑训练任务的内容、战场环境、目标类型等，生产训练剧本，设置系统运行相关参数；完成训练剧本的加载、执行，各模拟器的初始化；完成系统运行监视、系统资源监控、训练现场监控等导调、监控与管理工作；完成演练过程回放、战损分析与效能评估等训练结果的分析和评估工作。

2）环境模拟器。根据导调台设置的海洋战术环境相关参数，运用三维建模技术，模拟真实海洋战术环境，包括空中、水面、岛礁等环境，并可根据需要调节天气、昼夜、海浪等效果，为模拟训练系统提供真实、准确、实时的海洋战术环境。海洋环境与目标仿真的结构如图2所示。

3）目标模拟器。根据导调台设置的训练想定方案和目标参数，从目标数据库中调用符合训练要求的目标模型，实时生成虚拟目标，如飞机、舰船、岛礁等目标，并模拟目标运动要素及毁伤效果，增强训练过程的真实性。

4）多媒体大屏及音频。显示具有全局信息的三维海洋战术环境视景，实时渲染战术环境中背景、目标、及打击效果，负责整个系统的语言发言扩声、仿真扩声等。

5）数据库服务器。记录与存储系统运行过程中的数据，对海洋战术环境数据库、目标数据库、训练想定数据库等进行管理。

3 模拟训练系统的运行流程

3.1 接口及信息传输

模拟训练系统各设备及模拟器间接口采用通用化、标准化的设计方式，通过千兆自适应以太网接口实现数字信息交互，通过视频总线实现视频信号传输。

模拟训练系统网络结构按国际标准化组织开放系统互联参考模型（OSI/RM）和TCP/IP的层次结构思想，采用将复杂问题分而治之的模块化方法，上层隐藏紧下层的细节，上层统一下层的差异，上层弥补紧下层的缺陷和不足，各层之间呈单向依赖关系，并制定各层通信规则及协议，保证系统高效有序地进行信息交互。

模拟训练系统间网络交互信息可分为控制类信息和数据类信息。控制类信息主要包括：光电火控台对光电跟踪仪模拟器的操控信息、对舰炮模拟器的操控及射击控制信息等；数据类信息主要包括：光电跟踪仪模拟器发送目标跟踪数据信息，舰炮模拟器发送状态及架位信息，综合导航模拟器航行信息、姿态信息以及水文气象环境信息等。

3.2 运行流程

模拟训练系统的运行及操作过程可分为系统运行流程和训练任务流程。系统运行流程是指从训练开始到结束所经历的主要过程；训练任务流程是指在训练任务中，训练人员在光电火控台上为完成目标打击所经历的主要操作步骤。

系统运行流程如图3所示，主要流程如下：

1）在导调台中根据训练目的和安排，编辑训练人员、作战想定，设置海洋战术环境及系统运行相关参数，启动模拟训练系统；

2）各模拟器进行自检，根据导调台的设置加载战场背景资源，进行初始化；

3）开始进行训练，训练任务可重复进行或随时终止，当终止任务后进行训练结果的记录与评估；

4）选择是否进行训练回放，可继续当前训练任务或开始新的训练任务。

训练任务流程如图4所示，主要流程如下：

图3 系统运行流程图

图4 训练任务流程图

1）指控模拟器向舰炮武器模拟单元的光电火控台下达目标指示与作战命令，传递目标信息；

2）光电火控台接收到目标指示，将目指信息发送给光电跟踪仪模拟器，该模拟器根据目指信息进行自动调舷，训练人员手动操控光电跟踪仪模拟器搜索目标，待发现目标后进行跟踪测距，并自动向光电火控台发送实时跟踪的目标坐标数据；

3）光电火控台接收光电跟踪仪跟踪状态信息和目标信息，并接收来自舰艇综合模拟单元广播的我舰运动、姿态信息及水文气象环境信息，求取目标运动参数，进行火控解算，将稳定射击诸元发送给舰炮模拟器；

4）舰炮模拟器接收射击诸元，模拟舰炮伺服运动，并反馈舰炮状态信息和架位信息给光电火控台；

5）光电火控台通过目标跟踪信息、射击诸元信息及舰炮架位信息判断是否具备开火条件并显示状态，若具备则由训练人员开始舰炮射击；

6）若击中目标则继续射击训练，若未击中目标，通过光电跟踪仪视频图像观察弹着点与目标间相对位置偏差来估算修正量，并在火控台上进行修正，再次进行射击，经过单次或多次修正后击中目标。

4 关键技术

4.1 基于半实物仿真的系统集成与调试技术

本模拟训练系统是包含人在回路的半实物模拟仿真系统，如光电火控台模拟器基于装备实际状态设计实现，为实物模拟器，舰炮模拟器、光电跟踪仪模拟器以及海洋战术环境单元等采用纯数字仿真和虚拟现实技术。在模拟效果上，既有与实物相同的人机界面与操作流程，又有虚拟的海洋战术环境和命中效果。这涉及到不同类型模拟器与实物间的接口驱动技术、信息传输的统一建模，以及各虚拟模拟器和实体在时间和空间关系上的统一，从而驱动整个模拟训练平台按照实装设备的流程运行。因此，需对模拟训练系统的集成和调试方法、步骤、工具展开深入研究。

4.2 舰炮命中概率模型

模拟训练的效果很大程度上是用命中效果来表征的，舰炮实际命中效果取决于多方因素，不确定性较大。舰炮武器的射击精度有两个部分组成，一个是射击的准确度，另一个是射击的密集度。射击的准确度是平均弹着点与理论目标点之间的偏差程度，属于系统误差。在实装舰炮系统中，系统误差是固有误差，由火控解算模型、各设备零位误差、舰炮自身结构特点等共同决定的。在模拟训练状态下，系统误差可以简化为一个固定的参数，并可以由指挥员或考官进行设置。射击的密集度（散步误差），是指弹丸落点的密集程度，用弹丸落点相对于平均弹着点的偏差进行表示，是由气象条件、弹丸章动、身管振动等随机扰动引起的误差，属于随机误差。其横向密集度和纵向密集度近似服从正太分布［12］。为简化计算，在本文研究中，认为其射击密集度服从正太分布，且横向密集度和纵向密集度相互独立。

4.2.1 单发命中概率计算

舰炮单发命中概率是指射击一发炮弹命中目标的概率，如图5所示，假设目标为矩形，边长分别为2lx和2lz，矩形的中心为坐标系原点o，且两边分别平行于坐标轴X轴和Z轴。弹着散布中心为o＇，其坐标μx和μz为系统误差。散步区域对称轴平行与坐标轴，在X轴和Z轴上弹着散布量相互独立，其均方差为σx、σz。对此矩形目标射击时，其单发命中的概率P（x，z）为

其中f（x）是炮弹在x轴的命中概率密度函数，F（x）是炮弹在x轴的分布函数，f（z）是炮弹在z轴的命中概率密度函数，F（z）是炮弹在z轴的分布函数，f（x）与f（z）相互独立，Ф是正太分布函数，R是矩形目标的面积。

图5 舰炮命中概率示意图

4.2.2 发射n发至少命中一发的概率P1

一组n发的射击过程中每一发的命中概率均按上述单发命中概率计算，每组射击命中概率均不相关、非重复，即每次射击都是独立射击。

若每发命中概率Pi不同，则P1为

若每发命中概率Pi相同，则P1为

在模拟训练系统中，首先根据需要训练的舰炮类型和目标大小，以及系统误差（系统随机设定）来计算出舰炮单发命中概率，然后计算出发射n发至少命中一发的概率。训练人员在模拟训练时可实时观测到打击效果，若未能击中目标，需观察炮弹落点与目标之间的偏差，并在光电火控台上输入校正量，再次进行射击，经过一次或多次修正后便可击中目标。

5 结语

本文以一线部队的使用需求为牵引，提出了基于半实物仿真的舰炮光电火控模拟训练系统的开发方案，对模拟训练系统功能进行规划，明确了系统的功能性需求及系统运行使用流程，研究了系统的关键技术，给出了较为详细的模型及软硬件实施方案，并用于某型舰炮光电火控模拟训练系统的开发中。该模拟训练系统在人机界面和操作使用流程上与真实装备保持一致，具有一定的军事意义和较高的实用价值，为舰艇装备使用和部队人员培训提供了良好的实践平台。