舰炮对空中目标命中与毁伤判别技术研究

冯文飞,韩 洁,杜会盈

(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047)

系统仿真,就是建立系统模型,并利用模型的运行来完成工程试验和科学研究的全过程[1],建模、模型验证和模型运转是仿真的核心内容。与计算机仿真相比,半实物仿真采用的模型不仅有数学模型,还包括物理效应装置、实际设备(样机)和各种模拟器[1]。

舰炮系统对岸基目标和海上目标打击的命中和毁伤判别,一般通过打击实际靶标完成。首先，对于空中目标,因目标特性和飞行速度等原因,其命中和毁伤判别需在靶标着陆或坠海区域寻找到靶标后才能开展,并且较难排除目标坠落过程中的再次毁伤;其二,基于成本考虑空中靶标多选用无人机或拖靶,飞行速度和航路特性与实战对抗的导弹目标差异较大,外场试验打靶效果与实战吻合度不高;其三,基于安全性因素考虑,当前无人试验平台未得以成熟应用前提下,外场试验时空中靶标极少选择零捷径飞行,与实战来袭目标场景不一致。

因此，构建舰炮系统实战性试验的半实物仿真环境,实现对舰炮系统打击空中来袭目标的性能考核,尤其是开展命中判别和毁伤评估技术的研究就迫在眉睫。

1 半实物仿真系统

1.1 舰炮系统试验用半实物仿真系统

在半实物仿真系统中,利用实际的硬件设备来代替硬件模型[2],使得仿真效果更贴近于实际系统。

用于研究的半实物仿真系统(以下简称仿真系统)主要由战场环境模拟器、威胁目标模拟器、舰炮系统和数据录取解算设备(包括目标模型、命中判别模型和毁伤评估模型)等组成。舰炮系统一般由目标搜索传感器、目标跟踪传感器、舰炮、火控设备、姿态测量设备和网络通信设备组成。[3]

仿真系统的组成与连接关系示意图如图1所示。

仿真系统中,战场环境模拟器仿真生成战场目标环境态势,替代实际战场环境中的目标信号,驱动舰炮系统目标搜索传感器完成目标搜索过程。威胁目标模拟器同步生成威胁目标模拟信息,替代实际战场环境中的威胁目标信号,驱动目标跟踪传感器完成目标跟踪过程。舰炮仅完成模拟射击(不实际射弹),其他设备按实际工作模式正常运行。

数据录取解算设备录取舰炮系统的网络通信数据,从中提取相关信息(气象参数、修正量等);接收舰炮击发信号和诸元信息,用于计算每发弹丸的外弹道航路。

1.2 仿真系统工作过程

按一个试验(或考核)周期,仿真系统的工作过程可描述为:

1)战场环境模拟器模拟生成战场环境目标信号,驱动目标搜索传感器工作;

2)目标搜索传感器搜索到目标信息后,上报火控设备。

3)火控设备根据目标态势信息,解算出目标指示命令,控制目标跟踪传感器去捕获、跟踪目标。

4)威胁目标模拟器需同步生成威胁目标模拟信息,驱动目标跟踪传感器实施稳定跟踪,并将跟踪状态和跟踪数据上报火控设备。

5)火控设备求解诸元,控制舰炮模拟射击。

6)数据录取解算设备实时记录系统通信数据和射击诸元数据,航路结束后根据记录数据、目标模型和命中判别模型解算命中;若弹丸命中目标,则依据毁伤评估模型,解算毁伤概率,统计累计毁伤。

网络通信设备提供通信链路支持。姿态测量设备按周期测量姿态数据并上报。

1.3 数据一致性

战场环境模拟器使用舰艇地理参照系下的理论航路数据(简称战场环境数据),威胁目标模拟器使用稳定参照系下的理论航路数据(简称威胁目标数据),计算弹丸的外弹道初始参数使用舰艇甲板参照系下的数据(简称外弹道数据)。这三类数据在仿真系统中,用于驱动舰炮系统联动和命中解算时互有关联,存在数据一致性问题。

战场环境数据建立在舰艇地理参照系下的相对地理直角坐标系(即以目标搜索传感器回转中心为坐标原点,Y轴指向正北,X轴垂直于Y轴向右,XY平面为水平面,Z轴垂直于XY平面向上)。

威胁目标数据是建立在舰艇稳定参照系下的相对稳定直角坐标系(即以目标跟踪传感器回转中心为坐标原点,Y轴指向舰艇航向线,X轴垂直于Y轴向右,XY平面为水平面,Z轴垂直于XY平面向上)。

外弹道数据是建立在舰艇不稳定参照系下的相对不稳定直角坐标系(即以炮位发射点为坐标原点,Y轴平行舰艏线,X轴垂直于Y轴向右,XY平面为甲板平面,Z轴垂直于XY平面向上)。

为验证仿真系统运行效果,简化仿真运算,在研究初期,战场环境模拟器和威胁目标模拟器可选择使用同一批目标航路数据,生成单批目标模拟战场环境和单批威胁目标。待仿真系统运行效果得以验证后,进行试验或考核工作时,为更贴近于实际系统,战场环境模拟器可模拟生成多批目标战场环境,其中包含威胁目标航路即可。

另外,在仿真系统中,将目标搜索传感器和目标跟踪传感器设置为不同的安装位置,其仿真结果同样适用于接近位置安装的实际系统,仅运算中的坐标变化修正值有所差异。

1.3.1 战场环境数据与威胁目标数据的一致性

战场环境数据为模拟构建战场环境,威胁目标数据为模拟构建威胁目标航路,需确保威胁目标航路为模拟战场环境中的某一批目标航路数据,才能保证仿真系统的正常运行。为提高目标跟踪传感器的跟踪精度和航路平滑性,一般以威胁目标航路使用的航路数据作为设定航路,经过坐标转换和坐标变换过程,变换为战场环境模拟器使用的理论值数据。

通常来讲,威胁目标数据包括目标距离(R)、目标舷角(A)、目标俯仰角(E)等,首先由极坐标转换为相对稳定直角坐标系的数据,坐标转换公式见公式2-1[4]。

(1)

假定目标搜索传感器回转中心在相对稳定直角坐标系的位置为(Xow、Yow、Zow),假定Cw为航向角,则利用公式(2)计算求得目标在相对地理直角坐标系中的XYZ轴分量数据。

(2)

再根据公式(3),即可将相对地理直角坐标系中的转换为极坐标下的目标距离(Rw)、目标方位角(Aw)、目标俯仰角(Ew)。

根据上述数据转换和变化过程可知,运行仿真系统开展试验或考核时,舰艇平台需按设定的航向角航行。

1.3.2 外弹道数据与威胁目标数据的一致性

所谓命中判别,即求弹目交会是否会发生(弹丸飞行的外弹道与威胁目标航路在空间位置上能否相遇或接近相遇)。因此,经计算解出的弹丸外弹道航路某时刻的空间位置(一般用相对稳定直角坐标系表示),需变换为威胁目标理论航路使用的坐标系下进行比对。

解算弹丸外弹道需以炮口中心为坐标原点,其轴、X轴、Z轴的指向与相对稳定直角坐标系一致,仅XY平面由水平面变换为炮口平面。因此,利用公式(1)将威胁目标航路数据由极坐标数据转换为直角坐标数据;计算得出相对稳定直角坐标系下直角弹丸的外弹道数据,利用公式(2)(此时,公式中C1=[1,1,1])进行坐标变换即可。

问题在于舰炮射击时,舰艇处于运动状态下,数据录取解算设备记录的弹丸击发瞬间的火炮射击诸元(射击方位角和射击俯仰角)是包含摇摆量信息的不稳定射击诸元。对于在计算弹丸外弹道航路时,是否需将不稳定射击诸元转换为稳定射击诸元使用,目前尚有争议,本文是直接采用不稳定射击诸元进行外弹道解算。

2 命中判别模型

在舰炮系统对目标求解射击命中时,一般假定预测弹丸在目标航路的未来点与目标相遇,利用外弹道方程求解射击诸元。

而在仿真系统中的命中判别,是在假定有完整的威胁目标航路数据和舰炮射击诸元数据的前提下,计算得出每发弹丸的外弹道飞行航路数据,根据同一时刻目标和弹丸在空间的相对位置比对,若在一定阈值内,则判定为命中。

命中判别模型如图2所示。

仿真系统的命中判别模型中,弹丸默认为一个质心点,目标根据不同的类型(飞机、导弹等)简化为与其外形尺寸相当的圆柱体,而威胁目标航路数据均默认为其几何中心数据。

若希望得到更真实的结果数据,目标航路和弹丸外弹道航路的数据周期需设定为更合适的数值,其取值应均衡考虑目标飞行速度、弹丸飞行速度和目标外形尺寸参数等相关信息。

3 毁伤评估原理

本文主要阐述的是弹目交会方式下的目标毁伤评估,即根据舰炮射击时刻记录的数据信息(初速、诸元、气象等),计算弹丸外弹道轨迹,与目标的理论飞行位置比对,得出弹丸与目标的交会情况,即本文阐述的命中判别结果。

当经前文所述的命中判别模型做出命中判定时,根据所设定的目标类型不同,弹丸对目标的毁伤评估原理也不相同。针对本文中舰炮系统打击的空中典型目标一般选择飞机或反舰导弹。舰炮弹丸毁伤目标的方式一般有预置破片毁伤和直接动能毁伤等,本文阐述的毁伤效果评估仅针对直接动能毁伤方式,预置破片毁伤属于面杀伤方式的范畴,不在本文论述范围内。

对飞机类目标的毁伤评估,按照目前一般情况下舰炮射击的弹丸初速、弹丸材质及飞机壳体材料等因素,一般认为对飞机类目标“命中即毁伤”,命中飞机上多个部位的毁伤效果基本等效。本批次射击结束后,统计计算多发命中弹丸总的命中毁伤概率即可。

对反舰导弹的毁伤评估模型中,一般将目标分成若干要害部位,舰炮射击的弹丸命中不同要害部位,造成的毁伤程度不同,单发毁伤概率也不同。一般将反舰导弹划分为整流罩、战斗部、发动机、助推器等,在目标处于不同的相对我舰位置,弹丸命中同一部位的毁伤效能也不一样,如弹丸分别在距我舰10 km和1 km处命中目标助推器部位,造成的毁伤效能差别较大。

当判定弹丸命中导弹目标后,计算弹着点与目标几何中心的位置偏差,然后根据目标的飞行姿态和简化后的圆柱模型,确定弹着点的部位,并根据弹着点部位判定结果记录毁伤概率数据。本批次射击的所有弹丸单发毁伤概率统计完成后,计算总的命中毁伤概率,计算时,需注意同部位多发命中时的毁伤消除效应。

4 与真实打靶效果的差异性分析

在利用本文所述的半实物仿真系统开展对舰炮系统打击空中目标的命中判别与毁伤评估研究工作时,除战场环境、威胁目标信号和未发生实弹射击外,其他工作全部由舰炮系统按实际工作场景运行,与真实空中目标打靶相比,差异性主要在于以下几个方面:

1)目标搜索传感器和目标跟踪传感器的部分前端分机或部件未参与到仿真系统工作过程中,其状态会导致仿真系统与真实系统的差异,但差异在于系统能否稳定搜索和跟踪目标,满足射击条件,与命中判别和毁伤评估关系不大。

2)在仿真系统命中判别模型中,计算弹丸外弹道时,因未发生实弹射击,无法测量弹丸初速数据,因此火控解算和命中判别解算均使用理论初速值进行解算,与实际系统稍有偏差。

3)在仿真系统命中,火控系统解算时会考虑舰炮本身的射击误差信息,但判别模型中计算弹丸外弹道时,全部以炮口中心位置为基准点,与实际系统稍有偏差。

5 结束语

如上所述,本文描述的半实物仿真系统与实际系统运行仍存在些许差异,但在目前对舰炮系统打击空中目标的性能考核没有更适宜手段的前提下,采用半实物仿真环境来完成命中判别和毁伤评估,仍不失为一种选择。并且通过采用丰富数据来源、进一步加强研究等手段,优化命中判别模型和毁伤评估模型,可使得仿真系统更逼近于实际系统,其应用领域也将更为广泛。