基于内外场联合试验的作战试验构想

孙旭涛,曹泽宇,孙向前

(中国人民解放军92941部队,辽宁 葫芦岛 125000)

导弹武器装备是我军舰艇编队防守和反击的主要武器装备,是海军靶场试验鉴定的主要对象。“能打仗打胜仗”要求导弹武器装备在贴近实战环境下具有良好的战术技术性能,同时具备充分的战场环境适应能力和装备体系对抗能力,因此对导弹武器装备在列装之前的实战能力及其在真实战场环境下的适应程度做出全面评估和鉴定,已成为导弹武器装备作战试验的迫切需要和根本任务[1-3]。文献[1-5]中对导弹武器装备作战试验条件、试验指标和试验关键技术等进行了全面研究,然而没有对海军靶场如何利用现有内场数字仿真资源、外场武器实装、测控时统设备、半实物仿真试验系统等开展导弹武器装备作战试验进行深入分析。内外场联合试验[6-7]使用先进的模型封装技术和系统集成技术将外场试验资源(武器实装、测控时统设备等)和内场仿真设施资源(数字导弹、半实物仿真试验系统、目标模拟器等)联合为有机整体,建立逼真的、复杂的、合成的试验环境,在贴近实战环境条件下充分考核与评估导弹武器装备作战效能与作战适用性。

本文以充分利用海军靶场已有内外场试验资源为出发点,基于内外场联合试验思想,开展导弹武器装备作战试验探究。详细分析导弹武器装备作战试验和内外场联合试验内涵,并设计可以开展导弹武器装备作战试验的体系结构。基于该体系结构设计了导弹武器装备作战试验方案,为海军靶场利用现有资源开展导弹武器装备作战试验提供思路。

1 导弹武器装备作战试验

虽然国内外有关导弹武器装备作战试验的概念还没有一个标准定义,但是文献[3]的阐述较为全面,即导弹武器装备作战试验是为检验与评价信息化条件下导弹武器装备的作战适用性、作战效能及其对体系的贡献度,由专门作战试验鉴定机构独立主持,在接近真实的作战环境、作战对抗、作战保障等作战条件下,由使用该装备的典型部队人员在一定的战术编成下所进行的外场鉴定飞行试验。

1.1 基本内涵

导弹武器装备作战试验要求试验在尽可能接近实战的环境下进行,其基本内涵主要有以下几个方面:

(1)评估作战效能

作战效能是指使用装备的兵力在一定条件下完成作战任务的程度,简单地说,就是部队操作人员在战场上运用武器装备完成任务的效果。导弹武器装备作战试验需要评估导弹武器系统各部分作战效能,以准确定位各部分作战效果。

(2)查看作战适用性

导弹武器装备交付部队后需要经常地维修、操作、运输等,因此导弹武器装备的可靠性、兼容性、可运输性、可用性、可操作性、安全性等作战适用性成为了导弹武器装备始终关注的问题。

(3)搭建实战环境

导弹武器装备作战试验鉴定要求在近实战环境条件下实施,目的是使作战试验能够真实反映导弹武器装备在未来战场上的使用情况,真实暴露其可能存在的影响导弹武器装备作战使用的各种问题。

(4)突出体系对抗

导弹武器装备作战试验鉴定的被试对象是全装备产品及其配套设施设备,并将该装备置于集情报支持、指挥控制、火力支援等其他系统所共同组成的武器装备体系之中进行考核。

1.2 研究方法

国内外学者对作战试验研究较为深入,但对作战试验具体如何开展研究不足。文献[3]中提出了导弹武器装备作战试验研究方法,主要分为靶场实弹试验法、内场仿真试验法、等效推算试验法等。导弹武器装备作战试验的开展需要贴近实战的战场环境,这使得内场仿真试验法和等效推算试验法在作战效能和作战适用性评估方面捉襟见肘,而靶场实弹试验法以预先拟定的试验战情想定为背景,以实装实兵对抗为手段,对导弹武器装备进行作战试验鉴定。此方法接近实战,数据最为真实,但存在试验组织难度大、经费高,具有不可重复性等问题。同时,海军靶场目前还不具备实弹试验的靶标、测控、电磁等复杂环境构设的保障条件,这就需要研究出更为可行的作战试验开展方法。

内外场联合试验法是在内外场合成试验环境中对导弹武器装备的实际部件或子系统进行的试验鉴定。此方法可以充分利用内外场试验资源(数字导弹、电子靶标、半实物仿真试验系统、时统设备、测控设施、实装平台、武器实装等),构建贴近实战的复杂试验环境,同时可以克服靶场实弹试验法试验组织难度大、经费高以及不可重复性等问题,是目前海军靶场开展导弹武器装备作战试验的较好方法。

2 内外场联合试验

美军靶场界认为从传感器探测端到武器交战端的完整作战过程需要跨物理靶场边界、跨试验训练边界、跨真实和仿真资源边界的无边界靶场,并提出各类靶场与设施需要进行互联互通互操作。基于上述背景,美军首先提出了可以对复杂作战空间进行逼真表示的联合试验思想,其中联合试验是指依托分布式系统体系结构(分布交互仿真(DIS)/高层体系结构(HLA)/训练使能体系结构(TENA))将靶场真实试验资源、半实物仿真资源、数学仿真资源及模拟器资源与被试武器装备集成在一起,建立网络化的合成试验/测试环境,为武器装备系统集成或互操作能力试验提供必要的手段。

2.1 技术特点

内外场联合试验构建一个包含数学仿真、硬设备在回路仿真和人在回路仿真在内的导弹武器系统合成试验环境,实现跨区联合、内外场联合、虚实联合等,技术特点主要有统一授时、系统自治、模型封装、实时设计等。内外场联合试验系统是一个复杂的实时系统,为了使系统与靶场时统严格同步,系统应采用有针对性的时统策略,如系统顶层不进行严格的同步闭环控制、各系统采用独立的与靶场时统设备时间同步的时间服务器、系统内部独立管理时间等。内外场联合试验系统是由多个系统组成的复杂系统,各系统独立管理内部各实体状态更新、仿真模型运行和时间推进,系统顶层只负责各系统间的交互信息,系统自治包括系统聚集和解聚以及数据过滤等。为了保证新建系统具有良好的开放性、可复用性和互操作性,并且能够兼容靶场已建的数字仿真系统和半实物仿真系统,系统必须采用模型封装策略。为了保证内外场联合试验系统运行的实时性,除了采用系统自治策略外,还需合理划分系统仿真帧频,从而实现不同帧频系统时间同步。

2.2 系统组成

内外场联合试验系统一般由以下几个部分组成:试验管控系统、导弹数字仿真系统、导弹复杂电磁环境半实物仿真试验系统、雷达射频目标模拟系统、水面舰艇平台及武器控制系统实装、火控仿真系统、靶场测控系统、毁伤仿真分析评估系统和试验设计及分析评估系统等,它们通过仿真代理及中间件连接成一个有机整体,如图1所示。

图1 内外场联合试验系统组成Fig.1 Structure of infield and outfield joint test system

仿真代理完成异构系统封装,实现与中间件交互。中间件作为联合试验体系结构的基础,实现服务与数据的建立、管理和更新,进行消息及数据流的传播。

3 作战试验体系结构设计

体系结构主要为系统构建提供通用的软件框架和标准接口规范,而作战试验体系结构可促进靶场各类试验资源的互操作、重用与组合,同时根据任务需要灵活地将分布在各靶场、设施中的试验、仿真及高性能计算能力集成起来,构成一个贴近实战的复杂作战试验合成环境。当前支持靶场试验资源互操作、重用、组合的体系结构主要有以下3类:先进分布式仿真(ADS)、HLA和TENA[8-9]。TENA是建立在ADS基础上根据试验与训练领域的特定需求对ADS进行扩展,提供试验和训练所需的更多特定的能力,但是TENA的最终目标是成为美军靶场司令官联席会议(RCC)标准。要想在国内靶场应用TENA,就必须自主开发TENA所定义的公共基础设施和各种核心软件产品。

3.1 系统结构

考虑到目前国内支持ADS的软件产品较多,导弹武器装备作战试验所构造的大仿真回路拟采用ADS/HLA标准的分布交互式体系结构,如图2所示。图2表现的是一个模糊了各种试验资源类别的、通用的、分布交互式的导弹武器装备作战试验体系高层视图。

图2 体系结构视图Fig.2 View of system structure

将作战试验各试验资源进行抽象,主要包括试验资源、试验数据、试验信息与试验控制,这些对象数据资源都可定义为联邦成员,联邦成员、对象模型和成员间交互数据模型按ADS标准体系结构进行描述,即形成表格形式的数据词典,联邦成员间通过通用信息传输网络实时交互数据,按照发布/订购机制进行传递和过滤。

3.2 体系结构设计

考虑到靶场现实条件和未来发展,作战试验系统建设可参照HLA标准并吸收和借鉴TENA在试验训练领域的先进技术,设计适合靶场实际的作战试验体系结构。该体系结构同样包含规则、元对象模型和靶场应用程序与中间件接口规范,而实现靶场各试验资源互联互通互操作的是中间件。该中间件提供给靶场各类应用程序通用的“插接板”,每个应用程序都按照统一标准封装为“插件”,可实现靶场各类试验资源即插即用。综合考虑ADS、HLA、TENA等体系结构,设计了如图3所示的作战试验中间件。

图3 中间件Fig.3 Middleware

该中间件包含系统建模服务、声明管理服务、时间管理服务、所有权管理服务、对象实例化、消息管理等,能够充分集成利用HLA、传输控制协议/因特互联网协议(TCP/IP)、体系结构描述语言(TADL)、公共对象请求代理体系结构(CORBA)等建设的系统资源,实现即插即用,满足作战试验需求。利用该中间件实现的基于内外场联合试验的作战试验体系结构如图4所示。

图4 利用中间件实现的体系结构视图Fig.4 View of system architecture realized by middleware

采用作战试验体系结构可以将靶场现有各种试验资源(包括虚拟试验资源、半实物试验资源、实物试验资源等)和导弹数学仿真系统、半实物仿真系统、试验控制系统、目标模拟系统、毁伤仿真分析评估系统等其他试验资源整合成贴近实战威胁的虚实合成试验环境。通过外场资源和内场资源、真实导弹和虚拟导弹、真实目标和虚拟目标、真实环境和虚拟环境相结合的方法,既满足试验弹数和空靶数的约束条件,又尽可能提供同时攻击多目标的试验环境,预测武器装备性能、作战效能,检验武器装备作战适用性。

4 基于内外场联合试验的作战试验构想

试验方案采用1架靶机、1枚数字导弹和1枚靶弹来模拟空中3批目标,2套目标模拟器分别释放4枚电子靶标模拟舰艏和左弦4批快速小目标,其中数字导弹通过高置信度控制模型和半实物仿真系统共同完成,目标模拟器释放的电子靶标通过雷达波空馈方式产生,舰艇平台、武器系统、靶机、靶弹、测控设施等为实装,各试验资源通过作战试验体系结构互联互通互操作。试验方案如图5所示。目标是演示验证舰载导弹武器系统基于合成试验环境对敌海空目标进行大闭合回路作战试验的技术可行性。作战试验系统主要由联合试验控制系统、复杂电磁环境半实物仿真试验系统、数学仿真试验系统、装载火控系统的驱逐舰、目标模拟系统、目标毁伤测试分析系统、靶场测控时统设备等组成。

图5 作战试验方案Fig.5 Operational test scheme

作战试验过程简述如下:①驱逐舰、护卫舰、靶机、靶弹、靶场测控系统、时统系统、作战试验系统等准备就绪;②联合试验控制系统启动内外场各试验资源,主要包括复杂电磁环境半实物仿真试验系统、目标毁伤测试分析系统、数字仿真试验系统、目标模拟系统等,完成各试验系统授时;③驱逐舰雷达开机,靶机、靶弹、数字导弹适时起飞;④目标模拟系统实时获取舰艇平台状态信息,适时生成雷达射频回波信号,模拟来袭的掠海飞行反舰导弹;⑤半实物仿真试验系统和联合试验系统实时获取目标信息;⑥驱逐舰空馈式实时探测虚实合成目标,火控系统操作手跟踪来袭的威胁目标以适时发射导弹和协调弹,协调弹模拟导弹在发射架上的行为,使操作手可顺利执行导弹作战程序;⑦数字仿真试验系统利用导弹控制模型完成协调弹飞行控制,复杂电磁环境半实物仿真试验系统模拟弹导引头跟踪目标全过程;⑧目标毁伤测试分析系统完成虚实目标攻击作战效果评估。

5 结语

导弹武器装备作战试验是检验武器装备作战试验作战效能和作战适应性的重要手段,海军靶场虽然具有丰富武器装备性能试验鉴定经验和试验资源,但是靶场开展作战试验面临很多障碍,如模型重用性低、环境一致性差、仿真标准滞后和靶场建设缺乏统筹等.为建立一个贴近实战条件的作战试验复杂合成环境,本文基于内外场联合试验思想,设计了作战试验体系结构,对未来海军靶场利用内外场试验资源开展作战试验进行了深入探讨,为将来建立权威、一致、经济并且接近实战的作战试验环境打下坚实基础。