水面舰艇作战系统反潜作战仿真环境设计∗

2023-10-20崔萌达

计算机与数字工程 2023年7期

吕琳崔萌达

（91388部队91分队湛江 524022）

1 引言

为支撑水面舰艇作战系统反潜作战在全寿命周期中设计、论证阶段所需完成的开发工作，需搭建水面舰艇作战系统反潜作战仿真环境［1~3］。仿真环境的建立需要完成作战系统反潜战术性能评估，反潜作战使用流程开发，反潜战法研究，反潜作战条令开发，自顶向下的平台及作战系统反潜战术性能指标到分系统及设备技术性能指标的分解和分配，以及作战系统集成设计中自底向上的分系统及设备技术性能指标到作战系统反潜战术技术指标的综合计算、作战系统反潜作战功能流程、信息流程设计和验证等任务所开发的计算机辅助设计、建模和仿真软件套件［2］。

2 仿真环境概况

水面舰艇作战系统完成反潜作战论证及研制工作需要进行作战需求分析、功能性能设计及仿真效能的计算［4~7］。作战系统在对反潜作战的军事需求分析过程完成之后，进行顶层总体设计，其输入是军事需求对于作战系统反潜作战的功能、性能需求以及工程实现的约束条件，其结果是对作战系统物理组成、性能参数及配置、作战系统功能的分解与分配，系统组成元素交互信息、时序以及规则的可理解的描述，用于向用户明确系统是否能够满足其需求并作为分系统和设备软件、硬件工程师的设计输入。由于大系统复杂性的存在，以及缺乏与系统设计有关的理论基础，以上过程不是一个单向的、根据给定输入，利用函数、方程、经验曲线给出系统设计参数的过程，而是一个多种复杂设计活动同时存在的非机械设计过程，既可能有根据需求直接进行自顶向下指标分解、分配的过程，也可能有通过先确定具有条件约束的分系统和设备指标，然后调整其余不存在苛刻约束条件的指标，通过计算或仿真计算是否满足作战系统综合指标的自底向上的设计综合过程，除了系统指标的仿真和计算，对于系统复杂的状态变化和系统元素交互信息、时序和规则设计，如果没有辅助设计和仿真工具，单凭人的脑力分析、检查，其完备性和逻辑正确性无法得到有效保证［6，8］。如果在作战系统设计过程中，能有一个对反潜作战进行建模和仿真环境，对给出的系统设计参数可以仿真得出系统的设计目标，通过设计→仿真→评价→调整设计→再仿真→再评价这样迭代的过程，作战系统设计中的缺陷可以大大减少，作战系统工程项目可以最大程度地满足用户需求，工程周期得以缩短，经费需求得以减少。水面舰艇作战系统反潜作战仿真环境就是一个基于通用仿真软件Matlab，满足作战系统设计过程建模和仿真需求的仿真软件［9~10］。

3 组成及特点

水面舰艇作战系统反潜作战仿真环境由Matlab 软件、海洋环境模型（含传播模型、噪声及混响模型）、作战系统装备模型库、以及完成特定计算、仿真需求的作战系统任务仿真模型及评估模型组成。其中最关键部分是作战系统反潜作战装备模型库［11］。各模型复杂程度相差较大，复杂如目标搜索、跟踪、滤波、关联、识别以及融合处理、目标分配、鱼雷/深弹射击诸元解算等，简单如完成特定功能的四则算术运算。视模型的复杂程度，模型可包含一到数个层次的模型，一个模型中的子模型可以是一个能直接在作战系统模型中使用的功能模型，也可以是一个只有部分功能的子功能模块［12］。模型库的组成不是在开发完成后就一成不变的，它有一个发展、变化的过程。随着作战系统反潜作战仿真环境需要解决的用户仿真需求的不断增加、深入，模型库中的模型数量会不断增加，层次也会有所变化，这是水面舰艇作战系统反潜作战仿真环境与一个完成固定仿真计算需求的仿真软件的最大的区别［13］。

3.1 作战系统反潜作战仿真环境中的模型

3.1.1 环境模型

环境模型主要模拟海洋中的声传播损失，需要模拟计算声波按球面、柱面、管道传播时在不同水深、温度、压强、盐分条件下的传播路线及损失，存在海面反射、海底反射（不同的海底粗糙度、声阻抗）时的声路线及传播损失。能够模拟声波在海洋中的跃变层、混合层声道、浅海声道、深海声道、会聚区等进行传播的多种情况。

目标噪声模型包括机械噪声：线谱：涡轮机叶片，齿轮，电机电枢，轴，内燃机气缸中的爆炸；连续谱：泵，管道，阀门中流体的空化和湍流，机械摩擦、螺旋桨噪声、空化噪声、潜艇噪声、鱼雷噪声等。混响模型包括海面混响、体积混响、海底混响模型等。

3.1.2 装备模型库

水面舰艇反潜作战仿真环境要建立与水下作战各种模拟角色的模型，这些模型包括：

1）空中、水面、水下作战平台模型；舰艇平台、潜艇平台、空中平台。

2）声纳、雷达、鱼雷、指控、火控、通信、导航等装备模型。包括舰壳声纳、拖曳线列阵声纳、鱼雷告警声纳、吊放声纳、红外警戒设备、光电跟踪仪、磁探仪、搜索雷达、跟踪雷达等传感器；火箭助飞鱼雷、管装鱼雷、深弹、声诱饵、声干扰器、尾流模拟弹等武器；指控的融合精度计算模型及威判模型、火控的目标运动要素解算模型、占位计算模型、射击/发射诸元解算模型；通信模型包含网络结构模型、通信信息模型以及通信设备性能指标模型。

3）可抽象为各种平台、系统及环境的相互作用的各种作战任务模型及规则库。作战任务模型除能自动执行外，还允许人在回路进行诸如搜索和识别目标，选择对自身或本方兵力具有威胁的目标交战等活动。任务模型包括诸如协同搜潜模型、协同攻潜模型、综合使用软硬武器对鱼雷拦截模型、联合跟踪仿真模型、反潜作战过程仿真模型。作战系统装备论证环境仿真对象的行为是通过灵活的规则集来控制的。这种规则集是一种在系统中建立战斗管理模型的基本工具。用于阶段和消息处理的规则集包括战斗管理和交战决策过程及用于仿真的交战模型。用户选择规则集、选择行为，设置规则集的参数是为了控制平台对想定事件的动态反应，规划触发事件/响应的结合。

3.2 作战系统反潜作战仿真模型

基于每一个具体的仿真需求，使用环境模型、作战系统反潜作战装备模型库中现有模型以及可能需要新开发或重新开发的有关环境、传播、设备的模型，组建作战系统反潜作战模型。

4 作战系统反潜作战仿真环境功能

水面舰艇作战系统反潜作战仿真环境用于支持作战系统反潜装备效能评估研究类应用。将重点建立敌我双方声纳、鱼雷、水声对抗、指控、等装备的功能性能仿真模型，在典型想定的基础上，通过对战术对抗过程的仿真形式，将交战结果用于最终的装备效能分析或作为装备战术使用方法分析的依据。

图1 作战系统反潜作战仿真环境层次结构

水面舰艇作战系统反潜作战仿真环境能够在对抗仿真条件下研究作战系统装备的战术技术指标、作战效能，研究不同武器装备配置方案对作战能力的影响。对作战系统装备在各种作战任务剖面下的作战过程仿真，评估其作战效能；并对作战系统总体指标进行综合计算和动态仿真计算，揭示作战系统总体指标与分系统及设备指标、环境特性的关系以及它在系统动态过程中变化的特性。对作战概念、作战兵力指挥关系、作战系统装备作战协同过程、信息流程进行建模与仿真；对作战系统装备所处的战场自然环境、电磁环境、目标特性等进行仿真，评估其对装备作战效能的影响；对作战仿真过程进行三维虚拟可视化演示。