海军武器装备仿真与试验一体化

魏太林，宋志刚

（92941部队，辽宁 葫芦岛 125001）

0 引言

为适应海军转型的发展，海军武器装备鉴定定型面临着适应转型发展的需求，无疑带动了靶场转型。由传统靶场到新时期转型发展的转型靶场，从制定科学的靶场转型战略，到处理好转型过程中的若干关系及方法等，必然有一系列问题值得探讨。[1]新时期靶场转型必然推动海军武器装备试验鉴定模式及方法的转变和效率的提高。

美国的试验鉴定策略已经从传统的“试验—调整—试验”方法向“模型—仿真—试验—迭代”方法转变，即首先建立模型，其次仿真，然后进行试验，最后将试验结果迭代回仿真模型中，称之为仿真、试验与鉴定过程。[2]最终要建立一组能够尽可能精确代表系统且有相当置信度的模型，用来预测系统的性能、作战效能和作战适用性。

纵观发达国家武器装备的研制过程，我们看到计算机仿真技术的发展和在军事领域的深入应用，使得海军武器装备试验鉴定方法、装备部署和作战使用都可通过模拟实现。

在仿真试验、外场动态飞行试验和其他试验的支持下的对整个被试装备的综合研究和发展，这就是一体化的概念。型号设计、改进设计、仿真试验、外场动态飞行试验不仅是海军武器系统型号研制的组成部分，并且是一个有机的整体，相互补充和促进，一体化研究贯穿于武器系统研制的全寿命周期。

1 武器装备试验模式分析

1.1 常规试验方法

武器装备的靶场试验一般采用常规的外场试验方法，即在真实目标及真实环境背景的试验条件下，考核武器装备战术技术性能的试验方法。特别是对动态目标的跟踪精度、对目标的射击精度、可靠性等主要指标的评估主要是以外场试验作为考核依据。

真实目标及真实环境背景的试验条件下，主要体现在以下几个方面。

1）与真实打击的目标特性接近。

为使目标的几何形状、辐射、噪声等目标特性接近或等同于武器装备作战实际打击的对象，一般选用与武器装备打击对象性能相近的诸如导弹、飞机、舰船等典型真实目标作为试验靶标，或者直接以典型打击对象作为试验靶。

2）试验环境背景真实。

在海上或者以海洋为背景条件下进行的试验环境背景与武器装备实际使用环境相同，考核武器装备在真实环境背景、气象条件下的战术技术性能，尤其是在考核武器装备克服海浪杂波干扰和多路径效应等作战性能。

3）电磁环境与作战环境相近。

武器装备在作战舰艇上进行的试验，可以形成与实际作战条件完全相近的电磁环境，从而能够考核武器装备在电磁环境下的实际使用性能。[3]

1.2 一体化试验方法

武器装备试验模式的发展趋势主要体现在靶场建设、试验手段、试验管理、试验人才、试验理论等方面的发展。装备试验技术的发展主要归结为向作战使用性能试验和向可信、高效仿真试验的一体化方向发展。

1）趋势一：向考核作战使用性能的试验模式方向发展。

外场试验鉴定技术的发展更加注重对于实战条件、试验方法和具体实现手段的研究，最大限度地形成被试武器装备所要求的作战目标、环境和对抗双方实施对抗的动态过程。为此，外场试验将采用各种动态靶标来模拟装备的攻击目标，或者性能相似的电子装设备模拟作为电子战、信息战条件下所对抗的电子目标，特殊情况下也将使用实际的装备作为对抗的对象进行试验和鉴定。有助于提高装备试验与鉴定的质量和水平，更加趋于适应未来作战的需求。

2）趋势二：向开展可信、高效的仿真试验模式方向发展。

武器装备的试验与鉴定对目标和环境的要求越来越高，外场真实条件下实现的难度也越来越大，有的目标甚至无法实现，这对外场试验技术的发展提出了严峻的挑战。武器系统的复杂性和实战条件目标与环境的多变性，对其试验鉴定提出了更高要求，有些试验环境或目标特性限于试验周期、经费、供靶能力、组织实施、气候等各种因素的制约，在外场试验中将无法或难以实现，武器装备的某些战术技术性能依靠单一的外场真实目标试验无法完成对其全面考核，无法提供设计定型的依据。将仿真技术与试验技术结合对武器装备进行综合试验鉴定，其实质是用仿真的战术试验环境考核真实武器系统性能，弥补外场试验考核不充分的缺陷，用外场试验结果与仿真试验结果综合评定武器装备。[4]

2 仿真与试验一体化研究内容和技术途径

2.1 一体化研究的内容

一体化研究的主要思想是要重视仿真技术的应用，加强仿真在试验与鉴定中的作用，同时以外场真飞试验和实弹射击试验作为验证仿真可信度的手段。一体化研究以仿真为核心，将仿真试验与外场试验及其他试验贯穿起来。一体化研究的内容包括以下几个方面。

1）对武器系统性能的考核评定主要是动态精度和射击概率。

2）研制各阶段的仿真试验包括数学仿真和半实物仿真，应研究满足各阶段仿真试验要求的仿真环境和仿真方法。

3）对武器系统性能考核评定的动态精度仿真试验和射击精度仿真试验，关键是精度和置信度满足要求，应对动态精度仿真试验和射击精度仿真试验的精度进行确认，研究确认方法。

4）数学模型和仿真环境是一体化研究的主线，设计过程中要进行建模，各试验过程要进行验模，仿真射击要使用模型。在整个过程中要研究合理的模型体系，进行模型的分解细化。

5）模型的验证要综合仿真试验和外场动态试验等各方面的信息。验模同建模相对应，也要分阶段进行，要研究合理的验模方法。

6）建立一体化的数据库，包括仿真试验、外场真飞试验等的数据库，提高试验数据处理、分析、使用的效率。

7）研究仿真试验与外场试验相结合的一体化评定方法，有效正确利用仿真试验的验前信息，应用Bayes 统计分析方法、数据融合技术等理论，综合仿真试验与外场试验的两个母体的试验数据，按最佳配合的原则进行仿真试验与外场试验方案的优化设计。[5]

8）建立一体化的实用方法、软件、数据库及相应的射击精度仿真试验系统。该系统具有规范化设计、理论和方法的通用性，并能推广到各种海军武器系统中。

2.2 一体化研究的技术途径

一体化研究的最终目的在于提高试验质量、减少失误、节省试验航次数。实际上就是改变以前单一外场试验模式，通过建立仿真试验环境和校验模型，使用仿真模型和仿真试验系统进行半实物仿真试验，补充外场试验的不足，进而实现缩短试验周期和减少试验经费的总体任务。

根据一体化研究的技术特点，拟采取的技术措施和方案如图1所示。[4]

图1 一体化研究技术方案框图

一体化研究的技术途径主要包括系统模型的建立与校验、外场动态精度试验的数据综合分析、仿真试验环境和试验设计、建立试验信息数据库技术、仿真试验与外场动态精度试验综合评定技术等几个方面。

2.2.1 仿真系统模型的建立与校验

对于任何一个被试系统而言，其仿真试验系统的关键是建立正确可信的系统模型和仿真模型，系统模型是根据被仿对象的物理特性研制的各种模拟器和建立数学模型的一次建模，仿真模型是把被试系统的数学模型转化成仿真计算机可执行的仿真模型的二次建模。对于武器仿真试验系统而言，其目标环境的仿真尤为重要。建模、验模和确认是实现仿真试验的重要基础。

建模遵循从“模拟器的器件、部件”到“子系统”、“全系统”的方式建模，其仿真模型包括确定性模型、随机误差模型和不确定性模型，即是对象模型、干扰、各种噪声模型以及工作误差模型等等。工程实践中，有些对象模型的物理特性能用数学方程来描述，有些却难以用数学方程来表达；或者有些参数难以用设计参数来描述，只能通过试验数据来确认。比如有些弹道方程的参数就是通过试验确认的。并且这些参数恰恰是一体化研究的重点和难点所在。

验模主要是建立在数字计算机上的仿真模型与工程数学模型的一致性。验模的方法主要是通过校验模型动态特性的一致性要求确定。对某型武器系统的半实物仿真而言，主要是通过检验仿真试验与外场试验输出的一致性。通过建模与验模的物理过程及仿真试验系统的实际效果即可进行确认。[6]

2.2.2 外场动态精度试验的数据综合分析

1）数据融合方法。

某型武器系统试验中，靶场运用光测、遥测、雷测等多种观测设备进行测量，对这些数据进行综合分析、数据融合等，以达到对该型号武器系统的各种战技性能参数的检测、估计和获取。

2）仿真试验数据的一致性检验。

仿真试验可以辅助外场试验，一定意义上是对外场试验的补充和完善；同时，必须检验仿真试验与外场试验结果的一致性，用外场试验验证仿真试验结果。如何检验仿真试验结果的有效性或仿真系统的逼真度,是武器系统仿真试验中必须解决的重要课题。仿真试验数据的一致性检验，即仿真试验结果的有效性（或逼真度）检验，主要途径是运用统计检测方法，比较相同条件下仿真试验数据和外场试验数据的一致性，实质上是进行精度检验。以检验武器系统仿真试验结果和真实外场试验结果是否匹配。[5]

3）有效试验航次与作废航次的综合应用。

武器装备外场动态精度试验具有试验费用高、周期长、试验航次数少的特点，试验成功和失败的可能性都有，即有的试验航次有效、有的试验航次由于各种因由可能就是作废航次。比如某次某型武器系统试验，有的试验航次针对整个系统的动态精度试验而言是无效的，但对于所属单机的其他性能试验而言可能是有效或部分航路段有效。这就要结合仿真试验和外场试验数据的综合分析处理，全面评定试验航次的有效与否。[4]

4）动态精度飞行试验预估与试验结果分析技术。

动态精度飞行试验前的仿真试验和动态精度飞行试验的数据分析两者有机结合，有效地支持外场真实目标试验，充分挖掘、利用各种试验数据，支持实现射击精度仿真试验和减少外场试验航次数。其基本方法是建立正确的射击精度仿真试验模型，以及仿真弹道方程，积累出反映被试系统典型特征的弹丸测偏精度和脱靶量等关键参数数据。[7]

5）复现外场动态精度试验的仿真试验技术。

以外场真飞试验数据为基础，叠加背景噪声和雷达噪声，重新注入仿真试验系统中，以这种复现外场试验的仿真方法实时驱动武器系统，完成被试系统的“仿真复现外场试验过程”，配合被试系统故障搜寻和系统分析工作。

2.2.3 仿真试验环境和试验设计

仿真试验系统建立一个仿真支撑环境，可以完成对整个武器系统不同阶段不同内容的工作提供辅助支持，并为试验现场考核提供辅助决策功能。这种支持软件系统包括主管理系统，引导和控制不同的功能模块；功能软件包括仿真支撑软件、仿真试验管理软件和系统测试软件等。武器系统设备组成多、结构复杂、不同型号武器装备涉及空/海/岸等多个立体作战区域，目标环境特性和作战自然条件复杂多变，全面考核的试验工作量大。故仿真试验设计是一体化研究的重点内容之一，主要包括考核项目设计、仿真试验航路设计、仿真试验程序设计、仿真模型验证和仿真试验结果信息处理技术等。[7]

2.2.4 建立试验信息数据库技术

建立试验信息数据库是一体化研究的重要组成部分。该数据库系统将一体化的所有信息资源，包括半实物仿真试验、外场真飞试验和其他试验的所有数据作为一个整体划一的资源系统实现管理共享，完成数据信息一体化。这样一个试验信息数据库系统分为“基础层”、“支撑层”、“数据层”和“应用层”4个层次。基础层构建数据库的基础结构；支撑层支持仿真研究和各类试验数据的处理分析工作；数据层实现各类试验数据的管理；应用层借助图形可视化工具等实现试验数据的综合分析与应用。

2.2.5 仿真试验与外场动态精度试验综合评定技术

动态精度仿真试验和射击精度仿真试验的结果为减少外场试验航次数、小子样鉴定方法提供充分的验前信息，是武器系统战术技术性能评定的重要依据。仿真试验与外场试验相结合的小子样鉴定方法以动态精度仿真和射击精度仿真提供的验前信息为重要依据，实现对武器系统综合鉴定方法的应用。主要包括：Bayes 统计推断方法、小子样统计推断的验前信息应用和动态精度试验设计等。[8]

3 结束语

海军武器装备仿真、试验与鉴定的一体化研究，融合了计算机技术、系统仿真等多学科的最新科学技术成果和方法，能根据作战任务实际需求，进行系统研制、设计定型、改进设计、军事训练和作战性能评估等，适应武器对抗日益增长的需求和现代高科技的发展。一体化研究涉及多学科、多部门、多信息来源，仿真系统仿真模型的建立与校验、闭环系统的辨识、仿真模型的确认、仿真系统的设计、仿真环境的逼真度、仿真试验的一致性检验、仿真与外场试验的数据融合、小子样鉴定定型试验方法等许多关键技术都需攻关和解决。这些课题的深入研究和完成对解决仿真、试验与鉴定一体化研究起到重要作用；一体化研究也是靶场转型过程试验理论发展的一个趋势，必将对海军武器装备的发展、对靶场试验鉴定水平的提高起进一步推动作用。

[1]杨榜林,岳全发,金振中,等.军事装备试验学[M].北京∶国防工业出版社,2002∶29-35.

[2]孙柏林,靳大安.外军建模与仿真综述[J].计算机仿真,2002,19(1)∶4-8.

[3]曲宝忠,孙晓峰,李守秀,等.海军战术导弹试验与鉴定[M].北京∶国防工业出版社,2005∶253-255.

[4]黄守训,杨榜林,田颖,等.舰炮武器系统试验与鉴定[M].北京∶国防工业出版社,2005∶277-301.

[5]唐雪梅,张金槐,邵凤昌,等.武器装备小子样试验分析与评估[M].北京∶国防工业出版社,2001∶1-19.

[6]何江华,郭果敢.计算机仿真与军事应用[M].北京∶国防工业出版社,2006∶74-82.

[7]魏太林,张艳.海上试验中电磁环境验证应用研究[J].现代防御技术,2009,37(3)∶81-84.

[8]田颖.军用仿真技术与靶场仿真试验技术应用[C]//火力与指挥控制2005 学术年会论文集,太原∶火力与指挥控制研究会,2006∶439-444.