地空导弹装备战损仿真系统研究

王 宏，赵英俊，刘 晨，仇小光，张 琳

（1.空军工程大学 导弹学院，陕西 三原713800；2.93844部队，新疆 乌鲁木齐830023）

0 引 言

未来高技术局部战争将使得地面装备战损情况变得更加复杂，如何科学地研究地空导弹装备战损仍是一个急待解决的问题。而当前研究成果对于地面目标的毁伤一般仅限于装备的外形几何模型，而对于集机械、电子于一身的地空导弹装备（以下简称装备），若没有建立其科学合理的详细结构模型，进行毁伤仿真难以得到有效的毁伤数据。若装备的毁伤数据仅能依靠实验获取，成本高，风险大，甚至会影响战备任务，本系统通过对地空导弹装备的逻辑结构、物理结构、基本功能结构对应关系、战损模式及影响、抢修资源等进行分析，建立相关的数学模型与初始化数据库，并以典型空袭作战模式为背景构建仿真用例，并以此为基础，建立地空导弹装备战损仿真体系结构，以反辐射弹药为例，研究分析战斗部破片毁伤仿真方法、地空导弹装备结构模型化方法及毁伤目标仿真方法，并设计开发了仿真系统。该系统不但能解决地空导弹装备缺少战损数据的现实问题，其设计思想、功能模块、仿真方法对于地空导弹部队系统深入地开展战场抢修训练具有决策支持作用，可解决装备难以经历实战损伤获取损伤数据的困境。

1 技术方案

将装备的各类信息，战损评估内容及相关资源存入综合数据库，根据仿真模型要求完成仿真初始化，在仿真运行过程中，适时存储过程数据和调用数据库原始数据，最后根据综合数据库数据做出仿真结果的处理，具体方案如图1所示。

图1 地空导弹装备战损仿真系统技术方案

2 系统结构

仿真系统结构如图2所示，包括空袭想定管理、仿真数据库管理、仿真初始化、仿真运行控制、仿真结果处理等分系统。

空袭想定管理分系统：完成仿真系统所需空袭想定设计、测试以及维护管理，作为仿真系统的验证案例，包括：空袭想定设计模块、空袭想定测试模块以及空袭想定维护模块。

仿真数据管理分系统：用以完成仿真系统所需各类基本数据的初始管理、状态管理以及结果分析，主要包括：装备物理结构、装备逻辑结构、装备相互关系、空袭兵器参数、装备阵地部署（环形、扇形等）参数、抢修资源（人员、备件）、战损等级评定标准、仿真状态及管理等模块。

图2 地空导弹装备战损仿真系统结构

仿真初始化分系统：用以完成仿真系统初始化状态设置，主要包括：仿真用例、装备阵地部署、现场抢修人员、现场抢修备件、仿真步长、仿真运行方式以及仿真显示方式等初始化设置模块。

仿真运行控制分系统：用以完成仿真系统运行控制，主要包括：事件调度处理、实时控制、状态记录保存、状态显示以及中间结果保存等模块，图3为仿真控制界面。

仿真结果处理分系统：用以仿真系统相关结果的处理，主要包括：空袭情况统计、装备战损情况统计、功能组合战损情况统计、功能部件战损情况统计、功能单元战损情况统计、系统战损情况统计、基于功能重要度的战损等级评估、基于现场抢修力量的战损等级评估以及仿真结果生成打印等模块。

图3 仿真控制界面

3 战损仿真方法

3.1 装备等效几何描述模型

任何装备几乎都可以等效为长方体、球体、圆柱体、三棱柱、圆锥体等基本几何模型的组合，因此可先根据装备部署情况建立地面直角坐标系，并将目标分解为若干个基本几何模型，依据装备设计图近似给出每个基本几何模型的几何描述（顶点坐标、长、宽、高、半径等）。完成装备几何模型建立后，还应考虑装备的机械、物理、化学等特性，如装备的制造材料，可等效为一定硬铝厚度；相互间的遮挡关系，考虑到装备的一般运动规律，只设定装备的 “上、前、后、左、右”5个方向的遮挡关系，并给出遮挡的等效硬铝厚度。

由此可以建立目标描述几何类，即装备类（主要是车辆），组合类（车辆内部功能单元）及部件类（车辆内部非组合部件），可按照C＃.NET的语言规范分别描述，由于不同装备、组合、部件的外形，材料、遮挡等关系不尽相同，所以应先分别建立其抽象类作为基类，描述其共同特性，并定义接口完成不同几何模型的描述，如下所示：

定义接口及抽象类：

Using System

Namespace Equipment

｛

Interface Cuboids ／／定义长方体模型接口

｛

Void Parameters（）； ／／几何描述参数设置（顶点坐标、长、宽，高，半径等）

｝

Abstract class TargetClass ／／定义目标抽象类

｛

Protected float equivalent＿duralumin＿thickness；／／定义装备等效硬铝厚度

Protected float frontal＿duralumin＿thickness；／／前遮挡等效硬铝厚度，取0为无遮挡

｝

｝

Class Equipment：TargetClass，Cuboids，… ／／定义装备类，继承至基类，并根据装备几何模型情况，选择地继承和实现接口

｛

Float equivalent＿Epvolume；／／定义装备的等效体积

Float equivalent＿Keyvolume；／／定义易损部位等效体积

Public int number＿EpParts；／／定义击中装备的破片数

Public int number＿KeyParts；／／定义击中易损部位的破片数

Public override CalDamage（string missile＿type，int number＿missle）

｛

／／计算装备损伤，给出击中装备的破片数及击中易损部位的破片数

｝

Public Equipment（Float ＿Epvolume，Float ＿Keyvolume，int ＿EpParts，int ＿KeyParts）

｛

This.equivalent＿Epvolume＝＿Epvolume；

This.equivalent＿Keyvolume＝＿Keyvolume；

This.number＿EpParts＝＿EpParts；

This.number＿KeyParts＝＿KeyParts；

｝

Void Cuboids.Parameters（）／／实现长方体接口

｛

／／实现长方体描述参数设置

｝

｝

组合类与装备类类似，不再赘述，部件类有所不同，且本文提到的仿真方法，为简化结构，将部件等效为球体处理，实现如下：

Class Equipment：PartstClass，Spheres ／／定义部件类，继承至基类，实现球体接口。

｛

Bool b＿penetrateDam；／／定义变量，“真”为穿透装备即损伤，“假”为穿透组合损伤

Public float Ratio＿DamagePart； ／／定义部件损伤概率

Public override CalDamage（string missile＿type，int number＿missle）

｛

／／计算部件损伤概率

｝

Public PartstClass（Float ＿DamagePart，bool ＿penetrateDam）

｛

This.Ratio＿DamagePart＝＿DamagePart；

This.penetrateDam＝＿penetrateDam；

｝

Void Spheres.Parameters（）／／实现球体接口

｛

／／实现球体描述参数设置

｝

｝

3.2 战斗部起爆规律

战斗部起爆规律表现在炸点的确定及战斗部起爆时的姿态，而炸点的确定方法主要考虑战斗部采用何种引信起爆。目前多数空地导弹采用触发或近炸引信，或两才兼有。由于本文只研究破片毁伤，所以只考虑采用近炸引信，根据引信测量误差，以高斯分布抽样确定炸点高度，根据导弹命中点的圆概率误差半径，以目标为坐标原点，将命中点近似为圆形散布，按照均匀分布抽样确定炸点平面坐标。战斗部姿态，即导弹飞行末端的直线弹道方向，根据炸点坐标及目标坐标确定，即战斗部引信敏感方向与炸点坐标和目标坐标连线重合，且指向目标，大致与导弹运动方向一致。

3.3 战斗部破片仿真

本文沿用以前的射线法进行破片的仿真，不同之处在于，每条射线被赋予相应的毁伤能量（毁伤能量的大小由破片的速度和破片质量确定），并确定射线与目标交会的后的剩余能量，由此判断其二次毁伤的可能性。具体实现方法如下：

根据战斗部破片模型计算出破片总数n，随之于战斗部爆点处产生n条射线，射线方向限制在破片飞散角内，且在战斗部锥形飞散区域与目标不平面交会所得环形区域内，按照均匀分布随机抽样确定每条射线与目标水平面的交点坐标，从而确定其具体方向，如图4所示。由于本文仅考虑预制破片，所以每条射线的能量值可认为相同，且第一次与目标交会前不考虑射线由于破片飞行距离变化导致的能量损失。

图4 破片射线仿真

3.4 装备损伤仿真

装备损伤仿真在破片毁伤模型、目标破片损伤模型、目标几何描述模型、战斗部起爆规律及战斗部破片仿真的基础上进行，可通过仿真流程图5说明整个仿真过程。

4 装备战损仿真实例

图5 损伤仿真流程

以地空导弹装备的制导雷达为例建立装备模型，以空地反辐射导弹为例建立战斗部破片毁伤相关模型，进行仿真验证，仿真结果数据分别如图6～图9所示。由本仿真平台所得多少仿真数据可知，提高空地导弹的命中精度及其破片毁伤动能可有效提高其对地面目标的毁伤效果，而地面群装备也可采用分散部署的方式减少空地导弹对其毁伤，且对于地空导弹装备，应对其关键部位及重要部件进行必要防护，以降低损伤概率。

5 结束语

该地空导弹装备战损仿真系统利用计算机仿真技术，构建虚拟的战场环境，研究地空导弹装备在虚拟现实战场环境中可能的战损过程，包括各种可能对地空导弹装备构成杀伤的空袭兵器的进攻过程、各型地空导弹装备可能的战损情况及战损评定和抢修等，为全面进行地空导弹装备战损研究构建一个先进的平台。该系统的开发对实现地空导弹装备损伤评估、损伤定位和等级评判具有较强的辅助决策作用，对深入开展装备战场损伤与修复工作具有重大的现实意义和指导作用。

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