雷达制导半实物仿真系统可信度分析*

赵红云

(91336部队 秦皇岛 066326)



雷达制导半实物仿真系统可信度分析*

赵红云

(91336部队 秦皇岛 066326)

论文以末制导雷达半实物仿真系统为研究对象,在讨论可信度与VV&A关系基础上,对仿真系统开发各阶段不同模型开展可信度分析,主要是对不同模型开展V&V,并综合各VV结论进行,确保了雷达制导半实物仿真系统的高的可信度。通过该系统可信度分析总结给出了可信度的性质以及工程应用中半实物仿真系统可信度应遵循的几条原则。

半实物仿真; 可信度; VVA

Class Number TN957

1 引言

雷达制导半实物仿真系统在导弹武器系统定型和研制中发挥着重要的作用,不仅可提高效率,极大缩短研制周期,而且节省大量的研制经费。仿真系统作为原型系统的相似替代系统,在特定建模与仿真目的和意义下,存在一个可信性问题。在某种意义来说,只有保证了系统仿真的正确性和可信度,最终得到的仿真结果才有实际应用价值。

国内外仿真界一致认同:没有经过校核与验证的模型和系统不可信。国内对仿真系统可信度的定性评价、定量评估方法、仿真模型的校核验证等问题的研究近几年一直未间断,也作了大量有益的工作,且随之VVA技术在提高建模正确性和可信性方面的作用,而日益受到重视。

本文从系统研制工程实际出发,在介绍可信度与VVA关系基础上,对反舰导弹末制导雷达半实物仿真系统的开发不同阶段结合VVA结论开展可信性分析,确保了系统的高可信度。

2 雷达制导半实物仿真系统基本构成

导弹末制导雷达半实物仿真系统利用微波暗室及各种射频仿真设备提供的试验环境,对末制导雷达导引头进行开环和闭环下的模拟打靶。主要包括飞行模拟器、射频目标环境仿真系统、弹道仿真工作站、总控计算机与其它测控和通信接口设备。其配置图如图1所示。

其中末制导雷达作为实物架设在飞行模拟器上,飞行模拟器用来复现弹体在空中飞行姿态的变化;微波暗室主要功能是在实验室中创造一个近似自由空间传播电磁波的环境;射频目标环境仿真系统用于复现目标及干扰空间属性及目标的射频信号特征;总控计算机是该半实物仿真系统的指挥控制中心,统一管理和控制回路各设备协调工作,其上运行总控软件,控制回路其它设备设有分系统计算机,通过网络与总控进行信息交互。通信网络及接口设备是指在仿真实验软件作用下控制实验进程、协调各分系统完成实验中数据记录、信息传输等工作。弹道仿真工作站运行导弹弹体特性及制导控制系统的数学模型。

图1 半实物仿真系统配置图

3 仿真可信性/可信度与VVA关系

近年来随着仿真可信性研究和应用工作的深入,国际仿真领域皆认为模型校核与验证(V&V)与模型和仿真有效性密切相关。

仿真可信性/可信度是对仿真系统在一定环境和条件下解决问题正确性的定性/定量评估。

VVA技术是保障仿真可信性的重要手段,校核是从系统结构完整性角度,强调是否按照预期应用期望进行工作,它是对建模与仿真确认过程。验证是从仿真系统应用目的出发,确定仿真系统反应真实程度的过程。确认是对仿真系统是否满足应用目标的一种认证,一种相信并被接受的权威性决定。

VVA技术贯穿于仿真系统全生命周期,仿真系统VVA的实施过程包含了可信性评估需要的信息和证据,确认结论实际就是仿真可信性评估结论,也可以说仿真系统的确认实际就是对仿真可信性的评估。只有VVA才能为仿真系统开发全生命周期提供全方位跟踪、审查和监督,才能有效保证系统的可信性。

4 系统模型可信度分析

雷达制导半实物仿真系统是强实时系统,对半实物仿真系统的可信度分析必须以对半实物仿真系统的校核和验证为基础,针对不同阶段和对象,选用不同VVA方法,综合集成各阶段的VV结论进行仿真系统的可信度分析。

模型作为仿真系统的灵魂,从系统论证设计开始就必须开展对模型的VVA工作,根据雷达制导半实物仿真系统建设工程实际,在建设中采用如图2所示模型VVA寿命周期。

图2 系统模型的V&V寿命周期

4.1 仿真需求模型VV

需求分析是整个项目开发生命周期的初始阶段,也是关键阶段。主要内容是明确系统建设目的,搜集、调研当前仿真领域尤其是军内仿真领域的需求,对系统建设的可接受性进行判断,对预期应用、预期结果进行分析,并建立需求分析的可描述性模型。

需求分析阶段的VVA工作主要是对需求报告进行审定。重点对系统指标、计算机资源性能、工程因素、接口设备、开发计划、风险分析以及系统建成的可接受标准等建立规范性文档,确保需求被一致、完整、清晰的描述。通过组织专家组对模型的完整性、正确性,系统的功能、性能相关设计要素与所期望的系统功能相一致性等进行研究。最后形成分析报告,在进行下一步工作之前解决所有分歧。

4.2 概念模型VV

概念模型是连接需求和实现的桥梁,是将需求转换为详细设计框架的途径,是建模和仿真中对真实世界的第一次抽象。唯有正确的概念模型才能真实地反映客观世界、才能实现可信度高的仿真。

概念模型是仿真开发者对仿真系统中涉及的软件、硬件、网络和各种系统设备的概念信息进行集合抽象,运用精确语言、框图、符号和流程等形式进行规范化描述,多以科技报告等文档形式体现,定性成分高,而定量成分低。根据此特点概念模型验证常采用审查、桌面检查、审核等非规范方法和控制分析、接口分析、结构分析、可追溯性分析等静态分析方法验证概念模型描述完整性、清晰简洁性、合理性。

4.3 数学模型、仿真模型VV

数学模型主要包括导弹动力学模型、运动学模型;目标运动模型;弹目相对运动模型;自动驾驶仪模型;干扰模型;坐标变换等模型。这些模型不是简单的叠加,而是通过有机结合构成的完整整体。数学模型的校核主要包括模型的简化的合理性,结构和逻辑关系正确性、数学公式正确性、模型参数设置合理性等。本系统研制中采用某典型弹道模型,其数学模型是可信的。其校核与验证体现在其仿真模型与数学模型一致性上。仿真模型是在深入理解数学模型基础上的二次开发,使之成为能在计算机上运行的仿真程序,它的校验和验证与仿真软件的校验与验证有其相似处。而目标和干扰信号的模型建立方法、逼真度和复杂度不同,根据需求要考虑包括费效比在内的模型建模和验模。

4.4 仿真设备与物理效应模型VV

仿真设备V&V主要是考核仿真设备是否可正确反映和复现物理效应模型,在功能、性能、兼容性等指标是否可用并且可信。物理效应模型是指导弹在飞行过程中所处的环境以及所受的激励信号,以及雷达导引头接收到的目标信号、电磁干扰信号、弹体姿态运动等效应模型。

仿真设备的工作原理及功能结果复杂且专业性强,对仿真设备的校核主要有设备研制方或第三方评测机构负责完成。在设备验收时,设备研制方必须提供详细的设备校核报告,为设备可信提供证据。仿真设备验证从设备验收测试阶段起动,测试仿真设备的各项功能、性能指标是否满足设计指标要求,考察设备误差对仿真结果影响情况。三轴飞行转台作为典型的非线性机电设备,存在控制误差;微波暗室作为仿真环境设备,存在墙壁反射电平引入得多路径效应;射频环境模拟设备存在精度控制误差。对这些硬件误差的校核通过分析说明误差来源和可能引起的仿真结果与实际系统的差异,通过专家评估的方法详细分析误差产生机理,进而进行分析或修正。

由于该半实物仿真系统中涉及的仿真设备和子系统多,有时会出现子系统和子设备表面上没有问题,而系统连接一起误差大,误差源不容易发现的情形。所以整体系统的误差分析、系统耦合、电磁兼容等带来的系统误差更需要进行分析验证,这部分结合系统集成综合测试进行。

4.5 仿真软件VV

仿真软件包括仿真程序在总控机上运行的控制软件和弹道仿真工作站上运行的弹道仿真软件是控制半实物仿真的“灵魂”。

仿真软件模型校核包括算法校核,流程图校核和程序代码校核等,主要检查仿真算法正确性与精确性,检查程序流程图是否正确反映了仿真算法和编程过程以及程序代码是否正确,是否符合编程语言风格及接口是否规范等。一般由编程人员或不参与开发但熟悉仿真语言的相关人员承担,常采用控制分析、数据分析、接口分析、结构分析、代码走查等静态方法和边界值分析、动态调试、人工校对等动态方法。

4.6 集成测试与结果验证

系统仿真软硬件通过校验验证后进行综合集成,根据仿真系统设计指标制定集成测试大纲,规定测试范围、测试环境、集成次序等,将仿真设备、仿真程序及仿真设备的驱动模型、系统内部的各种接口和网络等进行综合测试,检验仿真系统能否正确交互数据和正常运转。

系统集成完毕后,通过合理设置试验态势进行模拟打靶,在相同试验条件下分析弹道中典型参数,如位置、姿态角、攻角,舵指令等与实际飞行弹道的相关参数进行比对进行验证。在缺少标准外场数据时,可凭请领域专家对试验过程中导弹运行轨迹、中间变量等进行审查。

通过集成测试,综合考虑V&V结果、M&S的开发和应用记录、系统的配置资源环境,系统从功能、指标、仿真精度、交互能力等各个方面结果满足预期目标。

在对雷达制导半实物仿真系统可信度分析可看出,仿真系统可信度有以下性质:

1) 目的相关性。系统的可信度反映的是仿真行为与仿真对象对仿真可用性的影响程度,仿真系统可信度的高低与研制该仿真系统的目的紧密相关。

2) 综合性。仿真系统可信度是集成不同模型、算法、通信以及硬件等的综合反映,某一因素也可能影响可信度的多个侧面。

3) 客观性。具体应用目的的仿真系统其可信度是确定的,不以评估者的态度和评估方法为转移。而不同评估者采用不同方法所得的评估结论有所区别不是因为系统可信度本身,而是区别于评估过程。

4) 层次性。大型复杂的仿真系统有多个子系统组成,各子系统都存在可信度问题,这也必然会反映在整个系统的可信度中。

在进行可信度分析时要做到:

1) 可信度与仿真模型的用途有关,仿真结果的偏差不能大到影响其有用性的程度。

2) 将VVA过程贯穿于仿真系统研究的全生命周期中,使之成为仿真工程的有机组成部分,不能等工程结束后才进行。

3) 半实物仿真中仿真模型的可信度要综合考虑物理效应设备的技术可行性和所需费用。

4) 一般说来,仿真设备性能越高越能保证仿真的精度,但在工程实践中,不能以此为原则,仿真模型和物理效应仿真设备的置信度水平是相互制约的,盲目追求其中一项的仿真精度是没有意义的。

5 结语

随着导弹技术的发展,半实物仿真试验地位不断增强,系统研制过程伴随有效的V&V,能确保系统经济、高效的完成。经过验证和确认的高可信度半实物仿真系统,可灵活、可靠、高效的完成导弹直接实物试验难以实现的综合性试验,对提高仿真结果可信度具有重要意义。

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[10] 毕业.导弹半实物仿真系统误差分析[D].西安:西北工业大学硕士论文,2006.

Analysis on Credibility of Radar Seeker Hardware-in-the-loop Simulation System

ZHAO Hongyun

(No. 91336 Troops of PLA, Qinhuangdao 066326)

Regarding Radar seeker HILP system as the research object, the credibility on different stages of the system construction are analyzed, mainly the VV’s use on different model based on the discussing of the relationship confidence between VV&A, thus ensuring the system is successfully accomplished. At last the character of credibility is summed up and some rules should be followed on credibility analysis.

HILS, confidence, VVA

2014年10月22日,

2014年11月30日

赵红云,女,硕士研究生,工程师,研究方向:导弹制导仿真。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.024