基于装备试验的战术导弹作战仿真建模

崔连虎

(91336 部队，河北 秦皇岛 066000)

基于装备试验的战术导弹作战仿真建模

崔连虎

(91336 部队，河北 秦皇岛 066000)

针对作战仿真系统的可信性问题，提出了将装备试验和作战仿真建模相结合的思想。以战术导弹作战仿真建模为例，具体分析了战术导弹及其导引头装备试验项目设计与试验数据应用，设计了模型结构，基于装备试验数据修正了模型参数，基于Agent的建模思想构建了复杂电磁环境下的战术导弹行为模型。应用结果表明：模型仿真运行结果与半实物仿真试验结果具有较好的一致性，可直接服务于战术级仿真推演应用。此外，模型构建思想及方法也可为靶场开展装备作战试验和平行试验研究提供新思路。

战术导弹；装备试验；作战仿真； Agent

作战仿真是和平年代研究战争最为有效的手段之一[1]，近年来受到各国(地区)军方的高度重视，但可信性问题仍然制约着作战仿真结果的应用。作战仿真是基于模型的试验活动，模型的逼真度直接影响仿真结果的可信度。因此，如何建立具有较高逼真度的作战仿真模型，提高作战仿真结果的可信度，是作战仿真研究人员面临的一个关键性问题。

依据仿真的规模，作战仿真可以分为4个层次，从大到小依次为战略仿真、战役仿真、战术仿真和技术仿真[2-3]。在不同层次的仿真系统中，模型的精细程度不同。但对于同一装备实体，不同精细程度的模型应具有一致性，统一于建模对象客观存在的属性和行为能力，这也是多分辨率建模思想的重要内涵之一。笔者在工程实践中发现：由于作战仿真系统建设与应用的复杂性，熟悉装备性能、研究武器平台层次仿真的技术人员往往不关注战术层次的作战仿真；研究战术层次作战仿真的技术人员往往不熟悉实际装备，所构建的装备实体模型只是一般性的基本原理描述，难以全面、准确地描述装备属性和能力。可以说，装备试验和宏观层次的作战仿真之间存在“脱节”现象，难以保证作战仿真的可信性。

针对这一问题，本文借鉴平行试验[4]的概念，提出将装备试验和作战仿真建模相结合的思想，并以战术导弹在复杂电磁环境下的行为特性为研究对象，分析战术导弹装备试验项目与试验数据，构建可用于战术层次作战仿真的战术导弹模型，初步实现了装备试验与作战仿真建模的有机结合。

1 装备试验的项目设计与数据应用

随着装备研制、生产、采购、使用流程的不断完善，装备试验几乎贯穿战术导弹武器系统全寿命周期的各个阶段，主要包括研制性试验、设计定型试验、作战试验、批抽检试验和部队作战使用试验等[5]。不同阶段试验的侧重点不同，综合起来就可以比较全面地反映战术导弹的战技性能和使用性能。下面以复杂电磁环境下战术导弹的行为特性建模为目标，分析相关试验项目设计及试验数据应用问题。

由于复杂电磁环境对战术导弹的影响主要反映在导引头部位，因此本文重点分析与导引头性能试验相关的3大类试验项目：导弹半实物仿真试验、导引头对海试验和导弹飞行试验。

1.1 导弹半实物仿真试验

对于雷达制导的战术导弹，可在微波暗室内利用各种射频仿真设备构设复杂电磁环境，以实现对雷达导引头各种性能的综合检验；同时，辅以三轴飞行转台及测控系统，还可以与弹道仿真模型实时交互，开展复杂电磁环境下的模拟打靶试验[6]。这种半实物仿真系统具有应用灵活、性价比高的显著优势，广泛应用于研制性试验与设计定型试验。

半实物仿真试验环境设置灵活，数据记录完整，因而可以开展以下研究：

1)基本性能测试，包括导引头探测灵敏度、角度测量精度、角度分辨力和距离分辨力等；

2)设置典型干扰环境，记录试验导引头工作状态、测量误差随干扰参数的变化规律；

3)干扰条件下的模拟打靶试验，完整记录不同干扰条件下导弹的行为特性。

1.2 导引头对海试验

将导引头架设在海边，在海背景条件下选择适当航路，利用真实目标(舰艇或者模拟靶船)的运动来检验导引头的各项性能指标，如导引头作用距离、目标选择性、捕捉可靠性、跟踪稳定性、跟踪精度、环境适应能力以及抗干扰性能等[7]。对海试验是导引头外场试验的第一步。

相对而言，对海试验的优势在于真实的海背景和舰船目标；其缺点在于干扰环境设置灵活性差，试验方案的实现程度有限。试验结果的主要用途为：

1) 利用作用距离、跟踪稳定性、跟踪精度等基本性能试验结果，修正导引头模型参数；

2) 验证典型态势下导引头的抗干扰能力，如压制干扰的“跟杂”临界转换状态、距离拖引干扰有效/无效转换的临界条件等内容。

1.3 导弹飞行试验

导弹飞行试验是在研制、定型、批生产等不同阶段进行最终检验、考核导弹武器系统的实践手段，通过飞行试验可以比较全面地检验导弹武器系统的战技性能，以及各分系统的工作性能和相互间的协调性，飞行试验是任何其他试验手段所无法替代的[5]。

飞行试验可以分别在无干扰和有干扰环境下实施，其中：无干扰条件下的试验数据反映了战术导弹在一般海面环境下的飞行稳定性、制导控制性能等全弹基本性能，具有最高的可信度，可用于校验和修正仿真模型；干扰条件下的试验数据在一定程度上反映了人为干扰与制导飞行的映射关系。总体来说，导弹飞行试验代价昂贵，不可能开展大样本试验，更合理的应用模式是在内外场一体化试验框架下对关键试验态势进行综合性验证。

1.4 试验数据应用设计

上述3类试验项目各有侧重点，相应试验结果都可以在一定程度上支撑战术导弹作战仿真模型的构建工作。通过对装备试验数据的进一步处理，可按图1所示思路构建战术导弹在复杂电磁环境下的行为模型。

图1 装备试验与作战仿真模型关系

战术导弹作战仿真建模采用模型与数据相分离的思想，在模型结构中确定了系统边界，规定了实体的属性和行为，给出了模型质的规定性；模型参数则与具体的建模对象相匹配，描述实体行为能力实际能达到的程度。导弹半实物仿真试验项目完整、数据丰富，可以全面反映导弹的属性和行为，因而可以确定相应的模型结构；而对海试验则可以在自然环境相关的导引头基本性能试验方面对模型参数进行修正；小样本的飞行试验通过典型态势下的全弹高可信度试验数据对模型参数进一步修正，形成准确描述特定战术导弹复杂电磁环境下行为能力的作战仿真模型。

2 典型战术导弹行为建模

作战系统具有非线性、不确定性、多层次性和涌现性等特点，属于复杂社会巨系统。现有基于还原论的建模方法已不能很好地刻画复杂系统，而基于Agent的建模方法是一种自底向上的建模方法，能够将复杂系统中个体的微观行为与系统的整体宏观“涌现性”有机地结合起来，是一种有效的复杂系统建模方式，适合于对复杂作战系统的建模与仿真，正逐渐成为体系对抗仿真建模的重要研究方向[8-9]。本文基于Agent的建模思想，将战术导弹抽象成为具有自主行为能力的Agent。

2.1 模型总体结构

根据Agent建模思想，Agent是一个具有智能和交互能力的自治计算实体，它通过感应器来感知环境，并通过效应器作用于环境，能够在变化的环境中灵活、理性地自主行动。因此，主动式雷达制导战术导弹的完全自主攻击过程可以由一个Agent的自主行为进行描述。基于Agent的行为一般包括感知、认知处理和行为输出3个部分[8]，具体到战术导弹Agent，则可进行如下设计。

1) 感知：雷达导引头探测目标信息。

2) 认知处理：信息融合及目标识别、抗干扰处理等。

3) 行为输出：导弹制导飞行。

图2 战术导弹Agent行为建模框架

基于Agent建模思想的战术导弹行为建模框架如图2所示，其中：战术导弹Agent通过导引头感知环境中的目标、杂波及敌方施放的多种人为干扰；再经目标信息融合给出角度、距离等目标测量信息；制导控制系统根据目标测量信息控制导弹进行方位跟踪，并根据弹目相对距离适时进行末端跃升俯冲攻击，同时将导弹位置、姿态信息实时输出给其他Agent，构成了完整的环境感知、认知处理和行为输出过程，真实再现战术导弹的自主行为能力。

2.2 目标探测模型

雷达制导导弹的目标探测传感器是末制导雷达(导引头)。关于雷达仿真建模，一般可分为功能级和信号级2个层次，其中：信号级仿真是基于零中频信号的信号流仿真，计算量大，适合研究单套装备的技术仿真应用环境；功能级仿真以描述雷达基本行为能力、体现性能指标为主要目标，满足战术级作战仿真需求。在作战仿真应用中，对于雷达目标检测问题，一般关心2个方面：一是能否检测到远距离的小目标(目标雷达反射截面积小)；二是噪声干扰条件下能否正常捕捉、跟踪目标。其核心都是最小可检测信噪比问题。

在装备试验过程中，受自然环境、试验装备性能等诸多因素的限制，直接试验雷达对小目标的检测能力存在困难，可行的做法是:在微波暗室环境下设置典型目标和噪声压制干扰，形成连续可控的信干比(目标信号与干扰功率比值)，试验雷达在噪声干扰条件下的目标检测能力，得到最小可检测信干比，近似等效最小可检测信噪比(S/N)min，然后通过雷达方程[10]确定雷达对小目标的作用距离Rmax，其表达式为

(1)

式中：Pt为发射功率；G为天线增益；Ae为天线有效孔径；σ为目标雷达反射截面积；系数kT0=4×10-21W/Hz；B为接收机带宽；Fn为噪声系数。

在实际战场环境中，环境杂波和电磁散射信号会不同程度地影响末制导雷达的目标检测能力，在条件允许情况下可通过对海试验结果进行修正。在作战仿真应用中，将目标探测问题转化为信噪比(或信干比)的计算问题。

2.3 干扰处理模型

在不同干扰条件下给出与导引头性能一致的目标测量信息，是战术导弹Agent认知处理的主要内容。除自然环境的杂波以外，人为干扰主要分为压制干扰和欺骗干扰，其中：压制干扰一是影响导引头的目标检测，相关处理体现在目标检测模型中，二是影响导引头的目标角度、距离测量精度，可通过分析装备试验中的误差统计特性进行复现；欺骗干扰则可根据干扰手段进一步细分为舰载有源干扰、舷外有源干扰、箔条冲淡/质心干扰等。

在建模过程中，需要针对每一种干扰分析相应试验项目和试验结果，建立相应的干扰处理模型。以箔条质心干扰为例，试验中发现质心干扰形成条件比理论上的更为苛刻，导引头跟踪的实际角位置也不是简单的能量质心。分析认为：理论上的计算模型多是在静态条件下计算能量质心，忽略了从目标到质心的跟踪转换过程;而对高速飞行的导弹而言，这一转换过程不可忽略。考虑导引头跟踪转换过程，结合试验结果分析，可实时计算导引头跟踪位置θ：

(2)

式中：σ1、σ2分别为舰船目标和箔条干扰的雷达反射截面积；G1、G2分别为舰船目标和箔条干扰位置在导引头天线当前指向下的增益；θ1、θ2分别为舰船目标和箔条干扰位置相对基准位置的方位角。

质心干扰态势如图3所示。在式(2)的质心计算模型中，每一时刻的质心位置不仅与舰船目标、箔条干扰的位置及雷达反射截面积相关，还与导引头的天线指向及天线方向图相关，从而准确模拟了导引头跟踪位置从舰船目标转向质心的过渡过程。

图3 质心干扰态势

2.4 运动控制模型

制导控制系统一般包括俯仰、偏航和滚转3通道控制回路，以及相应的执行机构——舵系统。对于单平面制导的战术导弹，在建模时可以忽略滚转通道，简化为俯仰和偏航2个独立通道，其中：俯仰通道按指定规律完成导弹的高度控制；偏航通道则按指定的制导律(导引方法)控制导弹机动，在方位上追踪指定的目标。

制导律是导弹制导控制系统的核心内容，广泛应用的比例导引法模型[11]可描述为

(3)

式中：θM为导弹速度方向；q为目标视线角；K为比例系数。

该模型以微分方程形式描述了导弹飞行过程中速度向量转动角速度与目标线转动角速度的比例导引关系。

除了制导控制系统的简化处理，弹体动力学/运动学6自由度模型也需要进行相应简化：一是将速度方向近似等效为弹轴指向；二是以导弹位置为核心，仅保留与制导律相关的运动参数，最大程度地减小模型解算的计算量。对于简化的导弹运动控制模型，可通过与6自由度弹体及制导控制模型进行数据对比来验证模型的正确性，并修正模型参数。

3 模型应用与验证

为了验证上述模型结构的正确性和参数的准确性，本文设计开发了相应的仿真应用及验证环境，模型以动态链接库形式接入该仿真环境，设置战术导弹、舰船目标、箔条干扰等战场要素的主要参数后，形成一个典型的箔条质心干扰对抗态势，仿真运行结果如图4所示。

仿真结果表明：该战术导弹Agent模型能够正确描述其主要战场行为特性，验证了该模型结构的正确性。同时，将基于该模型的典型仿真结果和相应的半实物仿真结果进行比较，采用Theil不等式系数法(Theil Inequality Coefficient, TIC)在时域内对比分析跟踪方位角、导弹位置坐标等数据的一致性，结果发现：计算结果一般处于0.1～0.2区间内，满足工程经验标准(TIC<0.3)，说明模型运算结果与半实物仿真结果具有较好的一致性，验证了模型参数的准确性。

图4 箔条质心干扰仿真结果

4 结论

综合分析丰富的装备试验数据，面向作战仿真需求构建装备实体的行为模型，是对试验数据的深加工，既可以提高装备试验的附加效益，又可以提高作战仿真模型的逼真度，增加宏观层次作战仿真的可信性。本文通过战术导弹作战仿真模型构建实例，给出了装备试验与作战仿真建模相结合的工程化方法，为靶场开展装备作战试验和平行试验研究提供了一条新思路。

装备试验可以为作战仿真建模提供支撑，作战仿真需求也可以反过来指导装备试验，促使武器装备试验由“标准环境下的性能试验”向“近似实战环境下的作战试验”转变。在二者结合过程中，相关的作战试验数据处理、作战仿真建模框架、作战试验项目设计等理论方法仍有待进一步深入研究。

[1] 唐见兵．作战仿真系统可信性研究[D]．长沙：国防科学技术大学，2009．

[2] 黄柯棣，刘宝宏，黄建，等．作战仿真技术综述[J]．系统仿真学报，2004，16(9)：1887-1895．

[3] 郭齐胜，罗小明，董志明,等．装备作战仿真概论[M]．北京：国防工业出版社，2007：3-5．

[4] 杨雪榕，范丽，王兆魁. 武器装备体系平行试验概念与方法的讨论[J]. 国防科技，2013，34(3)：18-22.

[5] 金振中，李晓斌．战术导弹试验设计[M]．北京：国防工业出版社，2013：8-11．

[6] 张鸿喜，崔连虎．半实物仿真中导引头安装误差的影响分析[J]．计算机仿真，2010，27(12)：31-34．

[7] 马艳，薄志峰．反舰导弹导引头试验数据采集系统设计[J]．制导与引信，2012，33(3)：1-5．

[8] 黄文清．作战仿真理论与技术[M]．北京：国防工业出版社，2011：69-74．

[9] 胡晓峰，杨镜宇，司光亚，等．战争复杂系统仿真分析与实验[M]．北京：国防大学出版社，2008：205-214．

[10] (美)Skolnik M I.雷达系统导论[M]．3版.左群声，徐国良，马林，等译．北京：电子工业出版社，2006：23-26．

[11] 刘兴堂．导弹制导控制系统分析、设计与仿真[M]．西安：西北工业大学出版社，2006：72-79．

(责任编辑:尚彩娟)

Tactical Missile Operational Simulation Modeling Based on Equipment Test

CUI Lian-hu

(Troop No. 91336 of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Aiming at the problem of credibility of combat simulation system, the idea of combining equipment test and operational simulation modeling is put forward. Taking the tactical missile operational simulation modeling as an example, the equipment test result of tactical missile and seeker is analyzed, the structure of the model is designed, the model parameters are revised based on equipment test data, and tactical missile behavior model under complex electromagnetic environment based on Agent method is constructed. The results of application show that, the results of model simulation and the hardware-in-the-loop simulation test has a better consistency, and can directly serve the tactical level simulation deduction. In addition, the modeling thought and method can also provide new ideas for the development of combat test and parallel experiment in military range.

tactical missile; equipment test; operational simulation; Agent

1672-1497(2015)03-0095-05

2015-01-08

崔连虎(1983-)，男，工程师，硕士。

TJ761.1；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.019