水面舰艇硬武器模拟交战裁决系统设计与实现∗

白晓煊

（91404部队 秦皇岛 066000）

1 引言

水面舰艇演训任务中，尤其是占比最大的实兵实装非实弹训练，对交战行动的实时裁决依赖性很大。没有裁决结果不足以支撑对水面舰艇在实际作战中将要面临的难局和险况的真实呈现，最终导致训练与作战脱节，实战化训练层次难以跃升、训练目的难以达成［1］。因此，交战裁决系统的设计实现能够最大限度提升训练效益。

2 功能设计

2.1 信息获取

实时接收威胁目标信息、平台信息、武器抗导信息（目指信息、武器射击诸元信息等）和水文气象信息。

2.2 射击时机与诸元有效性评判

当接收导弹发射命令时，根据靶机的位置、速度、高度等信息以及舰空导弹性能参数信息推算导弹射击诸元参数的取值范围，据此判断舰空导弹射击时机与诸元的有效性。

2.3 飞行弹道模拟于弹目交汇评判

模拟舰空导弹发射、控制等拦截过程，根据空中靶标飞行航迹和模拟导弹轨迹评判弹目交汇可能性。

2.4 舰炮弹道仿真

根据舰炮目指信息和射击诸元信息，针对舰炮武器弹道特点，分别采用射表逼近函数、弹道积分的方式模拟炮弹（密集阵）飞行轨迹，舰炮出管的射击偏差符合弹丸散布特性。

2.5 舰炮拦截效果评判

根据炮弹弹道仿真结果与模拟导弹目标（靶机）飞行航迹计算弹目交会结果（弹丸脱靶量），判定舰炮抗导交战结果。

2.6 结果显示

以二维态势图（相对/绝对）方式显示交战过程，标绘显示舰空导弹允许发射区和有效杀伤区，以图表方式显示目标信息、平台信息、舰空导弹抗导信息和水文气象信息等。

以二维态势图（相对/绝对）的方式显示战场态势，以曲线图的方式显示炮弹距离脱靶量和方位脱靶量数据，以表格形式显示接收的目标信息、平台信息、舰炮抗导信息和水文气象信息等对抗双方信息等。

3 技术实现

3.1 舰空导弹模拟交战裁决

3.1.1 裁决流程

裁决内容包括：1）目标指示及时性、正确性；2）导弹发射时效性；3）射击诸元解算准确性；4）有效发射区匹配性；5）弹目交汇可能性。

裁决流程如下：

1）裁决软件初始化后进入裁决待机状态；

2）在仿真引擎的驱动下，进行模型实时解算及信息交互；

3）接收靶标运动状态信息，并在进行虚实目标映射，以靶标真实数据驱动影子目标模型在仿真坐标系中运动；

4）通过舰上数据转换器接收来自指控系统的雷达目标信息、综合导航信息、火力兼容信息、作战模式指令、目标指示信息、作战干预指令等信息；

5）武器控制系统模型进行相关拦截解算，当满足发射条件时向导弹模型发送发射令，通过舰上数据转换器实时向指控系统反馈本系统拦截状态信息，待弹目遭遇后，武器控制系统模型反馈拦截结果信息。

3.1.2 结果呈现

二维图表展示分为四个区，分别采用态势图、表格、曲线图、状态灯等形式进行展示。二维图表展示效果如图1所示。

图1 舰空导弹抗导模拟交战图表显示

画面左上方为态势展示区，用来显示舰空导弹的杀伤区和允许发射区；右上方为表格展示区，主要显示舰空导弹、靶机等运动参数；中间区域为曲线图展示区，显示舰空导弹弹道曲线；最下方区域为状态灯展示区，用来显示系统运行状态、舰空导弹射击时机与诸元的有效性评定结果等信息。

3.1.3 关键技术

1）允许发射区解算

在实兵实装非实弹训练中，引入舰空导弹“允许发射区”评判概念，即：根据射击射击杀伤伤区的近界和远界，按照最早和最迟发射在目标区映射出一个靶标活动区，只有当来袭目标处于该区范围内按下发射按钮，判定为一次有效发射。

允许发射区的形状和大小与目标的速度、机动性能、杀伤区的形状和大小、导弹飞至杀伤区内各点的时间等因素有关，通常以发射区远界、近界、高界、低界和侧界等特征参数来表示［2］。舰空导弹水平发射区的形状如图2所示。

图2 舰空导弹发射区示意图

允许发射区计算方法：发射导弹时，目标中心所在的点称为目标现在点，设作等速平直临近飞行的目标飞到A0点时发射导弹（按“发射”按钮），目标飞到A 点时，导弹与目标相遇，A 点就是遭遇点，A相对应的发射点，即目标现在点。

如果从按下“发射”按钮到导弹飞到A 点的时间为td，则发射点A0到相遇点A的距离d可用下式计算：

式中，td=tfs+tfx。tfs为从按下“发射”按钮到导弹出筒的时间。tfx为导弹出筒到与目标相遇所需时间，即导弹飞行时间。

则A点沿目标速度反方向平移距离d即可得到遭遇点A相对应的目标现在点A0。

用求A0点相同的方法可求得杀伤区边界上所有点B、C、D、E、G…，相对应的目标现在点B0、C0、D0、E0、G0，…，用圆滑的曲线连接各目标现在点，则此曲线所包围的区域即为发射区。

1）发射区远界

式中：Dsy为杀伤区远界；tyd为舰空导弹到达杀伤区远界所需的飞行时间；H为目标飞行高度；P为目标航路捷径；vm为目标速度。

2）发射区近界

式中：Dsj为杀伤区近界；tdj为首发舰空导弹飞抵杀伤区近界所需的时间。

3）发射区纵深

在目标高度和航路捷径一定时，发射区远界点与近界点之间的距离称为此高度和航路捷径上的发射区纵深，用hf表示，如图3中的就是高度为Hi、航路捷径P=0 时的垂直发射区纵深。从图中可见：

图3 舰炮武器抗导模拟交战二维示意图

式中，tdy，tdj分别是从按下“发射”按钮到导弹飞到杀伤区远、近界的时间。

3.2 舰炮模拟交战裁决

3.2.1 裁决流程

裁决内容：1）目标指示及时性、正确性；2）舰炮射击时效性；3）射击诸元解算准确性；4）弹丸散布拦截目标可能性。

裁决流程如下：舰炮抗导抗导模拟交战台开机后，首先进行系统自检，运行舰炮抗导交战模拟软件后完成初始化处理（主要包括变量初始化等），根据接收的舰炮抗导信息，对舰炮弹丸的外弹道和散布特性进行仿真。同时对接收到靶机信息进行处理，得到靶机的位置信息，在此基础上，对弹丸和目标的交会结果进行计算，进而评判舰炮抗导结果。

3.2.2 结果呈现

二维展示分为四个区，分别采用态势图、表格、曲线图、状态灯等形式进行展示，如图3所示。

画面态势展示区，用来显示战场态势及弹丸落点；右上方为曲线展示区，可通过切换标签页的方式来显示弹丸距离、方位角误差曲线以及舰炮弹丸、靶机等运动参数；中间区域为表格展示区，用来显示舰炮武器发射弹丸数、命中弹丸数等；最下方区域为状态灯展示区，用来显示系统运行状态、舰炮武器状态及打击结果等信息。

3.2.3 关键技术

舰炮抗导训练时，由于不进行实弹射击，如何根据实装射击参数和靶机运动参数对弹目交会结果进行估计是抗导效果判定的关键。由于舰艇运动、偏航、摇摆以及弹道坐标的特殊要求，导致舰炮弹丸外弹道仿真过程复杂；同时，由于舰炮火控解算周期短、连射速度高，短时间内仿真出密集弹丸的弹道是需要解决的技术难题［3］。另外，基于仿真的舰炮弹丸位置信息以及采集的靶机运动参数，实时估算碰撞并得出弹目交会结果，也是难点之一。下面就舰炮外弹道仿真、舰炮弹丸与靶机交会结果评判两方面技术难题给出技术解决途径。

1）弹丸外弹道仿真

（1）弹丸初始参数的获取

弹丸的初始参数包括射击诸元γ、φ和初始速度Vj0。在训练时需要采集火炮的瞄准架位、射击信号以获取第j发弹丸在甲板坐标系中的射击诸元γbj、φbj，再根据本舰姿态数据ψ、θ计算弹丸在舰艇地理坐标系的射击诸元γj、φj，弹丸初始速度由弹丸标准初始速度和基于弹丸序号的初速分布数据随机生成［4］。

（2）射表逼近函数方法

使用射表逼近函数方法进行外弹道仿真的基本方法为：首先使用外弹道射表建立逼近函数，仿真时先用逼近函数计算标准弹道气象条件下的弹丸位置，再根据实际气象条件对计算结果进行修正，得到弹丸位置。其中标准弹道气象条件包括：弹丸标准初速V00，标准气压P0=1000 百帕，标准气温T0=15℃，无风，不考虑偏流；对空射表逼近基本模型：

式中，B为射表逼近系数数组，为一维16 元数组，对应不同参数计算时为不同的数组，以下分别用Bk表示，x、y为自变量。

标准的弹道气象条件下tf时刻弹丸位置参数：水平距离d0，高度h0，斜距离D0，有：

在实际的弹道气象下tf时刻弹丸位置参数：水平距离d，舷角q，高度h，有：

其中，Δd、Δh为实际条件下弹丸相对于标准条件下的距离偏差量、高度偏差量，PL为偏流；有以下等式：

（3）计算地理系弹丸位置坐标

弹丸相对于射击时刻炮口位置的舰艇坐标系距离、舷角、高低D、q、ε坐标：

将弹丸坐标转换到以舰艇摇摆不动点为原点的北东直角坐标系中：

其中(xP,yP,hP)τ为火炮回转中心相对于舰艇摇摆不动点中的位置基线。

2）弹目交会估算

弹目交会估算主要求解弹丸在接近靶机时的最小距离（CPA），其计算方法如图4所示，当仿真过程中计算弹丸的时间周期足够小时，可以认为在连续两次计算过程中弹丸弹道为直线模型，计算过程将空中目标简化为点目标考虑。

图4 弹目交会计算原理

计算CPA的向量方程可表示为

其中下标XYZ表示三个方向上的合成向量，上式中相对速度向量值：

相对速度绝对值：

位置偏差向量值：

其中（S、T分别表示弹丸和目标）：

相交乘积可以通过下列行列式计算得到：

弹目交会最小距离最终结果还应考虑目标的尺寸，空中目标可简化考虑为等效半径，即由上述过程计算结果减去空中目标等效半径即为弹目交会估算最终结果。

4 结语

本文研究了水面舰艇硬武器模拟交战裁决系统的功能设计和关键技术实现，并已经完成了系统的研制开发工作，经实践检验能够在置信度内裁决水面舰艇舰空导弹和舰炮的抗击效果。