白曉煊

（91404部隊 秦皇島 066000）

1 引言

水面艦艇演訓(xùn)任務(wù)中，尤其是占比最大的實兵實裝非實彈訓(xùn)練，對交戰(zhàn)行動的實時裁決依賴性很大。沒有裁決結(jié)果不足以支撐對水面艦艇在實際作戰(zhàn)中將要面臨的難局和險況的真實呈現(xiàn)，最終導(dǎo)致訓(xùn)練與作戰(zhàn)脫節(jié)，實戰(zhàn)化訓(xùn)練層次難以躍升、訓(xùn)練目的難以達成［1］。因此，交戰(zhàn)裁決系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)能夠最大限度提升訓(xùn)練效益。

2 功能設(shè)計

2.1 信息獲取

實時接收威脅目標信息、平臺信息、武器抗導(dǎo)信息（目指信息、武器射擊諸元信息等）和水文氣象信息。

2.2 射擊時機與諸元有效性評判

當(dāng)接收導(dǎo)彈發(fā)射命令時，根據(jù)靶機的位置、速度、高度等信息以及艦空導(dǎo)彈性能參數(shù)信息推算導(dǎo)彈射擊諸元參數(shù)的取值范圍，據(jù)此判斷艦空導(dǎo)彈射擊時機與諸元的有效性。

2.3 飛行彈道模擬于彈目交匯評判

模擬艦空導(dǎo)彈發(fā)射、控制等攔截過程，根據(jù)空中靶標飛行航跡和模擬導(dǎo)彈軌跡評判彈目交匯可能性。

2.4 艦炮彈道仿真

根據(jù)艦炮目指信息和射擊諸元信息，針對艦炮武器彈道特點，分別采用射表逼近函數(shù)、彈道積分的方式模擬炮彈（密集陣）飛行軌跡，艦炮出管的射擊偏差符合彈丸散布特性。

2.5 艦炮攔截效果評判

根據(jù)炮彈彈道仿真結(jié)果與模擬導(dǎo)彈目標（靶機）飛行航跡計算彈目交會結(jié)果（彈丸脫靶量），判定艦炮抗導(dǎo)交戰(zhàn)結(jié)果。

2.6 結(jié)果顯示

以二維態(tài)勢圖（相對/絕對）方式顯示交戰(zhàn)過程，標繪顯示艦空導(dǎo)彈允許發(fā)射區(qū)和有效殺傷區(qū)，以圖表方式顯示目標信息、平臺信息、艦空導(dǎo)彈抗導(dǎo)信息和水文氣象信息等。

以二維態(tài)勢圖（相對/絕對）的方式顯示戰(zhàn)場態(tài)勢，以曲線圖的方式顯示炮彈距離脫靶量和方位脫靶量數(shù)據(jù)，以表格形式顯示接收的目標信息、平臺信息、艦炮抗導(dǎo)信息和水文氣象信息等對抗雙方信息等。

3 技術(shù)實現(xiàn)

3.1 艦空導(dǎo)彈模擬交戰(zhàn)裁決

3.1.1 裁決流程

裁決內(nèi)容包括：1）目標指示及時性、正確性；2）導(dǎo)彈發(fā)射時效性；3）射擊諸元解算準確性；4）有效發(fā)射區(qū)匹配性；5）彈目交匯可能性。

裁決流程如下：

1）裁決軟件初始化后進入裁決待機狀態(tài)；

2）在仿真引擎的驅(qū)動下，進行模型實時解算及信息交互；

3）接收靶標運動狀態(tài)信息，并在進行虛實目標映射，以靶標真實數(shù)據(jù)驅(qū)動影子目標模型在仿真坐標系中運動；

4）通過艦上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接收來自指控系統(tǒng)的雷達目標信息、綜合導(dǎo)航信息、火力兼容信息、作戰(zhàn)模式指令、目標指示信息、作戰(zhàn)干預(yù)指令等信息；

5）武器控制系統(tǒng)模型進行相關(guān)攔截解算，當(dāng)滿足發(fā)射條件時向?qū)椖Ｐ桶l(fā)送發(fā)射令，通過艦上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器實時向指控系統(tǒng)反饋本系統(tǒng)攔截狀態(tài)信息，待彈目遭遇后，武器控制系統(tǒng)模型反饋攔截結(jié)果信息。

3.1.2 結(jié)果呈現(xiàn)

二維圖表展示分為四個區(qū)，分別采用態(tài)勢圖、表格、曲線圖、狀態(tài)燈等形式進行展示。二維圖表展示效果如圖1所示。

圖1 艦空導(dǎo)彈抗導(dǎo)模擬交戰(zhàn)圖表顯示

畫面左上方為態(tài)勢展示區(qū)，用來顯示艦空導(dǎo)彈的殺傷區(qū)和允許發(fā)射區(qū)；右上方為表格展示區(qū)，主要顯示艦空導(dǎo)彈、靶機等運動參數(shù)；中間區(qū)域為曲線圖展示區(qū)，顯示艦空導(dǎo)彈彈道曲線；最下方區(qū)域為狀態(tài)燈展示區(qū)，用來顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、艦空導(dǎo)彈射擊時機與諸元的有效性評定結(jié)果等信息。

3.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1）允許發(fā)射區(qū)解算

在實兵實裝非實彈訓(xùn)練中，引入艦空導(dǎo)彈“允許發(fā)射區(qū)”評判概念，即：根據(jù)射擊射擊殺傷傷區(qū)的近界和遠界，按照最早和最遲發(fā)射在目標區(qū)映射出一個靶標活動區(qū)，只有當(dāng)來襲目標處于該區(qū)范圍內(nèi)按下發(fā)射按鈕，判定為一次有效發(fā)射。

允許發(fā)射區(qū)的形狀和大小與目標的速度、機動性能、殺傷區(qū)的形狀和大小、導(dǎo)彈飛至殺傷區(qū)內(nèi)各點的時間等因素有關(guān)，通常以發(fā)射區(qū)遠界、近界、高界、低界和側(cè)界等特征參數(shù)來表示［2］。艦空導(dǎo)彈水平發(fā)射區(qū)的形狀如圖2所示。

圖2 艦空導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)示意圖

允許發(fā)射區(qū)計算方法：發(fā)射導(dǎo)彈時，目標中心所在的點稱為目標現(xiàn)在點，設(shè)作等速平直臨近飛行的目標飛到A0點時發(fā)射導(dǎo)彈（按“發(fā)射”按鈕），目標飛到A 點時，導(dǎo)彈與目標相遇，A 點就是遭遇點，A相對應(yīng)的發(fā)射點，即目標現(xiàn)在點。

如果從按下“發(fā)射”按鈕到導(dǎo)彈飛到A 點的時間為td，則發(fā)射點A0到相遇點A的距離d可用下式計算：

式中，td=tfs+tfx。tfs為從按下“發(fā)射”按鈕到導(dǎo)彈出筒的時間。tfx為導(dǎo)彈出筒到與目標相遇所需時間，即導(dǎo)彈飛行時間。

則A點沿目標速度反方向平移距離d即可得到遭遇點A相對應(yīng)的目標現(xiàn)在點A0。

用求A0點相同的方法可求得殺傷區(qū)邊界上所有點B、C、D、E、G…，相對應(yīng)的目標現(xiàn)在點B0、C0、D0、E0、G0，…，用圓滑的曲線連接各目標現(xiàn)在點，則此曲線所包圍的區(qū)域即為發(fā)射區(qū)。

1）發(fā)射區(qū)遠界

式中：Dsy為殺傷區(qū)遠界；tyd為艦空導(dǎo)彈到達殺傷區(qū)遠界所需的飛行時間；H為目標飛行高度；P為目標航路捷徑；vm為目標速度。

2）發(fā)射區(qū)近界

式中：Dsj為殺傷區(qū)近界；tdj為首發(fā)艦空導(dǎo)彈飛抵殺傷區(qū)近界所需的時間。

3）發(fā)射區(qū)縱深

在目標高度和航路捷徑一定時，發(fā)射區(qū)遠界點與近界點之間的距離稱為此高度和航路捷徑上的發(fā)射區(qū)縱深，用hf表示，如圖3中的就是高度為Hi、航路捷徑P=0 時的垂直發(fā)射區(qū)縱深。從圖中可見：

圖3 艦炮武器抗導(dǎo)模擬交戰(zhàn)二維示意圖

式中，tdy，tdj分別是從按下“發(fā)射”按鈕到導(dǎo)彈飛到殺傷區(qū)遠、近界的時間。

3.2 艦炮模擬交戰(zhàn)裁決

3.2.1 裁決流程

裁決內(nèi)容：1）目標指示及時性、正確性；2）艦炮射擊時效性；3）射擊諸元解算準確性；4）彈丸散布攔截目標可能性。

裁決流程如下：艦炮抗導(dǎo)抗導(dǎo)模擬交戰(zhàn)臺開機后，首先進行系統(tǒng)自檢，運行艦炮抗導(dǎo)交戰(zhàn)模擬軟件后完成初始化處理（主要包括變量初始化等），根據(jù)接收的艦炮抗導(dǎo)信息，對艦炮彈丸的外彈道和散布特性進行仿真。同時對接收到靶機信息進行處理，得到靶機的位置信息，在此基礎(chǔ)上，對彈丸和目標的交會結(jié)果進行計算，進而評判艦炮抗導(dǎo)結(jié)果。

3.2.2 結(jié)果呈現(xiàn)

二維展示分為四個區(qū)，分別采用態(tài)勢圖、表格、曲線圖、狀態(tài)燈等形式進行展示，如圖3所示。

畫面態(tài)勢展示區(qū)，用來顯示戰(zhàn)場態(tài)勢及彈丸落點；右上方為曲線展示區(qū)，可通過切換標簽頁的方式來顯示彈丸距離、方位角誤差曲線以及艦炮彈丸、靶機等運動參數(shù)；中間區(qū)域為表格展示區(qū)，用來顯示艦炮武器發(fā)射彈丸數(shù)、命中彈丸數(shù)等；最下方區(qū)域為狀態(tài)燈展示區(qū)，用來顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、艦炮武器狀態(tài)及打擊結(jié)果等信息。

3.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

艦炮抗導(dǎo)訓(xùn)練時，由于不進行實彈射擊，如何根據(jù)實裝射擊參數(shù)和靶機運動參數(shù)對彈目交會結(jié)果進行估計是抗導(dǎo)效果判定的關(guān)鍵。由于艦艇運動、偏航、搖擺以及彈道坐標的特殊要求，導(dǎo)致艦炮彈丸外彈道仿真過程復(fù)雜；同時，由于艦炮火控解算周期短、連射速度高，短時間內(nèi)仿真出密集彈丸的彈道是需要解決的技術(shù)難題［3］。另外，基于仿真的艦炮彈丸位置信息以及采集的靶機運動參數(shù)，實時估算碰撞并得出彈目交會結(jié)果，也是難點之一。下面就艦炮外彈道仿真、艦炮彈丸與靶機交會結(jié)果評判兩方面技術(shù)難題給出技術(shù)解決途徑。

1）彈丸外彈道仿真

（1）彈丸初始參數(shù)的獲取

彈丸的初始參數(shù)包括射擊諸元γ、φ和初始速度Vj0。在訓(xùn)練時需要采集火炮的瞄準架位、射擊信號以獲取第j發(fā)彈丸在甲板坐標系中的射擊諸元γbj、φbj，再根據(jù)本艦姿態(tài)數(shù)據(jù)ψ、θ計算彈丸在艦艇地理坐標系的射擊諸元γj、φj，彈丸初始速度由彈丸標準初始速度和基于彈丸序號的初速分布數(shù)據(jù)隨機生成［4］。

（2）射表逼近函數(shù)方法

使用射表逼近函數(shù)方法進行外彈道仿真的基本方法為：首先使用外彈道射表建立逼近函數(shù)，仿真時先用逼近函數(shù)計算標準彈道氣象條件下的彈丸位置，再根據(jù)實際氣象條件對計算結(jié)果進行修正，得到彈丸位置。其中標準彈道氣象條件包括：彈丸標準初速V00，標準氣壓P0=1000 百帕，標準氣溫T0=15℃，無風(fēng)，不考慮偏流；對空射表逼近基本模型：

式中，B為射表逼近系數(shù)數(shù)組，為一維16 元數(shù)組，對應(yīng)不同參數(shù)計算時為不同的數(shù)組，以下分別用Bk表示，x、y為自變量。

標準的彈道氣象條件下tf時刻彈丸位置參數(shù)：水平距離d0，高度h0，斜距離D0，有：

在實際的彈道氣象下tf時刻彈丸位置參數(shù)：水平距離d，舷角q，高度h，有：

其中，Δd、Δh為實際條件下彈丸相對于標準條件下的距離偏差量、高度偏差量，PL為偏流；有以下等式：

（3）計算地理系彈丸位置坐標

彈丸相對于射擊時刻炮口位置的艦艇坐標系距離、舷角、高低D、q、ε坐標：

將彈丸坐標轉(zhuǎn)換到以艦艇搖擺不動點為原點的北東直角坐標系中：

其中(xP,yP,hP)τ為火炮回轉(zhuǎn)中心相對于艦艇搖擺不動點中的位置基線。

2）彈目交會估算

彈目交會估算主要求解彈丸在接近靶機時的最小距離（CPA），其計算方法如圖4所示，當(dāng)仿真過程中計算彈丸的時間周期足夠小時，可以認為在連續(xù)兩次計算過程中彈丸彈道為直線模型，計算過程將空中目標簡化為點目標考慮。

圖4 彈目交會計算原理

計算CPA的向量方程可表示為

其中下標XYZ表示三個方向上的合成向量，上式中相對速度向量值：

相對速度絕對值：

位置偏差向量值：

其中（S、T分別表示彈丸和目標）：

相交乘積可以通過下列行列式計算得到：

彈目交會最小距離最終結(jié)果還應(yīng)考慮目標的尺寸，空中目標可簡化考慮為等效半徑，即由上述過程計算結(jié)果減去空中目標等效半徑即為彈目交會估算最終結(jié)果。

4 結(jié)語

本文研究了水面艦艇硬武器模擬交戰(zhàn)裁決系統(tǒng)的功能設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)，并已經(jīng)完成了系統(tǒng)的研制開發(fā)工作，經(jīng)實踐檢驗?zāi)軌蛟谥眯哦葍?nèi)裁決水面艦艇艦空導(dǎo)彈和艦炮的抗擊效果。