國外戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真試驗驗證能力發(fā)展分析

摘要：半實物仿真是戰(zhàn)術(shù)導彈等先進武器裝備在研制試樣、性能評估、作戰(zhàn)演練中必不可少的主要仿真方法和手段。從多物理場/控制耦合、導航、多模/寬譜段制導、導引頭抗干擾、靶場試驗等五個方面，介紹了國外戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真試驗設(shè)備、試驗技術(shù)的具體情況，分析了其半實物仿真驗證能力的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出了戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真應(yīng)重點關(guān)注在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境、新型物理效應(yīng)、多彈協(xié)同/多體飛行器協(xié)同等方面的能力建設(shè)，分析結(jié)果可對未來戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真能力建設(shè)發(fā)展具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：半實物仿真;戰(zhàn)術(shù)導彈;多物理場耦合;多模/寬譜段制導;靶場試驗;導引頭

半實物仿真是計算機軟件、數(shù)學模型、系統(tǒng)部件(或設(shè)備)與環(huán)境物理效應(yīng)設(shè)備相結(jié)合的仿真形式，是戰(zhàn)術(shù)導彈等先進武器裝備在研制試樣、性能評估、作戰(zhàn)演練中必不可少的主要仿真方法和手段，一定程度上代表著系統(tǒng)建模與仿真的最高水平。由于半實物仿真可實現(xiàn)人和硬件在回路的仿真，可在不進行動態(tài)飛行試驗的條件下對戰(zhàn)術(shù)導彈進行全系統(tǒng)綜合測試驗證，且模擬的逼真度和可信性相對很高，因此備受世界發(fā)達國家，特別是美、俄、英等軍事強國的青睞，它們均建立大量的半實物仿真設(shè)施，支持戰(zhàn)術(shù)導彈的研發(fā)。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，美國等西方國家已經(jīng)形成了較為完整的戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真體系，可進行部件級、系統(tǒng)級及體系級的半實物仿真試驗，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)導彈武器及體系的研制需求，尤其是多物理場/控制耦合半實物仿真能力、導航半實物仿真能力、多模/寬譜段導引頭半實物仿真能力、導引頭抗干擾半實物仿真能力以及靶場試驗半實物仿真能力，直接推動了動能攔截彈、先進中距空空導彈、遠程反艦導彈、彈道導彈防御系統(tǒng)(BMDS)等的研制進程。

1 半實物仿真能力

1.1 多物理場/控制耦合半實物仿真能力

2005年，英國牛津大學的Marko首次將風洞設(shè)施引入導彈半實物仿真系統(tǒng)中，實現(xiàn)了氣動力/力矩的半實物仿真，如圖1所示。試驗時，根據(jù)導彈當前飛行狀態(tài)實時控制噴流速度與密度，建立滿足相似性的流場，將鉸鏈力矩、飛行器結(jié)構(gòu)顫振和下洗渦流所引起的力學畸變等非線性因素引入仿真回路中，并由傳感器測量在控制面指令下導彈所受的氣動力與力矩，仿真環(huán)境更加逼真，進一步提高了仿真的置信度。將風洞實驗融入半實物仿真試驗，涉及流體力學、控制、通訊及機械制造等多個學科領(lǐng)域，是半實物仿真技術(shù)的一個里程碑。

圖1 Marko研制的用于導彈半實物仿真系統(tǒng)的風洞設(shè)備

美國空軍導彈測試中心(AFB)研制了一種高頻運動仿真器，每個控制環(huán)節(jié)的帶寬達到1000 Hz,遠遠超過了傳統(tǒng)仿真器50 Hz的極限值;另外增加了自由度的方向及數(shù)量，除了為被試驗體提供3個轉(zhuǎn)動自由度外，還可提供3個平移自由度，從而更逼真地模擬被試驗體的實際振動，如圖2所示。

圖2美國空軍導彈測試中心研制的高頻運動仿真器

1.2導航半實物仿真能力

在衛(wèi)星導航半實物仿真方面，主要根據(jù)飛行器的運動狀態(tài)參數(shù)，精確地模擬衛(wèi)星導航信號，從而檢定和評估戰(zhàn)術(shù)導彈衛(wèi)星接收機的捕獲、跟蹤性能以及組合導航精度。國外較早開展有關(guān)衛(wèi)星導航信號模擬技術(shù)的研究，已研發(fā)了多種型號、功能完備的衛(wèi)星導航信號模擬器產(chǎn)品，其中，SPIRENT通信公司研制的產(chǎn)品種類較為齊全，GPS信號模擬器有GSS4200, GPS/SBAS仿真系統(tǒng)有GSS6560和GSS7700, GLONASS信號模擬器有STR4780;Galileo系統(tǒng)信號模擬器有GSS7800, GNSS信號模擬器有GSS8000(支持GPS、GLONASS、Galileo、SBAS以及QZSS)。另外，還有美國CAST公司研制的CAST 4000 GPS/INS衛(wèi)星模擬工程系統(tǒng)以及美國計算機應(yīng)用軟件技術(shù)有限公司研制的CCSG2200衛(wèi)星信號模擬器等。

在地磁匹配導航仿真方面，美國在理論研究及工程實踐方面均處于領(lǐng)先地位，已具有較成熟的地磁環(huán)境試驗系統(tǒng)和地磁環(huán)境仿真試驗室，并初步應(yīng)用于某些電磁匹配導航體制的導彈武器研發(fā)中，工程應(yīng)用可行性和實用性得到了驗證。

1964年，美國建立了哥達德空間飛行試驗中心，具備地磁模擬系統(tǒng)、地磁觀察站等大型系統(tǒng)以及充/退磁線圈、無磁轉(zhuǎn)臺、線圈中心處吊具等配套設(shè)備，具有模擬地磁和星際磁場環(huán)境的試驗?zāi)芰?。該試驗中心先后完成了?yīng)用技術(shù)衛(wèi)星、探險者、登月車、鷹眼衛(wèi)星、海洋動力地球衛(wèi)星、國際日地探測者、高軌道充電研究衛(wèi)星等試驗任務(wù)，如圖3所示。

圖3哥達德空間飛行試驗中心的地磁模擬系統(tǒng)

2016年，NASA建立了更為先進的導航半實物仿真試驗系統(tǒng)，具備X射線導航、脈沖星/伽瑪射線導航、光學自主導航、星際飛行器間通信等仿真能力，如圖4所示。

圖4 NASA建立的先進導航半實物仿真試驗系統(tǒng)

1.3多模/寬譜段導引頭半實物仿真能力

在射頻仿真方面，美軍建設(shè)了能精確模擬各類復(fù)雜目標的仿真系統(tǒng)和能模擬不同氣候條件下的大型環(huán)境實驗室，可滿足戰(zhàn)術(shù)導彈武器在復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)評估及驗證的需求。20世紀70年代末，美陸軍航空導彈研究發(fā)展與工程中心(AMRDEC)建成的射頻仿真系統(tǒng)，可以進行單一或多種裝備的仿真試驗，實現(xiàn)了遠距離支援干擾、自衛(wèi)干擾等多種有源干擾以及箔條、角反射器等無源干擾模擬;20世紀90年代末，該中心建成的第二套毫米波仿真系統(tǒng)，模擬的目標模型已經(jīng)細化到多散射中心體目標模型，并實現(xiàn)了上千個距離擴散中心目標，不僅可以建立大型艦船、TBM等目標模型，而且可使用實測數(shù)據(jù)對模型進行對比校核，給出模型置信度，如圖5所示。

圖5 AMRDEC的射頻仿真系統(tǒng)

在光學成像、復(fù)合成像制導仿真方面，美軍具備了多頻段/寬譜段光學成像制導仿真能力。美國陸軍高級仿真中心、美國導彈司令部研究發(fā)展和工程中心、約翰斯·霍普金斯大學等建成了紅外成像、長波紅外/半主動激光復(fù)合、紅外/射頻復(fù)合、紅外/激光/射頻三模復(fù)合等導引頭半實物仿真設(shè)施，完成了空中攔截器SLID, KKV和三模復(fù)合制導戰(zhàn)術(shù)導彈武器裝備的研制。麻省理工學院林肯實驗室從20世紀90年代中期開始對陸軍和海軍的攔截器進行中波紅外探測器的仿真實驗，目前已完成短波、中波和長波紅外在室溫和低溫背景下的仿真;美國國防部建立的氣動光學評價中心(AOEC)，已建成一系列用于氣動光學效應(yīng)的物理仿真驗證系統(tǒng)，支持了戰(zhàn)區(qū)高空防御系統(tǒng)(THADD)的物理仿真和初步試驗驗證;2011年，美國空軍阿諾德開發(fā)中心完成了用于低冷背景下光學成像傳感器性能測試驗證的半實物仿真試驗(7 V和10 V試驗室)，用于空間探測器的驗證，如圖6所示;2016年，成功研制了紅外超頻段動態(tài)模擬器原理樣機，實現(xiàn)3~4.95 μm, 8.2~11.9 μm中長波紅外超譜段目標和場景的模擬，如圖7所示。

(a) 7V實驗室

(b)10 V試驗室

圖6美國空軍阿諾德開發(fā)中心建成的7V和10 V試驗室

圖7紅外超頻段動態(tài)模擬器原理樣機

1.4導引頭抗干擾半實物仿真能力

美國陸軍導彈司令部射頻實驗室成功研制了位于射頻暗室內(nèi)的射頻制導仿真系統(tǒng)，射頻目標模擬器從單個天線輻射源發(fā)展為射頻陣列，并將四個抑制式電子干擾通道接至分布于目標天線之間的16個電子干擾天線上，用于模擬遠距支援式干擾信號。同時，使用單獨的目標通道把ECM信號動態(tài)地疊加到目標信號上，模擬機載自屏蔽式或欺騙式干擾源，利用高度回波信號天線陣列產(chǎn)生距離目標信號更遠的遠程支援式干擾信號;美國空軍電子戰(zhàn)靶場(AFEWES)作為美國戰(zhàn)術(shù)導彈武器紅外抗干擾仿真試驗中心，能夠進行點源紅外對抗和激光紅外干擾半實物仿真試驗;美國海軍空戰(zhàn)中心已具備對彈載GPS接收機進行干擾的半實物仿真試驗?zāi)芰Α?/p>

1.5靶場試驗半實物仿真能力

美國高度重視半實物仿真在裝備鑒定、定型中的作用，三軍試驗基地和靶場配備了規(guī)模龐大的半實物仿真系統(tǒng)，基于內(nèi)外場試驗聯(lián)合，建立了完備的試驗鑒定評估體系，并在持續(xù)研究戰(zhàn)爭模式的變化及裝備研制需求的基礎(chǔ)上，提升和完善半實物仿真能力。美國埃格林空軍基地主要裝備了兩套仿真系統(tǒng)，如圖8所示。一套用于中程空空制導武器和基地雷達制導武器的性能分析，另一套用于紅外制導動能攔截器的開發(fā)，同時配備有新一代射頻仿真系統(tǒng)、毫米波仿真系統(tǒng)、激光仿真系統(tǒng)、GPS仿真系統(tǒng)和制導武器評估實驗室，建立了具備半實物仿真特色、高度集成的測試評估設(shè)施，用于支持全譜段末制導導引頭半實物仿真及武器系統(tǒng)開發(fā)、試驗、評估及鑒定。

圖8美國埃格林空軍基地仿真試驗系統(tǒng)

美國陸軍紅石兵工廠的高級仿真中心(ASC)從紅外成像仿真、RF仿真和多頻譜仿真三個領(lǐng)域開發(fā)了14個半實物仿真設(shè)施，為武器裝備和飛行器的傳感器、制導控制部件、全系統(tǒng)的性能提供了非破壞性、高逼真度的半實物仿真驗證和評估的技術(shù)途徑，在直接動能殺傷技術(shù)、毫米波/紅外/激光三模制導技術(shù)的突破和愛國者等性能的改進中發(fā)揮了重要作用。美陸軍航空導彈研究發(fā)展與工程中心的HWIL仿真系統(tǒng)提供了支持飛行前預(yù)測/飛行后重建、現(xiàn)場決策、戰(zhàn)術(shù)軟件驗證測試、非標稱試驗?zāi)繕?場景的演練手段(這種演練若安排在飛行試驗中進行，會導致試驗過于復(fù)雜且成本過高)。

美國三軍在建成半實物仿真網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上(包括陸軍PTTC、空軍AFDTC和海軍SIMLAB等)，構(gòu)建一體化仿真網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了異地分布式交互半實物仿真，其中，端對端半實物仿真技術(shù)已實現(xiàn)遠距離地面設(shè)備(如發(fā)射車、C4I單元、火控傳感器等)與部隊及半實物仿真系統(tǒng)之間的實時鏈接，實現(xiàn)了NMD作戰(zhàn)仿真，并已用于大規(guī)模軍事演習中。具有半實物仿真形式的作戰(zhàn)電磁環(huán)境模擬器已成為電子戰(zhàn)裝備訓練的有效手段。

2016年10月，美國太平洋司令部和綜合導彈防御聯(lián)合職能司令部，為評估彈道導彈防御性能完成了一次地面試驗，模擬了多種威脅場景及彈道導彈防御系統(tǒng)在實際襲擊事件中的實時反應(yīng)能力的評估結(jié)果，為2017年底將地面攔截彈由30枚增加至44枚的決策提供了支撐。

2 發(fā)展趨勢與建議

縱觀國外戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真能力的發(fā)展現(xiàn)狀，特別是隨著戰(zhàn)術(shù)導彈“網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化、高效化”的發(fā)展，半實物仿真應(yīng)用呈現(xiàn)如下趨勢:

(1)從支持核心部件的性能驗證向支持全生命周期驗證評估方向發(fā)展;

(2)從支持單一平臺的驗證評估向支持多體平臺/體系的驗證評估方向發(fā)展;

(3)從支持性能驗證向支持鑒定、定型及大規(guī)模作戰(zhàn)演練方向發(fā)展;

(4)從支撐內(nèi)場試驗驗證向嵌入飛行器的智能化仿真驗證、多仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

據(jù)此，提出半實物仿真能力的發(fā)展方向為:

(1)發(fā)展復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的半實物仿真技術(shù)

針對戰(zhàn)術(shù)導彈面臨的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，為實現(xiàn)考核的充分性，構(gòu)建高可信度的、復(fù)雜多樣的模擬環(huán)境，需發(fā)展復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的半實物仿真技術(shù)。

(2)發(fā)展面向戰(zhàn)術(shù)導彈全壽命周期的半實物仿真支撐技術(shù)

面對未來戰(zhàn)術(shù)導彈全壽命周期的性能、驗證、評估、鑒定需求，需解決滿足嵌入式仿真、網(wǎng)絡(luò)化仿真、多體運動仿真的一體化高性能實時仿真平臺構(gòu)建問題。

(3)發(fā)展新型物理效應(yīng)仿真技術(shù)

需解決臨近空間/氣水跨介質(zhì)環(huán)境、氣動/熱伺服彈性、高頻運動特性、大功率高動態(tài)力矩特性、量子/偏振光成像、太赫茲/量子導航信號、ISAR/SAR/綜合射頻目標特性、射頻/可見光/紅外/紫外/激光等多模復(fù)合目標特性、衛(wèi)星/星光/地磁/重力場/慣性等組合導航信號及復(fù)雜目標/干擾環(huán)境等的模擬問題。

(4)發(fā)展多彈協(xié)同/多體飛行器協(xié)同半實物仿真技術(shù)

需解決多彈協(xié)同/多體飛行器協(xié)同面臨的時間一致性、空間一致性、目標環(huán)境一致性和信息交互一致性問題。

(5)發(fā)展面向靶場的戰(zhàn)術(shù)導彈仿真試驗鑒定評估技術(shù)

需解決支持戰(zhàn)術(shù)導彈大規(guī)模作戰(zhàn)演練，以及性能鑒定評估等帶來的異地異構(gòu)半實物仿真系統(tǒng)集成問題。

3 結(jié)束語

隨著系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的發(fā)展，半實物仿真在戰(zhàn)術(shù)導彈等先進武器裝備試驗中的作用愈發(fā)凸顯，本文以戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真為研究對象，從多物理場/控制耦合、導航、多模/寬譜段制導、導引頭抗干擾、靶場試驗等方面分析了國外發(fā)展現(xiàn)狀，并基于半實物仿真發(fā)展趨勢，提出了戰(zhàn)術(shù)導彈半實物仿真能力建設(shè)的方向。隨著戰(zhàn)術(shù)導彈智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，半實物仿真必將在戰(zhàn)術(shù)導彈系統(tǒng)級、平臺級、體系級的性能驗證評估及作戰(zhàn)試驗演練領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

審核編輯 ：李倩