基于半實(shí)物仿真的艦炮光電火控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)?

李宙恒 王興眾

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）

1 引言

艦炮武器系統(tǒng)涉及探測感知設(shè)備、情報(bào)指揮設(shè)備、火力控制設(shè)備、綜合導(dǎo)航設(shè)備、艦炮等多種裝備，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)綜合的特點(diǎn)［1～2］。指揮員、操作員需要進(jìn)行必要的日常訓(xùn)練以達(dá)到熟練操作艦炮武器系統(tǒng)的能力，而系統(tǒng)日常操作和實(shí)彈射擊訓(xùn)練受到場地、氣候、物資保障等多種條件的限制，難以進(jìn)行短時(shí)、多次訓(xùn)練［3］。在訓(xùn)練形式上，傳統(tǒng)方式多采用浮體靶或靶機(jī)作為目標(biāo)進(jìn)行訓(xùn)練，其單一目標(biāo)類型與簡單的航路規(guī)劃與真實(shí)作戰(zhàn)情況不符［4～5］。如果用真實(shí)目標(biāo)訓(xùn)練，則存在經(jīng)費(fèi)消耗大、組織協(xié)調(diào)困難、訓(xùn)練效率低等問題［6～7］。因此，有必要研制一套既好用又實(shí)用的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。基于半實(shí)物仿真的艦炮光電火控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以某型艦船實(shí)裝光電火控艦炮武器系統(tǒng)為仿真對(duì)象，采用與實(shí)裝光電火控設(shè)備幾乎完全相同的半實(shí)物模擬器，以保證人機(jī)交互界面的真實(shí)性，其余艦炮武器系統(tǒng)運(yùn)行所必需的設(shè)備及訓(xùn)練所需的海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境等均采用仿真的方式，形成人在回路的半實(shí)物模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)不同的需求，開展艦炮武器系統(tǒng)的操作模擬訓(xùn)練、交互式培訓(xùn)等。該系統(tǒng)不僅能起到操作訓(xùn)練的作用，還能精確模擬目標(biāo)跟蹤、火控解算、打擊控制、彈丸飛行及目標(biāo)毀傷等效果，達(dá)到對(duì)真實(shí)光電火控設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行仿真和測試的目的，既訓(xùn)練人又訓(xùn)練設(shè)備。

2 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成及功能規(guī)劃

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與規(guī)劃

系統(tǒng)以某型艦光電火控艦炮武器系統(tǒng)為藍(lán)本，模擬艦炮武器系統(tǒng)運(yùn)行所需的內(nèi)外部環(huán)境。在海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境、目標(biāo)模擬及打擊效果上采用三維視景仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，在人機(jī)交互界面上采用與實(shí)裝光電火控設(shè)備幾乎完全相同的半實(shí)物模擬器，通過仿真系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)人在回路和裝備在回路功能［8］。系統(tǒng)可設(shè)置戰(zhàn)場環(huán)境、選擇訓(xùn)練項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)接收目指、搜索目標(biāo)、跟蹤測距、火控解算、艦炮射擊、命中檢測、射擊校正等功能，形成閉環(huán)控制的艦炮武器系統(tǒng)全過程仿真，記錄訓(xùn)練過程中主要操作和關(guān)鍵信息，評(píng)估訓(xùn)練效果和成績［9］。

2.2 系統(tǒng)組成及功能劃分

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由艦炮武器模擬單元、配套設(shè)備模擬單元、海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境模擬單元組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 艦炮武器模擬單元

艦炮武器模擬單元包括光電火控臺(tái)、光電跟蹤儀模擬器和艦炮模擬器。光電火控臺(tái)是同時(shí)集成光電跟蹤儀操控功能模塊和艦炮火力解算及射擊控制功能模塊的艦炮火控設(shè)備。光電火控臺(tái)采用真實(shí)設(shè)備，與艦船實(shí)裝光電火控臺(tái)在功能、性能、軟硬件組成和人機(jī)交互界面上完全一致，是系統(tǒng)主要的人機(jī)交互設(shè)備，訓(xùn)練過程中大部分操作在該設(shè)備上完成。光電跟蹤儀模擬器為數(shù)字仿真模擬器，模擬艦船實(shí)裝光電跟蹤儀的主要功能，如手動(dòng)搜索、電視/紅外視頻、目標(biāo)跟蹤及激光測距等［10～11］。艦炮模擬器為數(shù)字仿真模擬器，可以三維炮體圖像模擬艦炮的方位和俯仰運(yùn)動(dòng)，可模擬艦炮對(duì)控制信號(hào)的接收與反饋。該單元具體有幾下幾項(xiàng)功能：

1）接收并響應(yīng)指控模擬器的指揮命令和目標(biāo)指示，接收綜合導(dǎo)航系統(tǒng)模擬器提供的本艦航行信息、姿態(tài)信息及水文氣象環(huán)境參數(shù)。

2）光電火控臺(tái)可對(duì)跟蹤傳感器進(jìn)行綜合操控，對(duì)艦炮進(jìn)行綜合操控。

3）光電火控臺(tái)根據(jù)目標(biāo)指示信息，引導(dǎo)跟蹤傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索跟蹤，可控制跟蹤器捕獲、跟蹤目標(biāo)。根據(jù)跟蹤器目標(biāo)數(shù)據(jù)，求取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，解算穩(wěn)定的射擊諸元，帶動(dòng)艦炮瞄準(zhǔn)目標(biāo)，并進(jìn)行射擊控制。

4）具備射擊校正、命中檢測功能。

5）光電跟蹤儀模擬器可接收光電火控臺(tái)發(fā)送的目標(biāo)指示信息，根據(jù)目標(biāo)指示信息，自動(dòng)或人機(jī)相輔搜索、捕獲、跟蹤目標(biāo)，并模擬激光測距，向光電火控臺(tái)輸出目標(biāo)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)功能。

6）艦炮模擬器可以模擬艦炮對(duì)各種命令、數(shù)據(jù)的接收和響應(yīng)，模擬艦炮伺服運(yùn)動(dòng)并反饋艦炮狀態(tài)及架位信息。

2.2.2 配套設(shè)備模擬單元

配套設(shè)備模擬單元主要包括指控模擬器、綜合導(dǎo)航模擬器和綜合時(shí)頻，其主要功能是模擬艦炮武器系統(tǒng)配套設(shè)備的主要功能。

1）情報(bào)指揮模擬器，主要功能是模擬生成目標(biāo)航跡，向光電火控臺(tái)下達(dá)作戰(zhàn)命令和目標(biāo)指示，接收光電火控臺(tái)的反饋信息并顯示。

2）綜合導(dǎo)航模擬器，能夠模擬艦船綜合導(dǎo)航設(shè)備的主要功能，模擬艦艇在水面的航行信息、姿態(tài)信息以及水文氣象環(huán)境信息，包括航速、航向、縱橫搖、經(jīng)緯度等導(dǎo)航信息以及氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息，將信息以網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的形式進(jìn)行廣播。

3）綜合時(shí)頻，向系統(tǒng)各設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)時(shí)間信息、確保各設(shè)備的時(shí)間信息統(tǒng)一；向系統(tǒng)各設(shè)備提供高精度頻率信號(hào)，保證系統(tǒng)各設(shè)備在統(tǒng)一脈沖信號(hào)下工作，避免數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)刻與信息發(fā)送時(shí)刻不一致而造成的誤差。

2.2.3 海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境模擬單元

海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境模擬單元，主要完成海洋背景、目標(biāo)航行以及命中效果的模擬以及展示。

圖2 海洋環(huán)境與目標(biāo)仿真結(jié)構(gòu)圖

1）導(dǎo)調(diào)臺(tái)。設(shè)置作戰(zhàn)想定方案，編輯訓(xùn)練任務(wù)的內(nèi)容、戰(zhàn)場環(huán)境、目標(biāo)類型等，生產(chǎn)訓(xùn)練劇本，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)；完成訓(xùn)練劇本的加載、執(zhí)行，各模擬器的初始化；完成系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、系統(tǒng)資源監(jiān)控、訓(xùn)練現(xiàn)場監(jiān)控等導(dǎo)調(diào)、監(jiān)控與管理工作；完成演練過程回放、戰(zhàn)損分析與效能評(píng)估等訓(xùn)練結(jié)果的分析和評(píng)估工作。

2）環(huán)境模擬器。根據(jù)導(dǎo)調(diào)臺(tái)設(shè)置的海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用三維建模技術(shù)，模擬真實(shí)海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境，包括空中、水面、島礁等環(huán)境，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)天氣、晝夜、海浪等效果，為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供真實(shí)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境。海洋環(huán)境與目標(biāo)仿真的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3）目標(biāo)模擬器。根據(jù)導(dǎo)調(diào)臺(tái)設(shè)置的訓(xùn)練想定方案和目標(biāo)參數(shù)，從目標(biāo)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用符合訓(xùn)練要求的目標(biāo)模型，實(shí)時(shí)生成虛擬目標(biāo)，如飛機(jī)、艦船、島礁等目標(biāo)，并模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素及毀傷效果，增強(qiáng)訓(xùn)練過程的真實(shí)性。

4）多媒體大屏及音頻。顯示具有全局信息的三維海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境視景，實(shí)時(shí)渲染戰(zhàn)術(shù)環(huán)境中背景、目標(biāo)、及打擊效果，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的語言發(fā)言擴(kuò)聲、仿真擴(kuò)聲等。

5）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。記錄與存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，對(duì)海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練想定數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行管理。

3 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行流程

3.1 接口及信息傳輸

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各設(shè)備及模擬器間接口采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)方式，通過千兆自適應(yīng)以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息交互，通過視頻總線實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)傳輸。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM）和TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)思想，采用將復(fù)雜問題分而治之的模塊化方法，上層隱藏緊下層的細(xì)節(jié)，上層統(tǒng)一下層的差異，上層彌補(bǔ)緊下層的缺陷和不足，各層之間呈單向依賴關(guān)系，并制定各層通信規(guī)則及協(xié)議，保證系統(tǒng)高效有序地進(jìn)行信息交互。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)間網(wǎng)絡(luò)交互信息可分為控制類信息和數(shù)據(jù)類信息?？刂祁愋畔⒅饕ǎ汗怆娀鹂嘏_(tái)對(duì)光電跟蹤儀模擬器的操控信息、對(duì)艦炮模擬器的操控及射擊控制信息等；數(shù)據(jù)類信息主要包括：光電跟蹤儀模擬器發(fā)送目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)信息，艦炮模擬器發(fā)送狀態(tài)及架位信息，綜合導(dǎo)航模擬器航行信息、姿態(tài)信息以及水文氣象環(huán)境信息等。

3.2 運(yùn)行流程

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行及操作過程可分為系統(tǒng)運(yùn)行流程和訓(xùn)練任務(wù)流程。系統(tǒng)運(yùn)行流程是指從訓(xùn)練開始到結(jié)束所經(jīng)歷的主要過程；訓(xùn)練任務(wù)流程是指在訓(xùn)練任務(wù)中，訓(xùn)練人員在光電火控臺(tái)上為完成目標(biāo)打擊所經(jīng)歷的主要操作步驟。

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示，主要流程如下：

1）在導(dǎo)調(diào)臺(tái)中根據(jù)訓(xùn)練目的和安排，編輯訓(xùn)練人員、作戰(zhàn)想定，設(shè)置海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境及系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，啟動(dòng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；

2）各模擬器進(jìn)行自檢，根據(jù)導(dǎo)調(diào)臺(tái)的設(shè)置加載戰(zhàn)場背景資源，進(jìn)行初始化；

3）開始進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練任務(wù)可重復(fù)進(jìn)行或隨時(shí)終止，當(dāng)終止任務(wù)后進(jìn)行訓(xùn)練結(jié)果的記錄與評(píng)估；

4）選擇是否進(jìn)行訓(xùn)練回放，可繼續(xù)當(dāng)前訓(xùn)練任務(wù)或開始新的訓(xùn)練任務(wù)。

訓(xùn)練任務(wù)流程如圖4所示，主要流程如下：

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

圖4 訓(xùn)練任務(wù)流程圖

1）指控模擬器向艦炮武器模擬單元的光電火控臺(tái)下達(dá)目標(biāo)指示與作戰(zhàn)命令，傳遞目標(biāo)信息；

2）光電火控臺(tái)接收到目標(biāo)指示，將目指信息發(fā)送給光電跟蹤儀模擬器，該模擬器根據(jù)目指信息進(jìn)行自動(dòng)調(diào)舷，訓(xùn)練人員手動(dòng)操控光電跟蹤儀模擬器搜索目標(biāo)，待發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行跟蹤測距，并自動(dòng)向光電火控臺(tái)發(fā)送實(shí)時(shí)跟蹤的目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

3）光電火控臺(tái)接收光電跟蹤儀跟蹤狀態(tài)信息和目標(biāo)信息，并接收來自艦艇綜合模擬單元廣播的我艦運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)信息及水文氣象環(huán)境信息，求取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行火控解算，將穩(wěn)定射擊諸元發(fā)送給艦炮模擬器；

4）艦炮模擬器接收射擊諸元，模擬艦炮伺服運(yùn)動(dòng)，并反饋艦炮狀態(tài)信息和架位信息給光電火控臺(tái)；

5）光電火控臺(tái)通過目標(biāo)跟蹤信息、射擊諸元信息及艦炮架位信息判斷是否具備開火條件并顯示狀態(tài)，若具備則由訓(xùn)練人員開始艦炮射擊；

6）若擊中目標(biāo)則繼續(xù)射擊訓(xùn)練，若未擊中目標(biāo)，通過光電跟蹤儀視頻圖像觀察彈著點(diǎn)與目標(biāo)間相對(duì)位置偏差來估算修正量，并在火控臺(tái)上進(jìn)行修正，再次進(jìn)行射擊，經(jīng)過單次或多次修正后擊中目標(biāo)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于半實(shí)物仿真的系統(tǒng)集成與調(diào)試技術(shù)

本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是包含人在回路的半實(shí)物模擬仿真系統(tǒng)，如光電火控臺(tái)模擬器基于裝備實(shí)際狀態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為實(shí)物模擬器，艦炮模擬器、光電跟蹤儀模擬器以及海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境單元等采用純數(shù)字仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在模擬效果上，既有與實(shí)物相同的人機(jī)界面與操作流程，又有虛擬的海洋戰(zhàn)術(shù)環(huán)境和命中效果。這涉及到不同類型模擬器與實(shí)物間的接口驅(qū)動(dòng)技術(shù)、信息傳輸?shù)慕y(tǒng)一建模，以及各虛擬模擬器和實(shí)體在時(shí)間和空間關(guān)系上的統(tǒng)一，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)模擬訓(xùn)練平臺(tái)按照實(shí)裝設(shè)備的流程運(yùn)行。因此，需對(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的集成和調(diào)試方法、步驟、工具展開深入研究。

4.2 艦炮命中概率模型

模擬訓(xùn)練的效果很大程度上是用命中效果來表征的，艦炮實(shí)際命中效果取決于多方因素，不確定性較大。艦炮武器的射擊精度有兩個(gè)部分組成，一個(gè)是射擊的準(zhǔn)確度，另一個(gè)是射擊的密集度。射擊的準(zhǔn)確度是平均彈著點(diǎn)與理論目標(biāo)點(diǎn)之間的偏差程度，屬于系統(tǒng)誤差。在實(shí)裝艦炮系統(tǒng)中，系統(tǒng)誤差是固有誤差，由火控解算模型、各設(shè)備零位誤差、艦炮自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等共同決定的。在模擬訓(xùn)練狀態(tài)下，系統(tǒng)誤差可以簡化為一個(gè)固定的參數(shù)，并可以由指揮員或考官進(jìn)行設(shè)置。射擊的密集度（散步誤差），是指彈丸落點(diǎn)的密集程度，用彈丸落點(diǎn)相對(duì)于平均彈著點(diǎn)的偏差進(jìn)行表示，是由氣象條件、彈丸章動(dòng)、身管振動(dòng)等隨機(jī)擾動(dòng)引起的誤差，屬于隨機(jī)誤差。其橫向密集度和縱向密集度近似服從正太分布［12］。為簡化計(jì)算，在本文研究中，認(rèn)為其射擊密集度服從正太分布，且橫向密集度和縱向密集度相互獨(dú)立。

4.2.1 單發(fā)命中概率計(jì)算

艦炮單發(fā)命中概率是指射擊一發(fā)炮彈命中目標(biāo)的概率，如圖5所示，假設(shè)目標(biāo)為矩形，邊長分別為2lx和2lz，矩形的中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)o，且兩邊分別平行于坐標(biāo)軸X軸和Z軸。彈著散布中心為o＇，其坐標(biāo)μx和μz為系統(tǒng)誤差。散步區(qū)域?qū)ΨQ軸平行與坐標(biāo)軸，在X軸和Z軸上彈著散布量相互獨(dú)立，其均方差為σx、σz。對(duì)此矩形目標(biāo)射擊時(shí)，其單發(fā)命中的概率P（x，z）為

其中f（x）是炮彈在x軸的命中概率密度函數(shù)，F(xiàn)（x）是炮彈在x軸的分布函數(shù)，f（z）是炮彈在z軸的命中概率密度函數(shù)，F(xiàn)（z）是炮彈在z軸的分布函數(shù)，f（x）與f（z）相互獨(dú)立，Ф是正太分布函數(shù)，R是矩形目標(biāo)的面積。

圖5 艦炮命中概率示意圖

4.2.2 發(fā)射n發(fā)至少命中一發(fā)的概率P1

一組n發(fā)的射擊過程中每一發(fā)的命中概率均按上述單發(fā)命中概率計(jì)算，每組射擊命中概率均不相關(guān)、非重復(fù)，即每次射擊都是獨(dú)立射擊。

若每發(fā)命中概率Pi不同，則P1為

若每發(fā)命中概率Pi相同，則P1為

在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，首先根據(jù)需要訓(xùn)練的艦炮類型和目標(biāo)大小，以及系統(tǒng)誤差（系統(tǒng)隨機(jī)設(shè)定）來計(jì)算出艦炮單發(fā)命中概率，然后計(jì)算出發(fā)射n發(fā)至少命中一發(fā)的概率。訓(xùn)練人員在模擬訓(xùn)練時(shí)可實(shí)時(shí)觀測到打擊效果，若未能擊中目標(biāo)，需觀察炮彈落點(diǎn)與目標(biāo)之間的偏差，并在光電火控臺(tái)上輸入校正量，再次進(jìn)行射擊，經(jīng)過一次或多次修正后便可擊中目標(biāo)。

5 結(jié)語

本文以一線部隊(duì)的使用需求為牽引，提出了基于半實(shí)物仿真的艦炮光電火控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)方案，對(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能進(jìn)行規(guī)劃，明確了系統(tǒng)的功能性需求及系統(tǒng)運(yùn)行使用流程，研究了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，給出了較為詳細(xì)的模型及軟硬件實(shí)施方案，并用于某型艦炮光電火控模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)中。該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在人機(jī)界面和操作使用流程上與真實(shí)裝備保持一致，具有一定的軍事意義和較高的實(shí)用價(jià)值，為艦艇裝備使用和部隊(duì)人員培訓(xùn)提供了良好的實(shí)踐平臺(tái)。