摘要：半實(shí)物仿真是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等先進(jìn)武器裝備在研制試樣、性能評(píng)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(chǎng)/控制耦合、導(dǎo)航、多模/寬譜段制導(dǎo)、導(dǎo)引頭抗干擾、靶場(chǎng)試驗(yàn)等五個(gè)方面，介紹了國(guó)外戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)技術(shù)的具體情況，分析了其半實(shí)物仿真驗(yàn)證能力的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，提出了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)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(duì)未來(lái)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真能力建設(shè)發(fā)展具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：半實(shí)物仿真;戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈;多物理場(chǎng)耦合;多模/寬譜段制導(dǎo);靶場(chǎng)試驗(yàn);導(dǎo)引頭

半實(shí)物仿真是計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)學(xué)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(dǎo)彈等先進(jìn)武器裝備在研制試樣、性能評(píng)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(shí)物仿真可實(shí)現(xiàn)人和硬件在回路的仿真，可在不進(jìn)行動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)的條件下對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈進(jìn)行全系統(tǒng)綜合測(cè)試驗(yàn)證，且模擬的逼真度和可信性相對(duì)很高，因此備受世界發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是美、俄、英等軍事強(qiáng)國(guó)的青睞，它們均建立大量的半實(shí)物仿真設(shè)施，支持戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的研發(fā)。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，美國(guó)等西方國(guó)家已經(jīng)形成了較為完整的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真體系，可進(jìn)行部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)及體系級(jí)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器及體系的研制需求，尤其是多物理場(chǎng)/控制耦合半實(shí)物仿真能力、導(dǎo)航半實(shí)物仿真能力、多模/寬譜段導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真能力、導(dǎo)引頭抗干擾半實(shí)物仿真能力以及靶場(chǎng)試驗(yàn)半實(shí)物仿真能力，直接推動(dòng)了動(dòng)能攔截彈、先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(BMDS)等的研制進(jìn)程。

1 半實(shí)物仿真能力

1.1 多物理場(chǎng)/控制耦合半實(shí)物仿真能力

2005年，英國(guó)牛津大學(xué)的Marko首次將風(fēng)洞設(shè)施引入導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)力/力矩的半實(shí)物仿真，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)導(dǎo)彈當(dāng)前飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)控制噴流速度與密度，建立滿足相似性的流場(chǎng)，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(xué)畸變等非線性因素引入仿真回路中，并由傳感器測(cè)量在控制面指令下導(dǎo)彈所受的氣動(dòng)力與力矩，仿真環(huán)境更加逼真，進(jìn)一步提高了仿真的置信度。將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)融入半實(shí)物仿真試驗(yàn)，涉及流體力學(xué)、控制、通訊及機(jī)械制造等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是半實(shí)物仿真技術(shù)的一個(gè)里程碑。

圖1 Marko研制的用于導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的風(fēng)洞設(shè)備

美國(guó)空軍導(dǎo)彈測(cè)試中心(AFB)研制了一種高頻運(yùn)動(dòng)仿真器，每個(gè)控制環(huán)節(jié)的帶寬達(dá)到1000 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(yàn)體提供3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外，還可提供3個(gè)平移自由度，從而更逼真地模擬被試驗(yàn)體的實(shí)際振動(dòng)，如圖2所示。

圖2美國(guó)空軍導(dǎo)彈測(cè)試中心研制的高頻運(yùn)動(dòng)仿真器

1.2導(dǎo)航半實(shí)物仿真能力

在衛(wèi)星導(dǎo)航半實(shí)物仿真方面，主要根據(jù)飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，精確地模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，從而檢定和評(píng)估戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈衛(wèi)星接收機(jī)的捕獲、跟蹤性能以及組合導(dǎo)航精度。國(guó)外較早開(kāi)展有關(guān)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬技術(shù)的研究，已研發(fā)了多種型號(hào)、功能完備的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)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(hào)模擬器有GSS4200, GPS/SBAS仿真系統(tǒng)有GSS6560和GSS7700, GLONASS信號(hào)模擬器有STR4780;Galileo系統(tǒng)信號(hào)模擬器有GSS7800, GNSS信號(hào)模擬器有GSS8000(支持GPS、GLONASS、Galileo、SBAS以及QZSS)。另外，還有美國(guó)CAST公司研制的CAST 4000 GPS/INS衛(wèi)星模擬工程系統(tǒng)以及美國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件技術(shù)有限公司研制的CCSG2200衛(wèi)星信號(hào)模擬器等。

在地磁匹配導(dǎo)航仿真方面，美國(guó)在理論研究及工程實(shí)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(yàn)系統(tǒng)和地磁環(huán)境仿真試驗(yàn)室，并初步應(yīng)用于某些電磁匹配導(dǎo)航體制的導(dǎo)彈武器研發(fā)中，工程應(yīng)用可行性和實(shí)用性得到了驗(yàn)證。

1964年，美國(guó)建立了哥達(dá)德空間飛行試驗(yàn)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(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)、線圈中心處吊具等配套設(shè)備，具有模擬地磁和星際磁場(chǎng)環(huán)境的試驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ撛囼?yàn)中心先后完成了應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星、探險(xiǎn)者、登月車、鷹眼衛(wèi)星、海洋動(dòng)力地球衛(wèi)星、國(guó)際日地探測(cè)者、高軌道充電研究衛(wèi)星等試驗(yàn)任務(wù)，如圖3所示。

圖3哥達(dá)德空間飛行試驗(yàn)中心的地磁模擬系統(tǒng)

2016年，NASA建立了更為先進(jìn)的導(dǎo)航半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，具備X射線導(dǎo)航、脈沖星/伽瑪射線導(dǎo)航、光學(xué)自主導(dǎo)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(jìn)導(dǎo)航半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3多模/寬譜段導(dǎo)引頭半實(shí)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(biāo)的仿真系統(tǒng)和能模擬不同氣候條件下的大型環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，可滿足戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器在復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)評(píng)估及驗(yàn)證的需求。20世紀(jì)70年代末，美陸軍航空導(dǎo)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(jìn)行單一或多種裝備的仿真試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)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(wú)源干擾模擬;20世紀(jì)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(biāo)模型已經(jīng)細(xì)化到多散射中心體目標(biāo)模型，并實(shí)現(xiàn)了上千個(gè)距離擴(kuò)散中心目標(biāo)，不僅可以建立大型艦船、TBM等目標(biāo)模型，而且可使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行對(duì)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(xué)成像、復(fù)合成像制導(dǎo)仿真方面，美軍具備了多頻段/寬譜段光學(xué)成像制導(dǎo)仿真能力。美國(guó)陸軍高級(jí)仿真中心、美國(guó)導(dǎo)彈司令部研究發(fā)展和工程中心、約翰斯·霍普金斯大學(xué)等建成了紅外成像、長(zhǎng)波紅外/半主動(dòng)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(dǎo)引頭半實(shí)物仿真設(shè)施，完成了空中攔截器SLID, KKV和三模復(fù)合制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器裝備的研制。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始對(duì)陸軍和海軍的攔截器進(jìn)行中波紅外探測(cè)器的仿真實(shí)驗(yàn)，目前已完成短波、中波和長(zhǎng)波紅外在室溫和低溫背景下的仿真;美國(guó)國(guó)防部建立的氣動(dòng)光學(xué)評(píng)價(jià)中心(AOEC)，已建成一系列用于氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的物理仿真驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證;2011年，美國(guó)空軍阿諾德開(kāi)發(fā)中心完成了用于低冷背景下光學(xué)成像傳感器性能測(cè)試驗(yàn)證的半實(shí)物仿真試驗(yàn)(7 V和10 V試驗(yàn)室)，用于空間探測(cè)器的驗(yàn)證，如圖6所示;2016年，成功研制了紅外超頻段動(dòng)態(tài)模擬器原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)3~4.95 μm, 8.2~11.9 μm中長(zhǎng)波紅外超譜段目標(biāo)和場(chǎng)景的模擬，如圖7所示。

(a) 7V實(shí)驗(yàn)室

(b)10 V試驗(yàn)室

圖6美國(guó)空軍阿諾德開(kāi)發(fā)中心建成的7V和10 V試驗(yàn)室

圖7紅外超頻段動(dòng)態(tài)模擬器原理樣機(jī)

1.4導(dǎo)引頭抗干擾半實(shí)物仿真能力

美國(guó)陸軍導(dǎo)彈司令部射頻實(shí)驗(yàn)室成功研制了位于射頻暗室內(nèi)的射頻制導(dǎo)仿真系統(tǒng)，射頻目標(biāo)模擬器從單個(gè)天線輻射源發(fā)展為射頻陣列，并將四個(gè)抑制式電子干擾通道接至分布于目標(biāo)天線之間的16個(gè)電子干擾天線上，用于模擬遠(yuǎn)距支援式干擾信號(hào)。同時(shí)，使用單獨(dú)的目標(biāo)通道把ECM信號(hào)動(dòng)態(tài)地疊加到目標(biāo)信號(hào)上，模擬機(jī)載自屏蔽式或欺騙式干擾源，利用高度回波信號(hào)天線陣列產(chǎn)生距離目標(biāo)信號(hào)更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程支援式干擾信號(hào);美國(guó)空軍電子戰(zhàn)靶場(chǎng)(AFEWES)作為美國(guó)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器紅外抗干擾仿真試驗(yàn)中心，能夠進(jìn)行點(diǎn)源紅外對(duì)抗和激光紅外干擾半實(shí)物仿真試驗(yàn);美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心已具備對(duì)彈載GPS接收機(jī)進(jìn)行干擾的半實(shí)物仿真試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1.5靶場(chǎng)試驗(yàn)半實(shí)物仿真能力

美國(guó)高度重視半實(shí)物仿真在裝備鑒定、定型中的作用，三軍試驗(yàn)基地和靶場(chǎng)配備了規(guī)模龐大的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，基于內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)聯(lián)合，建立了完備的試驗(yàn)鑒定評(píng)估體系，并在持續(xù)研究戰(zhàn)爭(zhēng)模式的變化及裝備研制需求的基礎(chǔ)上，提升和完善半實(shí)物仿真能力。美國(guó)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(dǎo)武器和基地雷達(dá)制導(dǎo)武器的性能分析，另一套用于紅外制導(dǎo)動(dòng)能攔截器的開(kāi)發(fā)，同時(shí)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(dǎo)武器評(píng)估實(shí)驗(yàn)室，建立了具備半實(shí)物仿真特色、高度集成的測(cè)試評(píng)估設(shè)施，用于支持全譜段末制導(dǎo)導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真及武器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)、評(píng)估及鑒定。

圖8美國(guó)埃格林空軍基地仿真試驗(yàn)系統(tǒng)

美國(guó)陸軍紅石兵工廠的高級(jí)仿真中心(ASC)從紅外成像仿真、RF仿真和多頻譜仿真三個(gè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了14個(gè)半實(shí)物仿真設(shè)施，為武器裝備和飛行器的傳感器、制導(dǎo)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(shí)物仿真驗(yàn)證和評(píng)估的技術(shù)途徑，在直接動(dòng)能殺傷技術(shù)、毫米波/紅外/激光三模制導(dǎo)技術(shù)的突破和愛(ài)國(guó)者等性能的改進(jìn)中發(fā)揮了重要作用。美陸軍航空導(dǎo)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(cè)/飛行后重建、現(xiàn)場(chǎng)決策、戰(zhàn)術(shù)軟件驗(yàn)證測(cè)試、非標(biāo)稱試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)/場(chǎng)景的演練手段(這種演練若安排在飛行試驗(yàn)中進(jìn)行，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)于復(fù)雜且成本過(guò)高)。

美國(guó)三軍在建成半實(shí)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(shí)現(xiàn)了異地分布式交互半實(shí)物仿真，其中，端對(duì)端半實(shí)物仿真技術(shù)已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離地面設(shè)備(如發(fā)射車、C4I單元、火控傳感器等)與部隊(duì)及半實(shí)物仿真系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)鏈接，實(shí)現(xiàn)了NMD作戰(zhàn)仿真，并已用于大規(guī)模軍事演習(xí)中。具有半實(shí)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(xùn)練的有效手段。

2016年10月，美國(guó)太平洋司令部和綜合導(dǎo)彈防御聯(lián)合職能司令部，為評(píng)估彈道導(dǎo)彈防御性能完成了一次地面試驗(yàn)，模擬了多種威脅場(chǎng)景及彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)在實(shí)際襲擊事件中的實(shí)時(shí)反應(yīng)能力的評(píng)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(shì)與建議

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

(1)從支持核心部件的性能驗(yàn)證向支持全生命周期驗(yàn)證評(píng)估方向發(fā)展;

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

(3)從支持性能驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證向嵌入飛行器的智能化仿真驗(yàn)證、多仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

據(jù)此，提出半實(shí)物仿真能力的發(fā)展方向?yàn)?

(1)發(fā)展復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的半實(shí)物仿真技術(shù)

針對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈面臨的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，為實(shí)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(chǎng)環(huán)境的半實(shí)物仿真技術(shù)。

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

面對(duì)未來(lái)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈全壽命周期的性能、驗(yàn)證、評(píng)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(yùn)動(dòng)仿真的一體化高性能實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)構(gòu)建問(wèn)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(dòng)/熱伺服彈性、高頻運(yùn)動(dòng)特性、大功率高動(dòng)態(tài)力矩特性、量子/偏振光成像、太赫茲/量子導(dǎo)航信號(hào)、ISAR/SAR/綜合射頻目標(biāo)特性、射頻/可見(jiàn)光/紅外/紫外/激光等多模復(fù)合目標(biāo)特性、衛(wèi)星/星光/地磁/重力場(chǎng)/慣性等組合導(dǎo)航信號(hào)及復(fù)雜目標(biāo)/干擾環(huán)境等的模擬問(wèn)題。

(4)發(fā)展多彈協(xié)同/多體飛行器協(xié)同半實(shí)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(shí)間一致性、空間一致性、目標(biāo)環(huán)境一致性和信息交互一致性問(wèn)題。

(5)發(fā)展面向靶場(chǎng)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈仿真試驗(yàn)鑒定評(píng)估技術(shù)

需解決支持戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈大規(guī)模作戰(zhàn)演練，以及性能鑒定評(píng)估等帶來(lái)的異地異構(gòu)半實(shí)物仿真系統(tǒng)集成問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

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

審核編輯 ：李倩