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(dǎo)航、多模/寬譜段制導(dǎo)、導(dǎo)引頭抗干擾、靶場試驗(yàn)等五個方面，介紹了國外戰(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，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(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;多物理場耦合;多模/寬譜段制導(dǎo);靶場試驗(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)行動態(tài)飛行試驗(yàn)的條件下對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈進(jìn)行全系統(tǒng)綜合測試驗(yàn)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(dá)國家，特別是美、俄、英等軍事強(qiáng)國的青睞，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(dǎo)彈半實(shí)物仿真體系，可進(jìn)行部件級、系統(tǒng)級及體系級的半實(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/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試驗(yàn)半實(shí)物仿真能力，直接推動了動能攔截彈、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/控制耦合半實(shí)物仿真能力

2005年，英國牛津大學(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)了氣動力/力矩的半實(shí)物仿真，如圖1所示。試驗(yàn)時，根據(jù)導(dǎo)彈當(dāng)前飛行狀態(tài)實(shí)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(xué)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(dǎo)彈所受的氣動力與力矩，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)械制造等多個學(xué)科領(lǐng)域，是半實(shí)物仿真技術(shù)的一個里程碑。

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

美國空軍導(dǎo)彈測試中心(AFB)研制了一種高頻運(yùn)動仿真器，每個控制環(huán)節(jié)的帶寬達(dá)到1000 Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yàn)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(yàn)體的實(shí)際振動，如圖2所示。

圖2美國空軍導(dǎo)彈測試中心研制的高頻運(yùn)動仿真器

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)動狀態(tài)參數(shù)，精確地模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號，從而檢定和評估戰(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。國外較早開展有關(guān)衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)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(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件技術(shù)有限公司研制的CCSG2200衛(wèi)星信號模擬器等。

在地磁匹配導(dǎo)航仿真方面，美國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(yàn)?zāi)芰?。該試?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(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)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)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(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。美國陸軍高級仿真中心、美國導(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(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年代中期開始對陸軍和海軍的攔截器進(jìn)行中波紅外探測器的仿真實(shí)驗(yàn)，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(xué)評價中心(AOEC)，已建成一系列用于氣動光學(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，美國空軍阿諾德開發(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)，用于空間探測器的驗(yàn)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(jī)，實(shí)現(xiàn)3~4.95 μm, 8.2~11.9 μm中長波紅外超譜段目標(biāo)和場景的模擬，如圖7所示。

(a) 7V實(shí)驗(yàn)室

(b)10 V試驗(yàn)室

圖6美國空軍阿諾德開發(fā)中心建成的7V和10 V試驗(yàn)室

圖7紅外超頻段動態(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(biāo)天線之間的16個電子干擾天線上，用于模擬遠(yuǎn)距支援式干擾信號。同時，使用單獨(dú)的目標(biāo)通道把ECM信號動態(tài)地疊加到目標(biāo)信號上，模擬機(jī)載自屏蔽式或欺騙式干擾源，利用高度回波信號天線陣列產(chǎn)生距離目標(biāo)信號更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)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(dǎo)彈武器紅外抗干擾仿真試驗(yàn)中心，能夠進(jìn)行點(diǎn)源紅外對抗和激光紅外干擾半實(shí)物仿真試驗(yàn);美國海軍空戰(zhàn)中心已具備對彈載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靶場試驗(yàn)半實(shí)物仿真能力

美國高度重視半實(shí)物仿真在裝備鑒定、定型中的作用，三軍試驗(yàn)基地和靶場配備了規(guī)模龐大的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，基于內(nèi)外場試驗(yàn)聯(lián)合，建立了完備的試驗(yàn)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(shí)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(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(dǎo)武器評估實(shí)驗(yàn)室，建立了具備半實(shí)物仿真特色、高度集成的測試評估設(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)開發(fā)、試驗(yàn)、評估及鑒定。

圖8美國埃格林空軍基地仿真試驗(yàn)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(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(dǎo)技術(shù)的突破和愛國者等性能的改進(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/飛行后重建、現(xiàn)場決策、戰(zhàn)術(shù)軟件驗(yàn)證測試、非標(biāo)稱試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)/場景的演練手段(這種演練若安排在飛行試驗(yàn)中進(jìn)行，會導(dǎo)致試驗(yàn)過于復(fù)雜且成本過高)。

美國三軍在建成半實(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，美國太平洋司令部和綜合導(dǎo)彈防御聯(lián)合職能司令部，為評估彈道導(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(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:

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

(2)從支持單一平臺的驗(yàn)證評估向支持多體平臺/體系的驗(yàn)證評估方向發(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)場環(huán)境的半實(shí)物仿真技術(shù)

針對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈面臨的復(fù)雜戰(zhàn)場環(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)

面對未來戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈全壽命周期的性能、驗(yàn)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(yùn)動仿真的一體化高性能實(shí)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(yùn)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(dǎo)航信號、ISAR/SAR/綜合射頻目標(biāo)特性、射頻/可見光/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/慣性等組合導(dǎo)航信號及復(fù)雜目標(biāo)/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(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題。

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

需解決支持戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈大規(guī)模作戰(zhàn)演練，以及性能鑒定評估等帶來的異地異構(gòu)半實(shí)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(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)物仿真為研究對象，從多物理場/控制耦合、導(dǎo)航、多模/寬譜段制導(dǎo)、導(dǎo)引頭抗干擾、靶場試驗(yàn)等方面分析了國外發(fā)展現(xiàn)狀，并基于半實(shí)物仿真發(fā)展趨勢，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、平臺級、體系級的性能驗(yàn)證評估及作戰(zhàn)試驗(yàn)演練領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

審核編輯 ：李倩