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基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统及其VV&A研究
2011年12月30日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:杨惠珍,李家宽,康凤举,吴宇
    单位:西北工业大学航海学院

    摘要:讨论了高层体系结构(HLA)技术应用于鱼雷武器性能仿真的需求和关键技术以及该仿真系统的VV&A:(1)建立精确的武器系统仿真模型;(2)解决实时性问题;(3)建立有效的VV&A技术保障。在基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统的FEDEP开发过程中利用Labworks工具集辅助进行FOM/SOM校核、互操作性校核以及联邦测试等VV&A过程,采用主观判断分析、软件测试和频谱分析等方法对鱼雷控制系统模型、弹道模型和自导系统模型进行了校核与验证,提高了HLA仿真试验结果的可信度。

    1 引言

    仿真技术贯穿于鱼雷等武器系统型号研制的全寿命周期中的观点已得到广泛认可,传统的数学仿真和半实物仿真技术已在型号研制中得到成功应用,成为型号研制过程中不可缺少的重要手段。

    随着分布交互仿真技术发展,基于HLA的分布交互仿真技术在军事作战仿真、武器级和体系对抗仿真中得到了广泛的应用。文献[1]采用HLA技术解决产品设计过程中不同软件模型的协同仿真运行问题;文献[2,3]构建了基于HLA的鱼雷作战性能分析仿真系统,对制导武器的分布交互仿真技术进行了有益的探索。

    本文分析了HLA技术应用于鱼雷性能仿真的需求和解决的关键技术,介绍了基于HLA的鱼雷武器仿真系统的VV&A工作,利用Labworks工具集辅助贯穿于HLA系统开发过程FEDEP的VV&A过程,采用主观判断法、软件测试和频谱分析等方法对鱼雷仿真模型进行校核与验证,提高了HLA仿真系统中仿真模型和仿真结果的可信度。

    1 HLA技术在鱼雷性能仿真中的应用

    1.1需求分析

    HLA仿真高层体系结构HLA(High Level Architecture)是美国国防部于1995年提出的一个新的仿真技术框架,其目的是为了解决在国防领域内所有类型的模型、仿真和C4I系统的互操作和可重用性问题。简单地讲,HLA定义了一个通用的技术框架,在这个技术框架下,可以接受现有的各类仿真过程的共同加入,并实现彼此的互操作。因此,HLA的设计思想并没有把武器工程研制仿真的需求抛开。

    武器系统仿真已经从研制性仿真发展到全寿命周期仿真,即仿真贯穿于从确定战术指标开始到装备部队使用的全过程。在工程设计与研制阶段,数学仿真和半实物仿真的应用非常普遍,而在可行性和方案论证阶段纯数学仿真的结果难以具有说服力,在性能评定阶段则主要依靠实航试验,高昂的费用使得武器研制的费效比降低。因此,采用HLA技术构建鱼雷性能仿真试验系统为武器型号的论证和性能试验提供虚拟环境具有重要意义。

    1.2关键技术

    将HLA技术应用到鱼雷性能仿真中要解决的几个关键技术是:

    (1)要建立精确的鱼雷武器系统数学模型

    作战仿真系统中的武器装备数学模型一般采用质点运动学和探测功能模型等简化模型,这是因为作战仿真系统着重研究武器系统运用功能,分析发控、指控系统及人的因素对系统作战性能的影响。而武器装备性能仿真主要研究武器自身的作战性能,因此要建立精确和完善的系统模型,包括动力学和运动学模型、控制系统模型、自导系统模型及操控装置模型等

    (2)要解决仿真的实时性问题

    由于建立了较复杂的鱼雷武器系统数学模型,在求解过程中应考虑仿真步长和系统帧时间对仿真误差的影响。而HLA的网络延迟和时间同步技术可能会与所需的仿真步长和帧时间相制约,因此在仿真系统设计过程中应特别关注这些问题。

    (3)要有效的VV&A技术作保障

    仿真可信度是HLA仿真试验结果可用的前提,美国国防部已颁发了分布交互仿真系统的VV&A标准,一些学者也研究了基于HLA的分布交互仿真系统的VV&A技术。这些成果中大多是对VV&A过程和原则的讨论,并且侧重于仿真的可操作性和可重用性的校核与验证。实航试验是最终鉴定鱼雷武器系统性能的主要依据,也是验证仿真试验结果可信度的主要依据,通过验证、改进、再验证、再改进的循环过程,不断提高HLA仿真系统的可信度,最终达到HLA仿真试验结果可部分取代实航试验的目的。

    2 基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统

    基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统结构图如图1所示。其中,红方包括红方潜艇、鱼雷,蓝方包括蓝方舰艇、诱饵。导演台成员进行作战想定编辑,并负责整个联邦执行过程的

    管理与控制,时钟成员负责整个联邦的时间同步,三维视景成员负责实时显示战场三维态势。

基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统及其VV&A研究

    仿真想定是:以红、蓝方在某一作战海区,随机遭遇为想定背景,红方发现蓝方目标后,发射声自导或尾流自导鱼雷攻击蓝方目标,蓝方探测到红方来袭鱼雷后发射声抗器材(声诱饵)或深弹对鱼雷进行水声对抗或拦截,同时蓝方自身进行机动规避。

    该仿真系统建立了鱼雷全雷仿真模型,全雷仿真模型由鱼雷弹道与控制成员和水声对抗仿真模型组成。前者建立了鱼雷六自由度动力学和运动学模型、控制系统模型、全弹道逻辑控制模型;后者主要模拟鱼雷自导头解算和目标声信号,实现了声学模型与鱼雷自导系统模型的紧耦合计算。二者结合能够完成对抗条件下鱼雷全弹道仿真,并具有统计仿真功能,具体模型见文献[2,3]。

    3 基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统VV&A

    3.1贯穿于FEDEP中的VV&A过程

    联邦开发一般遵循FEDEP过程,FEDEP上的VV&A过程模型包括:(1)VV&A计划;(2)联邦概念模型验证;(3):一致性标准校核;(4)功能、联邦对象模型(FOM)、剧情校核;(5)RTI接口校核;(6)HLA兼容性校核;(7)互操作性验证;(8)联邦验证;(9)联邦确认。

    该系统采用pRTI运行平台,运用Labworks软件工具集辅助开发,Labworks是用于支持HLA全生命周期的软件工具集,包括建模、集成、测试、管理等软件,与pRTI兼容。在该系统的开发过程中,FOM/SOM校核、兼容性和互操作性校核与验证等均通过LabWorks中的OMDTPro、Omni、FedProxy、FedDirector等工具辅助完成。

    3.2鱼雷模型的校核与验证

    HLA系统所采用的鱼雷各子系统模型及其数学仿真都是经过校核与验证的、具有一定可信度的模型。在模型校核方面主要进行了代码检查、代码测试以及HLA环境下的运行实时性检测等工作,对控制系统、自导系统以及导引弹道模型进行了验证。

    3.2.1校核与验证的主要方法

    所采用的V&V技术方法分为以下三大类:第一类:主观判断分析法,主要用于数学模型校核、仿真模型验证、仿真系统校核及仿真结果验证,包括的方法有理论证明、专家评审法、曲线对比法。

    第二类:软件工程法,主要用于仿真模型校核、仿真系统校核,包括的方法有走查、动态调试、人工校对、软件测试等。

    第三类:理论分析法,主要用于仿真结果验证,包括的方法有CADET法、Theil’s不等式系数法、灰色关联度法、频谱分析法。

    3.2.2实时性检测

    主要检查模型解算的仿真步长h和系统帧时间T。鱼雷六自由度控制系统的模型解算步长选取为系统自振频率ω的1/50考虑,约为10ms。在10ms步长间隔内利用高档微机求解鱼雷动力学模型的实时性不难得到满足。而自导头与目标之间“一对一”“一对二”(含诱饵)对抗仿真解算时间应小于主动自导探测的脉冲间隔时间(约0.5s)。经测试,系统中自导头与目标之间“一对一”、“一对二”对抗仿真解算时间约为120ms和240ms,故也可满足实时性要求。

    3.2.3鱼雷弹道与控制系统模型校核与验证

    采用分块测试法,从局部到整体校核数学仿真模型的正确性,并在分块测试中提高模型的精度。其测试步骤为:

    (1)动力学模型校核:断开自动驾驶仪及制导系统子模型,在计算机上进行鱼雷的动力学模型仿真,输入各种时间、幅值组合的阶跃的舵偏信号,记录鱼雷航行的各种参数,校核雷体仿真子模型的正确性。由于此时去掉了两条重要的反馈回路——稳定回路和制导回路,雷体仿真子模型的误差将充分显露出来。

    (2)控制回路模型校核:接上自动驾驶仪子模型,输入各种时间幅值组合的阶跃指令信号,记录鱼雷航行及驾驶仪的各种参数,以校核雷体与驾驶仪仿真子模型的正确性,并提高它们的精度。

    采用Theil’s不等式系数法、灰色关联度法、频谱分析等方法对比了数学仿真、半实物仿真以及实航试验等结果[5]。图2和图3所示是数学仿真与某次实航在同一初始设置条件下的结果对比分析。从图中可以看出,在时域上二者基本一致,频域上二者的频率也非常接近。考虑到数学仿真无法模拟实航试验中复杂的海洋环境,可以认为该数学仿真结果是可信的,所建立的模型可用于鱼雷性能仿真。

基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统及其VV&A研究

基于HLA的鱼雷武器性能仿真系统及其VV&A研究

    3.2.4自导系统模型校核与验证

    采用频谱分析法、时-频分析法对自导仿真系统中的发射机信号、目标噪声以及目标回波信号等进行分析。由于海洋环境的复杂性,声信号在海洋中的传播易产生畸变、起伏和相干等现象,这些情况难以逼真地模拟。因而,自导系统模型的可信度水平在CLIMB等级[5]中还处于较低的理论模型水平。

    3.3 VV&A结论

    上述VV&A活动,一方面从软件工程的角度保证该系统满足各项HLA规范,另一方面从仿真的角度保证所建立的仿真模型是可信和可用的。该系统已通过专家验收,应用于鱼雷作战效果的统计分析中[3]。

    4 结论

    随着HLA技术的发展,将数学仿真、半实物仿真和HLA仿真结合起来,形成了一体化仿真,为鱼雷武器系统的研制服务,通过仿真试验减少实航试验,简化设计过程,节省试验经费,缩短研制周期,提高鱼雷武器系统效费比,这是制导武器HLA仿真的研究发展方向。

    VV&A技术是HLA仿真试验为型号服务的保障,本文介绍了“基于HLA的鱼雷武器作战性能仿真系统”的VV&A工作,该系统的鱼雷弹道和控制系统模型已与实航结果进行了对比,具有较高的可信度,但自导系统模型和水声对抗模型由于还不够完善,且校核和验证工作也存在一定的难度,这是进一步需要研究的课题。

    参考文献:

    [1]陈晓波,熊光楞,郭斌,等.基于HLA的协同仿真运行研究[J].系统仿真学报,2003,15(12):1707-1711.(CHEN Xiao-bo,XIONG Guang-leng,GUO Bin.Research on Co-simulation Ruing Based on HLA[J]. Journal of System Simulation(S1004-731X),2003,15(12):1707-1711.)

    [2]康凤举.基于HLA的鱼雷武器系统仿真环境设计与实现[J].兵工学报,2007,28(3):382-384.

    [3]吴宇,康凤举,魏佳宁,等.基于HLA的鱼雷武器作战性能仿真技术研究[J].系统仿真学报,2006,18(11):3135-3137.(WU Yu,

    KANG Feng-ju,WEI Jia-ning,Torpedo Operational PerformanceSimulation Based on HLA[J].Journal of System Simulation(S1004-731X),2006,18(11):3135-3137.)

    [4]郭丹,张克,关世义.基于高层体系结构的VV&A及其一体化研究[J].战术导弹技术,2005,20(3):63-69.

    [5]杨惠珍.鱼雷武器系统建模与仿真的VV&A技术研究[D].西安:西北工业大学,2005.

标签:鱼雷武器军事HLA
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