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国内外军事虚拟仿真技术的发展概要
2013年8月3日    评论:    分享:

    来源:第三维度 
    作者:未知

    一、 概述

    仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一种综合性技术。它综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。

    随着仿真技术在科技进步和社会发展中的作用愈来愈显重要,特别是军事科学,随着高、精尖武器系统的研制和发展,对军用仿真技术的应用和研究提出了更高的要求。世界各军事强国竟相在新一代武器系统的研制过程中不断完善仿真方法,改进仿真手段,以提高研制工作的综合效益。军用仿真技术在武器系统战技指标论证、方案选择、研制、试验、鉴定、改进提高以及部队维护保养和训练中的应用,已得到研制方和使用部队的承认和重视。它对提高新一代武器系统综合性能,减少系统实物试验次数、缩短研制周期,节省研制经费,提高维护水平,延长寿命周期,强化部队训练等方面都可大有作为。

    二、 国内外军用仿真技术发展现状

    1.国外军用仿真技术发展现状态

    美国国防部高度重视仿真技术的发展,近十多年来,美国一直将建模与仿真列为重要的国防关键技术。1992年公布了“国防建模与仿真倡议”,并成立了国防建模与仿真办公室,负责倡议的实施:1992年7月美国防部公布了“国防科学技术战略”,“综合仿真环境”被列为保持美国军事优势的七大推动技术之一;1995年10月,美国防部公布了“建模与仿真主计划”,提出了美国防部建模与仿真的六个主目标;1997年度的“美国国防技术领域计划”,将“建模与仿真”列为“有助于能极大提高军事能力的四大支柱(战备、现代化、部队结构、持续能力)的一项重要技术,并计划从1996年至2001年投资5.4亿美元、年均投资0.9亿美元”。同时美国国防科学局(Defense Science Board)认为建立集成的综合仿真环境和仿真系统,必须解决五个层次的使能技术,(enabling technologies )(即应能解决实现的技术)

    第一层次——基础技术

    包括:光纤通讯、集成电路、软件工具、人的行为模型、环境模型等。

    第二层次——元、部件级技术

    包括:内存、显示、局域网、微处理器、数据库管理系统,数/模/数转换器,建模与仿真构造工具,测试设备等

    第三层次——系统级技术

    包括:微机系统,人一机界面,远距离通讯/广域网、计算机图象生成。

    第四层次——应用级技术

    包括:制造过程仿真、工程设计建模与仿真,含人仿真系统,随机作战仿真等。

    第五层次——集成综合环境和建模与仿真工程

    包括:原型机、规划、设计与制造,训练与备战,测试与评估。

    上述使能技术有些商业市场解决,如微机系统、远距离通讯/广域网、人一机界面、计算图象生成、数据库管理系统、局域网、光纤通讯、软件工程工具等,也就是大部份的硬件和网络能力由商业市场作为成熟产品提供。而为满足军用仿真需求,有些如制造过程仿真,工程设计建模与仿真,随机作战仿真,环境模型等都由关国防部组织解决。

    数学模型是仿真的基础,要仿真,必须对被仿真的对象或系统进行数学建模,也就是对客观世界中客观事物进行数学抽象和数学描述。数学模型的正确与否以及其精确度直接影响仿真的置信度。所以,建模以后必须经过验模,验模就是对模型的评估过程。但对导弹武器系统中的某些部件,由于它的非线性,很难用数学模型表达得那么准确。因此,导弹武器系统,无论是战术的还是战略的,美国三军都非常重视半实物仿真在导弹研制中的作用。虽然这是化费较大的工程,但是几年来,美、欧、日各方都化费巨资建立半实物仿真系统,以加快精确制导武器的研制。


    同样,欧洲对于仿真的研究历来也十分重视。北大西洋公约组织(NATO)于1992年9月成立了DIS工作组。同年欧洲学术界的二百个成员成立了欧洲仿真特殊兴趣组,并于次年组建了“仿真未来:新概念、工具和应用”基础研究工作组。制定了仿真基础研究和开发为第一优先主题。其第二个主题即为开发新的应用领域。尤其是象并行和分布式仿真这样的基础技术,围绕这个主题将就“仿真互操作性”展开行动计划。并对应于美国DIS工作组成立一些对应的“影子”机构进行跟踪研究。

    2.国内军用仿真技术发展现状

     我国军用仿真技术的发展已有四十年的历史。尤其在“七五”以来的十多年中,通过边建边用,以及上级领导的重视,仿真技术得到了飞速发展。突出表现在以下方面:

     ⑴ 建成了航天机电集团以北京仿真中心为代表的,科技集团以上海八院八部的射频、红外仿真系统为代表的服务于各类新型导弹、卫星、运载火箭和鱼雷等仿真的“八大仿真系统”以及用于新型军机研制的飞机工程仿真系统,为仿真技术的研究和应用打下了坚实的基础。
 
     ⑵ 90年代我国开始对分布交互仿真虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究,开展了较大规模的复杂系统仿真,由单个武器平台的性能仿真发展为多武器平台在作战环境下的对抗仿真。

     ⑶ 研制出了连续系统仿真语言ICSLⅡ和ICSL++仿真环境,连续/离散(事件)系统仿真语言IHSL和图形输入仿真语言IFAS等通用仿真语言及射频、红外、反坦克导弹、卫星、战略导弹和运载火箭等半实物仿真专用软件。正在研制基于高档微机、工作站通用、并发、一体化仿真软件。

     ⑷ 视频/红外动态图象转换技术攻关,并研制出了能产生红外动态图象的原理试验样机。其中,MOS电阻桥阵方案已研制出64?4象元,帧频100HZ的工程试验样机;红外CRT已研制出8~12μm的工程试验样机。

     ⑸ 坚持边建边用的原则,在应用方面取得显著成果。有效的应用于新型武器的研制,优化系统设计,提高武器系统性能;以及诊断并排除隐患和故障、提高型号研制质量;大大减少实弹试验次数和试验数量,从而起到了缩短研制周期、节约研制经费、提高武器系统效费比的巨大作用。根据统计数据,仿真技术可缩短导弹武器研制周期20~40%,节约导弹定型试验所需弹数10~30%;鱼雷试航次数减少50~80%;缩短舰船作战系统、武器系统联调时间40~60%。从可量化的数字看,至95年底,仿真技术在我国各类导弹(含鱼雷、运载火箭)、卫星、飞机、舰船、坦克和高炮的研制中,仿真创经济效益达人民币5亿元以上。

     射频目标杂波、干扰和多路径效应仿真,已可基本满足相应型号仿真工程建设的要求。

    三、 军用仿真的发展设想

     1.环境仿真

     无论是单武器平台性能仿真还是多武器平台在对抗作战环境下的体系对抗仿真,环境仿真都是重要的组成部分。美国在环境仿真方面,研制了各种运动仿真器,如高精度飞行仿真转台、加速度模拟器、真空模拟器等,建立了逐步完善的各种实体模型数据库、战场环境(如地形、地貌、海洋、大气、空间等)数据库,并用虚拟现实技术,建立虚拟仿真环境、虚拟战场环境等,以支撑其各种仿真的需要。

     要完成环境仿真,必须解决两方面的问题
 
     ⑴ 环境模型的建立

    军事应用中的环境是千变万化的,不同的地形、地貌、气象、电磁干扰、噪声等等都有其不同的环境特征,要对其建立有相当置信度的模型是很复杂的,所以环境仿真建模工作应作为基础性研究进行。

     ⑵ 环境效应

    这是一个更加复杂的问题,实际上也就是仿真环境动态变化时,对仿真结果所产生的影响。例如,军舰,反舰导弹与海情,风力、风速,加上多路径这些环境之间是相互交互的。这些都增加了仿真达到相当置信度的难度。

    2.分布式仿真技术与训练仿真技术

    美国是最早发展分布式交互仿真技术的国家。1983年美国防部高级研究计划局(DARPA)和陆军合作的研究计划SIMNET于1989年完成,为DIS的发展奠定了技术基础。分布式仿真包括军事上公认的三类仿真:真实仿真、虚拟仿真、结构仿真,分布交互仿真的核心是仿真技术和网络技术的结合。

    分布交互仿真技术最明显的应用是多兵种联合作战训练,进行多武器平台作战仿真。在DIS生成的逼真战场环境支持下,可以进行作战仿真,熟练掌握合成作战技术、作战原则、发展新的作战方式和方法,提高各级指挥人员的战场指挥能力,并可大大减少风险和高额开销。NATO准备逐步把各国不同的兵力汇入SIMNET而成为一个虚拟战场,并把空战仿真系统(AWSIMS)和海战仿真系统(NWSTMS)与其相联。美国陆军的CCTT(近战战术训练系统),是美国用于部队训练的第一个分布交互仿真实用系统,可实现546个仿真工作站的仿真训练联网,距离可跨越欧美之间,可为美国本土和美在北约驻军的野外训练提供高逼真度的虚拟战场环境。联网演习,比起实战演习来,其成本低、损伤少、安全保密,多次反复演练,而且方案可以多变,准备时间短。通过联网仿真训练多兵、团组协同作战,不仅可解决人与机之间的关系,更要解决人与人之间的协同关系。

    美国还大力开发集作战仿真、武器装备研制及武器装备采办使用的分布式交互仿真系统。自美国防部1992年制订“作战仿真试验室”计划以来,迄今已建立了六个作战仿真实验室。利用分布交互仿真技术,作战实验室与有关专业和单位的计算机联网,可以高效率地完成以下工作:

    •  进行联合训练,为制订新的作战战术、条令和训练方法、制订作战计划、评估作战情况提供依据。

    •  在新武器系统开始研制或在役武器装备着手改进之前,通过计算机仿真和实物模拟,对新技术所能提供的新作战能力和新的作战思想进行试验和评估,以提出新武器的需求;在武器系统研制期间,系统在逼真的作战试验环境中不断仿真试验,将保证最终系统尽可能适合于作战的需要。

    •  预测新武器从研制、生产到列装、使用、维护、后勤支援采办全过程中的问题,包括费用情况,以缩短研制周期、降低全寿命费用。

    •  作战仿真试验室,通过DIS系统在更大的仿真环境中加入能反应实弹真实飞行的仿真试验而得到扩大,允许能进行更复杂的系统试验,进行有真实意义的战役分析,以支持国防高级决策工作。

    3.虚拟现实技术

    近年来,虚拟现实(Virtual Reality)技术在航空航天和军事领域的成功应用,取得了巨大的经济效益和社会效益,促进美国政府进一步加大了对VR技术研究的支持力度。VR技术在武器系统性能评价、武器操作训练、指挥大规模军事演习等三个方面的仿真应用中能发挥重大作用:大幅度降低所需的费用,极大的提高效益,并消除意外伤亡事故。因此,美国政府所支持的VR 技术研究也正是紧紧围绕着提高这三种能力的系统和环境而展开的。他们拟将VR的一些关键技术进行加强和改进,主要有高速网络和数据的实时交互与显示、数据融合与输出、各个层次(包括地形绘制、天气描述、运动和传感、武器系统与效应、计算机生成的半自主兵力等)上的逼真性。
 
   美国政府支持的虚拟现实技术应用的研究计划有:

    •  战争综合演示计划(Synthetic Theater of War Project);

    •  防务仿真交互网络(Defense Simulation Internet, DSI);

    •  卫星模拟(The Satellite Modeler, SM);

    •  虚拟座舱(The Virtual Cockpit, VC)。

    实际上VR技术的广泛应用,无论是对驾驶员进行成功训练的飞行模拟器,或是用来训练军事作战人员虚拟战场,或是基于仿真的设计包括几何外形,传动物理特性和动力学特性的在建模基础上,完成的虚拟样机,还是通过仿真模型在计算机上仿真生产全过程,实现产品的工艺规程,加工制造等生产出的虚拟产品,都已有许多成功事例。

    归根结底,所谓的虚拟现实简单地说,就是数字仿真加图形可视化。因此,虚拟系统的基本组成有高性能计算机、计算机网络、图象生成与显示系统、数据库(含地理信息、气动数据、导航数据、气象数据等)以及相应的人机接口和软件支撑环境。

    四、 结束语

    军用仿真技术以战略战术导弹武器系统研制需求为牵引,以新型精确打击武器装备全生命周期仿真应用为重点,为适应新型号导弹武器系统和军用卫星系统研制的需要,充分验证系统设计的正确性,“十五”期间突破精确制导武器系统仿真、导弹武器系统训练仿真、环境仿真、分布交互式仿真、虚拟现实仿真等关键技术,建立相应的仿真试验系统,系统仿真支撑环境,充分发挥仿真技术在导弹背景型号武器装备发展论证,研制与试验、定型与评估、使用与训练、更新与改造等全过程中的先导和支撑作用。

    另外,通过对虚拟技术的研究,尽可能地扩大其应用范围,采用虚拟样机,虚拟战场环境以及虚拟制造等概念,可以使传统的武器系统的设计方法产生变革。虚拟技术将是21世纪武器系统研制和军队建设的重要手段。

标签:军事战场战争空军
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