国外战术导弹半实物仿真试验验证能力发展分析

摘要：半实物仿真是战术导弹等先进武器装备在研制试样、性能评估、作战演练中必不可少的主要仿真方法和手段。从多物理场/控制耦合、导航、多模/宽谱段制导、导引头抗干扰、靶场试验等五个方面，介绍了国外战术导弹半实物仿真试验设备、试验技术的具体情况，分析了其半实物仿真验证能力的发展现状及发展趋势，提出了战术导弹半实物仿真应重点关注在复杂战场环境、新型物理效应、多弹协同/多体飞行器协同等方面的能力建设，分析结果可对未来战术导弹半实物仿真能力建设发展具有借鉴意义。

关键词：半实物仿真;战术导弹;多物理场耦合;多模/宽谱段制导;靶场试验;导引头

半实物仿真是计算机软件、数学模型、系统部件(或设备)与环境物理效应设备相结合的仿真形式，是战术导弹等先进武器装备在研制试样、性能评估、作战演练中必不可少的主要仿真方法和手段，一定程度上代表着系统建模与仿真的最高水平。由于半实物仿真可实现人和硬件在回路的仿真，可在不进行动态飞行试验的条件下对战术导弹进行全系统综合测试验证，且模拟的逼真度和可信性相对很高，因此备受世界发达国家，特别是美、俄、英等军事强国的青睐，它们均建立大量的半实物仿真设施，支持战术导弹的研发。

经过几十年的发展，美国等西方国家已经形成了较为完整的战术导弹半实物仿真体系，可进行部件级、系统级及体系级的半实物仿真试验，以满足现代战术导弹武器及体系的研制需求，尤其是多物理场/控制耦合半实物仿真能力、导航半实物仿真能力、多模/宽谱段导引头半实物仿真能力、导引头抗干扰半实物仿真能力以及靶场试验半实物仿真能力，直接推动了动能拦截弹、先进中距空空导弹、远程反舰导弹、弹道导弹防御系统(BMDS)等的研制进程。

1 半实物仿真能力  

1.1 多物理场/控制耦合半实物仿真能力  

2005年，英国牛津大学的Marko首次将风洞设施引入导弹半实物仿真系统中，实现了气动力/力矩的半实物仿真，如图1所示。试验时，根据导弹当前飞行状态实时控制喷流速度与密度，建立满足相似性的流场，将铰链力矩、飞行器结构颤振和下洗涡流所引起的力学畸变等非线性因素引入仿真回路中，并由传感器测量在控制面指令下导弹所受的气动力与力矩，仿真环境更加逼真，进一步提高了仿真的置信度。将风洞实验融入半实物仿真试验，涉及流体力学、控制、通讯及机械制造等多个学科领域，是半实物仿真技术的一个里程碑。

图1 Marko研制的用于导弹半实物仿真系统的风洞设备

美国空军导弹测试中心(AFB)研制了一种高频运动仿真器，每个控制环节的带宽达到1000 Hz,远远超过了传统仿真器50 Hz的极限值;另外增加了自由度的方向及数量，除了为被试验体提供3个转动自由度外，还可提供3个平移自由度，从而更逼真地模拟被试验体的实际振动，如图2所示。

图2 美国空军导弹测试中心研制的高频运动仿真器

1.2 导航半实物仿真能力  

在卫星导航半实物仿真方面，主要根据飞行器的运动状态参数，精确地模拟卫星导航信号，从而检定和评估战术导弹卫星接收机的捕获、跟踪性能以及组合导航精度。国外较早开展有关卫星导航信号模拟技术的研究，已研发了多种型号、功能完备的卫星导航信号模拟器产品，其中，SPIRENT通信公司研制的产品种类较为齐全，GPS信号模拟器有GSS4200, GPS/SBAS仿真系统有GSS6560和GSS7700, GLONASS信号模拟器有STR4780;Galileo系统信号模拟器有GSS7800, GNSS信号模拟器有GSS8000(支持GPS、GLONASS、Galileo、SBAS以及QZSS)。另外，还有美国CAST公司研制的CAST 4000 GPS/INS卫星模拟工程系统以及美国计算机应用软件技术有限公司研制的CCSG2200卫星信号模拟器等。

在地磁匹配导航仿真方面，美国在理论研究及工程实践方面均处于领先地位，已具有较成熟的地磁环境试验系统和地磁环境仿真试验室，并初步应用于某些电磁匹配导航体制的导弹武器研发中，工程应用可行性和实用性得到了验证。

1964年，美国建立了哥达德空间飞行试验中心，具备地磁模拟系统、地磁观察站等大型系统以及充/退磁线圈、无磁转台、线圈中心处吊具等配套设备，具有模拟地磁和星际磁场环境的试验能力。该试验中心先后完成了应用技术卫星、探险者、登月车、鹰眼卫星、海洋动力地球卫星、国际日地探测者、高轨道充电研究卫星等试验任务，如图3所示。

图3 哥达德空间飞行试验中心的地磁模拟系统

2016年，NASA建立了更为先进的导航半实物仿真试验系统，具备X射线导航、脉冲星/伽玛射线导航、光学自主导航、星际飞行器间通信等仿真能力，如图4所示。

图4 NASA建立的先进导航半实物仿真试验系统

1.3 多模/宽谱段导引头半实物仿真能力  

在射频仿真方面，美军建设了能精确模拟各类复杂目标的仿真系统和能模拟不同气候条件下的大型环境实验室，可满足战术导弹武器在复杂电磁环境下作战评估及验证的需求。20世纪70年代末，美陆军航空导弹研究发展与工程中心(AMRDEC)建成的射频仿真系统，可以进行单一或多种装备的仿真试验，实现了远距离支援干扰、自卫干扰等多种有源干扰以及箔条、角反射器等无源干扰模拟;20世纪90年代末，该中心建成的第二套毫米波仿真系统，模拟的目标模型已经细化到多散射中心体目标模型，并实现了上千个距离扩散中心目标，不仅可以建立大型舰船、TBM等目标模型，而且可使用实测数据对模型进行对比校核，给出模型置信度，如图5所示。

图5 AMRDEC的射频仿真系统

在光学成像、复合成像制导仿真方面，美军具备了多频段/宽谱段光学成像制导仿真能力。美国陆军高级仿真中心、美国导弹司令部研究发展和工程中心、约翰斯·霍普金斯大学等建成了红外成像、长波红外/半主动激光复合、红外/射频复合、红外/激光/射频三模复合等导引头半实物仿真设施，完成了空中拦截器SLID, KKV和三模复合制导战术导弹武器装备的研制。麻省理工学院林肯实验室从20世纪90年代中期开始对陆军和海军的拦截器进行中波红外探测器的仿真实验，目前已完成短波、中波和长波红外在室温和低温背景下的仿真;美国国防部建立的气动光学评价中心(AOEC)，已建成一系列用于气动光学效应的物理仿真验证系统，支持了战区高空防御系统(THADD)的物理仿真和初步试验验证;2011年，美国空军阿诺德开发中心完成了用于低冷背景下光学成像传感器性能测试验证的半实物仿真试验(7 V和10 V试验室)，用于空间探测器的验证，如图6所示;2016年，成功研制了红外超频段动态模拟器原理样机，实现3~4.95 μm, 8.2~11.9 μm中长波红外超谱段目标和场景的模拟，如图7所示。

(a) 7 V实验室

(b) 10 V试验室

图6 美国空军阿诺德开发中心建成的7V和10 V试验室

图7 红外超频段动态模拟器原理样机

1.4 导引头抗干扰半实物仿真能力  

美国陆军导弹司令部射频实验室成功研制了位于射频暗室内的射频制导仿真系统，射频目标模拟器从单个天线辐射源发展为射频阵列，并将四个抑制式电子干扰通道接至分布于目标天线之间的16个电子干扰天线上，用于模拟远距支援式干扰信号。同时，使用单独的目标通道把ECM信号动态地叠加到目标信号上，模拟机载自屏蔽式或欺骗式干扰源，利用高度回波信号天线阵列产生距离目标信号更远的远程支援式干扰信号;美国空军电子战靶场(AFEWES)作为美国战术导弹武器红外抗干扰仿真试验中心，能够进行点源红外对抗和激光红外干扰半实物仿真试验;美国海军空战中心已具备对弹载GPS接收机进行干扰的半实物仿真试验能力。

1.5 靶场试验半实物仿真能力  

美国高度重视半实物仿真在装备鉴定、定型中的作用，三军试验基地和靶场配备了规模庞大的半实物仿真系统，基于内外场试验联合，建立了完备的试验鉴定评估体系，并在持续研究战争模式的变化及装备研制需求的基础上，提升和完善半实物仿真能力。美国埃格林空军基地主要装备了两套仿真系统，如图8所示。一套用于中程空空制导武器和基地雷达制导武器的性能分析，另一套用于红外制导动能拦截器的开发，同时配备有新一代射频仿真系统、毫米波仿真系统、激光仿真系统、GPS仿真系统和制导武器评估实验室，建立了具备半实物仿真特色、高度集成的测试评估设施，用于支持全谱段末制导导引头半实物仿真及武器系统开发、试验、评估及鉴定。

图8 美国埃格林空军基地仿真试验系统

美国陆军红石兵工厂的高级仿真中心(ASC)从红外成像仿真、RF仿真和多频谱仿真三个领域开发了14个半实物仿真设施，为武器装备和飞行器的传感器、制导控制部件、全系统的性能提供了非破坏性、高逼真度的半实物仿真验证和评估的技术途径，在直接动能杀伤技术、毫米波/红外/激光三模制导技术的突破和爱国者等性能的改进中发挥了重要作用。美陆军航空导弹研究发展与工程中心的HWIL仿真系统提供了支持飞行前预测/飞行后重建、现场决策、战术软件验证测试、非标称试验目标/场景的演练手段(这种演练若安排在飞行试验中进行，会导致试验过于复杂且成本过高)。

美国三军在建成半实物仿真网络的基础上(包括陆军PTTC、空军AFDTC和海军SIMLAB等)，构建一体化仿真网络，实现了异地分布式交互半实物仿真，其中，端对端半实物仿真技术已实现远距离地面设备(如发射车、C4I单元、火控传感器等)与部队及半实物仿真系统之间的实时链接，实现了NMD作战仿真，并已用于大规模军事演习中。具有半实物仿真形式的作战电磁环境模拟器已成为电子战装备训练的有效手段。

2016年10月，美国太平洋司令部和综合导弹防御联合职能司令部，为评估弹道导弹防御性能完成了一次地面试验，模拟了多种威胁场景及弹道导弹防御系统在实际袭击事件中的实时反应能力的评估结果，为2017年底将地面拦截弹由30枚增加至44枚的决策提供了支撑。

2 发展趋势与建议  

纵观国外战术导弹半实物仿真能力的发展现状，特别是随着战术导弹“网络化、集成化、智能化、高效化”的发展，半实物仿真应用呈现如下趋势:

(1)从支持核心部件的性能验证向支持全生命周期验证评估方向发展;

(2)从支持单一平台的验证评估向支持多体平台/体系的验证评估方向发展;

(3)从支持性能验证向支持鉴定、定型及大规模作战演练方向发展;

(4)从支撑内场试验验证向嵌入飞行器的智能化仿真验证、多仿真系统网络化方向发展。

据此，提出半实物仿真能力的发展方向为:

(1)发展复杂战场环境的半实物仿真技术

针对战术导弹面临的复杂战场环境，为实现考核的充分性，构建高可信度的、复杂多样的模拟环境，需发展复杂战场环境的半实物仿真技术。

(2)发展面向战术导弹全寿命周期的半实物仿真支撑技术

面对未来战术导弹全寿命周期的性能、验证、评估、鉴定需求，需解决满足嵌入式仿真、网络化仿真、多体运动仿真的一体化高性能实时仿真平台构建问题。

(3)发展新型物理效应仿真技术

需解决临近空间/气水跨介质环境、气动/热伺服弹性、高频运动特性、大功率高动态力矩特性、量子/偏振光成像、太赫兹/量子导航信号、ISAR/SAR/综合射频目标特性、射频/可见光/红外/紫外/激光等多模复合目标特性、卫星/星光/地磁/重力场/惯性等组合导航信号及复杂目标/干扰环境等的模拟问题。

(4)发展多弹协同/多体飞行器协同半实物仿真技术

需解决多弹协同/多体飞行器协同面临的时间一致性、空间一致性、目标环境一致性和信息交互一致性问题。

(5)发展面向靶场的战术导弹仿真试验鉴定评估技术

需解决支持战术导弹大规模作战演练，以及性能鉴定评估等带来的异地异构半实物仿真系统集成问题。

3 结束语  

随着系统建模与仿真技术的发展，半实物仿真在战术导弹等先进武器装备试验中的作用愈发凸显，本文以战术导弹半实物仿真为研究对象，从多物理场/控制耦合、导航、多模/宽谱段制导、导引头抗干扰、靶场试验等方面分析了国外发展现状，并基于半实物仿真发展趋势，提出了战术导弹半实物仿真能力建设的方向。随着战术导弹智能化、集成化、网络化的发展，半实物仿真必将在战术导弹系统级、平台级、体系级的性能验证评估及作战试验演练领域发挥重要的作用。

审核编辑 ：李倩