[科普中国]-导弹系统仿真试验

导弹系统仿真试验(missile system simulation test)简称仿真。用于导弹系统研制、发展、运用的仿真试验。它以相似原理、控制理论和计算机-信息技术为基础，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导弹系统或弹上分系统(例如其控制系统和制导系统)进行动态实验研究。

简介导弹系统仿真试验(missile system simulation test)简称仿真。用于导弹系统研制、发展、运用的仿真试验。它以相似原理、控制理论和计算机-信息技术为基础，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导弹系统或弹上分系统(例如其控制系统和制导系统)进行动态实验研究。

它是一门综合性技术。按其实现方法可分为数学仿真、半实物(或半物理)仿真和全实物(或全物理)仿真，如图。由于具有安全、可重复、灵活、经济、高效率、保密、可研究作战应用、仿真极限性能等多种优点，它在导弹发展论证、研制、定型与运用的全寿命周期中具有重要作用1。

发展概况20世纪80年代以来，随着世界范围内冷战的结束，各国政府纷纷把投资重点转向经济建设，大量削减经费，与此同时随着技术基础的发展和提升，武器的复杂程度越来越高。军事演习和试验不仅受到政治因素的限制，同时受到经济条件的约束。发展系统仿真技术就是一个很好的解决措施。在导弹武器系统研制中所采用的技术越来越先进，需要越来越多的试验来验证导弹的性能，尽管飞行试验可以获得最真实的导弹性能数据，但由于经费的限制、环境条件的限制，不可能通过发射大量昂贵的导弹来获得所需的全部数据，也不可能获取全部试验条件下的实际数据，为此人们使用了更经济的其他试验技术，如仿真技术等。据介绍，20 世纪90年代在国外战术导弹的研制中80% 的数据来源于仿真试验，长弓“海尔法”空地导弹甚至用半实物仿真试验代替飞行试验进行产品验收。

但是与国外相比，我国的仿真水平，还存在很大的差距。主要体现在以下方面：

（1）缺乏先进的设备；

（2）模型还不够丰富，缺乏仿真技术标准和标准化的仿真软件，仿真模型不能重复使用，造成低水平的重复劳动；

（ 3 ） 模型和仿真的校核、验证与鉴定（V V & A ）技术相对落后。

建立数学模型应用仿真技术的核心是系统的模型化问题，模型是仿真的基础和前提，只有将现实的事物抽象为数学模型，才可以进行数学仿真、半实物仿真。建立数学模型是仿真工作中一项重要基础和复杂繁锁的工作。在反坦克导弹的仿真系统开发中，根据此类产品的特点，将仿真系统开发成为一个开放系统，将空地导弹中使用的数学模型进行模块化分解，并分模块地开发成为通用的数学模型。如：弹体运动模型、目标与环境特性模型。同时对开发软件的计算机语言也做了一定范围的限制。这样有利于仿真模型及其软件的通用化，提高仿真的复用率。

型号仿真的校核、验证与认证可信度是仿真的生命，建立正确、可靠、有效的仿真模型是保证仿真结果具有较高可信度的关键和前提。为此模型和仿真的校核、验证与认证（VV&A）的理论与方法一直受到国内外的高度重视， 模型和仿真的校核、验证与认证（VV&A）是提高仿真置信度的重要方法。

模型和仿真的校核工作的主要途径是校核。实践证明，在仿真系统的开发中编制文档是重要的方面，我们借鉴硬件的开发经验，对仿真文档的编制、校核、标准化审查、批准也进行了有关规定，取得了很好的效果。

模型和仿真验证所采用的方法是将仿真系统的输出与真实系统的试验结果相比较，然后运用统计检测，判断两数据之间的一致性。就统计检测而言，仿真系统的输出可分为静态数据和动态数据，导弹的落点误差、命中概率等是静态的，而飞行中的特性参数，如速度、俯仰角、偏航角、舵偏角、系统增益等参数都是动态的。静态参数与真实系统的一致性的验证是不困难的，数理统计中的相容性检验方法均可以采用。如：Smirnov检验、秩和检验。动态数据以时间序列的形式来表示，为了比较时间序列的一致性，已有较多的方法。分析的方法可以在时域进行，也可以在频域进行，如：Theil不等式系数法和时序模型比较法。在具体研制工作中，可以根据需要选用。

导弹系统仿真的可信性对仿真的不同过程,需用不同的指标来衡量其可信性,评估这种指标的手段也不尽相同,一般地说,包括以下四个方面:

( 1)概念性描述与抽象过程: 包括概念建模、仿真设计、数学建模和物理效应建模。其可信性意义在于所得概念性模型(包括概念模型、仿真大纲、数学模型和物理效应模型)是否“有资格”代表研究对象。一般地说,对这些过程难以使用某种客观的指标来衡量其可信性,通常只能进行主观定性评价,称作“资格认可( Qualification)”;

( 2)仿真实现过程,包括计算机实现,物理实现和系统集成。其可信性意义在于所得实现性模型(包括数学仿真模型、物理仿真模型和仿真系统)是否正确地表达了相应的概念性模型。对这些过程的可信性除可以通过对仿真实现过程的分析来定性地加以评价外,还可能进行定量的精度分析,即先对仿真实现过程中的误差源进行分析并建立误差模型,然后分析这些误差在相应的实现性模型中引起的误差。这一类可信性评估工作统称为“正确性校核(Verification)”;

( 3)仿真试验过程包括程序测试、物理测试和仿真试验。此时可用得到的结果(包括程序测试结果、物理测试结果和仿真结果)与理论结果或其它试验结果之间的一致性作为衡量相应的实现性模型的可信性的指标。此时的可信性评估方法就是进行结果比较,根据各种结果的种类和性质不同可选用不同的比较方法,包括定性比较和定量比较,统称为“有效性验证(Validation)”;

( 4)所有仿真过程及相应的可信性评估步骤完成后,还需接受由各方面专家组成的权威机构对其进行验收。这也是可信性评估的一个重要方面,称为“可接受性确认( Accreditation /Certification)”1。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所