军用仿真技术应用的现状与发展
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引 言
仿真技术是以控制，相似原理和计算技术为基础。以计算机和专用物理设备为工具，利用系统模型对实际(或设想)系统进行试验研究的一门综合技术。军用仿真技术是指应用于军事系统(武器研制、操作训练、作战训练) 和预演的仿真技术。
军用仿真技术可以有多种分类方法。按模型的类型，可分为连续系统仿真,离散(事件)系统仿真和连续/ 离散(事件)混合系统仿真。按模型的实现方式和手段,可分为数学仿真、物理仿真和半物理仿真。数学仿真是运用数学模型在计算机上进行的仿真, 包括在模拟机、数模混合机和数字机上仿真。物理仿真是用实体模型(物理效应模型) 或系统实际设备(实物)所进行的仿真。半物理仿真是指模型的一部分是数学模型,另一部分是实体模型或实物所进行的仿真。其中包含实物在内(硬设备在回路中) 的叫做半实物仿真(HILS),包含人员在内的叫做人在回路中的仿真(MILS)。
应用仿真技术对系统进行试验研究,先要建立系统模型和设计仿真试验方案。根据系统模型,利用仿真系统中的计算机和专用物理设备, 建立有效仿真模型。然后运行仿真系统,分析仿真试验结果，以达到对系统进行研究、设计、评价或利用仿真系统进行人员培训、作战预演等目的。
军用仿真技术研究范围主要有以下五个技术领域:
(1)仿真系统总体技术;
(2)仿真理论、方法与建模、验模;
(3)仿真计算机系统、仿真算法及软件;
(4)专用仿真设备;
(5)仿真试验与结果分析技术。
军用仿真技术是一门综合技术,较之理论和实际试验,具有可控、无破坏性、安全、允许多次重复、高效和应用广泛等特点。从国防到国民经济的各个领域。仿真技术的应用正获得日益明显的社会和经济效益。
当前, 军用仿真技术的发展有以下几点主要新动向。一是应用范围愈来愈广泛。从工程应用发展到非工程应用,从仿真用于设计决策深化到“设计仿真化”及“嵌入式仿真”;训练仿真器从飞机、舰艇, 遍及到电路、车辆和船舶驾驶。二是仿真已形成高技术产业。仿真计算机、仿真软件、各种专用仿真设备和训练仿真器等,在世界发达国家已形成了广泛的产品市场,已有了一支高技术产业力量。第三,仿真技术已成为国防和经济各领域技术发展的推动力。是军用、民用不可缺少的技术。第四,在技术上,并发一体化/智能化仿真环境、面向对象的建模仿真技术、智能仿真、嵌入式仿真、灵境技术等仿真技术的最新研究方向。仿真技术应用的重点,正在从武器系统研制扩展到操作人员训练和作战仿真,相应的高速图形技术、实时数字处理方法以及人机接口技术是有待突破的关键技术。
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军事仿真在国外的发展水平
2.1 影响仿真发展的客观条件
2.1.1 雄厚的工业基础
发达国家军用仿真技术具有雄厚的工业基础拥有先进的微电子技术、精密加工技术、传感技术和先进的材料技术以及与这些技术相配套的工业实体,为仿真计算机和仿真设备的研究与发展提供了优越的条件。国外从事仿真技术研究开发和设备生产的大小公司日益增多, 仿真技术已形成高技术产业，渗入到国防和国民经济的各个领域。
2.1.2 先进的计算机
计算机是仿真技术最重要的工具,70年代末研制出专用仿真数字计算机System-10和多种混合仿真计算机。80年代初又研制出了高性能的专用仿真数字计算机System-100,各国还研制出多种通用的巨型机和小巨型机,他们研制的并行计算机系统已达到每秒几百亿次浮点运算,上亿位数据传输的能力。这些都可用于一定领域的计算机仿真。他们还开发了多种连续、离散(事件)系统及其混合系统的高级仿真语言,建立了一体化的软件系统(如TESS)。
2.1.3 先进的仿真设备
国外各种专用仿真设备的研制生产已达到很高水平。美国可生产光、声、电等多种目标和背景特性的仿真器和适合于各种不同尺寸、不同动态特性和精度要求的高性能运动仿真器。美国、德国、法国和加拿大的运动仿真器, 美、英等国的视景仿真器也都达到了世界一流水平。国外在航空、航天和其它军事领域已有较成熟的建模与验模技术,面向对象的建模方法学已取得一定进展。一体化、智能化建模技术已开始研究和开发, 仿真所需的大气、天空、海洋背景和各种目标特性工程数据库方面也有广泛的研究成果。国外已出现许多从事仿真技术研究、仿真系统研制及仿真技术应用的专业单位, 具有代表性的有: 美国的波音公司、马丁公司、洛克威尔公司, 德国的MBB公司等。他们在精确制导武器仿真、作战仿真等方面各自都有突出的成就, 拥有先进的仿真系统, 集中了大批专业科技人员。例如波音公司负责建成的美国陆军高级仿真中心, 集红外、射频、光电三种目标和背景仿真系统于一体, 适用于多种型号导弹制导控制系统的仿真。
2.14足够的投资力度及政府的重视程度
发达国家对军用仿真技术研究的投资呈逐年增加的趋势,每年的投资都在几亿美元以上,并持续增长。在国防关键技术计划中军用仿真已被放在极其显著的位置。
2.2 决定军用仿真发展的关键技术
研究近两年来,仿真技术的发展十分迅速,下面就建模/验模、仿真软件、半实物仿真和人在回路中的仿真等关键技术的最新发展作扼要介绍。
2.2.1 建模与仿真的校核(Verification),验证(Validation) 和确认(Accreditation)
随着仿真技术在各类系统生命周期中起着日益重要的作用,关于建模与仿真的校核、验证及确认(VVA)的研究已成为仿真技术发展的重要课题。
目前,VVA的研究课题包括:
(1) VVA紧密集成到建模与仿真的全生命周期;
(2) VVA自动化;
(3)规格化、标准化; 建模与仿真概念模型的定义方法与有效性检验方法等。
2.2.2仿真软件
仿真软件是支持仿真项目全生命周期中各项活动的一类软件。四十余年来,仿真软件经历了过程性程序设计语言、初级仿真语言、高级仿真语言及建模/仿真环境等发展阶段。近年来, 随着建模/仿真方法学及技术的发展, 以及计算技术、系统工程技术及人工智能技术等对建模/仿真技术的渗透与影响,“建模/仿真环境” 更得到了很快的发展.主要研究重点:
(l)建模/仿真全过程的一体化集成;
(2)并发仿真工程模式;
(3)环境接口可视化、多媒体化、灵境( Virtual Reality) 化;
(4)面向对象的建模/仿真方法学;
(5)仿真全生命周期内采用各种改善接口及辅助决策的人工智能( AI) 技术。此外,定性建模技术及方法学正引起重视;
(6)采用基于分布、开放的计算机平台。
2.2.3 半实物仿真和人在回路中的仿真半实物仿真( Hardware –In-Loop simulation)和人在回路中的仿真( Man-In-Loop Simula tion) 是武器系统仿真的两种主要形式。半实物仿真要求建立为各种传感器测量所需要的物理环境(例如,用三轴转台模拟飞行器的角运动)。人在回路中的仿真要求建立飞行员、宇航员、操作人员所感受的视觉、动感、听觉、触觉等物理环境(例如,用计算机图像生成系统产生驾驶舱外的景象)。
(1)半实物仿真在导弹制导系统半实物仿真技术方面,目前美国陆军的高级仿真中心(ASC)仍然代表着世界上最先进的水平。ASC 包括两个毫米波仿真实验室,一个红外成像制导仿真实验室, 两个射频仿真实验室, 和一个武器系统仿真实验室。目前大部分工作已完成。1990 年建成了第一个可用于主动式毫米波寻的制导仿真实验室(代号MMI), 该系统包括8毫米及3毫米两个波段。暗室尺寸为32英尺(宽)×30英尺(高)×48 英尺(长) 。1992年它具备毫米波/红外复合制导仿真能力。目标阵列形式为六角形小面阵加水平线阵。该系统主要用于研究地面坦克或装甲车的仿真,可以进行强杂波环境下的复杂目标仿真。目前美国ASC正在建设第二个规模更大的毫米波仿真实验室(代号MM2)暗室尺寸为4英尺(宽)×52 英尺(高)×52英尺(长)。具有两个信号通道。它可供“爱国者”防空导弹的毫米波精确制导仿真使用。该系统的最大特点是大大增强了对毫米波目标成像(延伸目标)的仿真逼真度。为此,采取了一系列新技术,其中包括数字式射频存储技术(DRFM), 宽带数字正交调制技术(WDQM)以及目标阵列的复加权控制技术。为了保证仿真模型的逼真度,其目标仿真计-算机系统具有很强的实时运算能力。它是一个以VME总线为基础,由多个高速处理器组成的阵列计算机系统, 仅就提供一个目标通道使用的分支系统而言, 由12个处理器节点组成.每个节点上有一块Intel i86O 处理器,每个1860的处理能力为80～100MFLOPS。计算机的一个分支系统的处理能力为l000MFLOPS 。
国际上光学成像制导仿真已从沙盘结构、实体模型过渡到以CI G为核心的成像仿真体制,从近期有限的国外资料报导来看,以美国马丁·马丽埃塔公司研制的红外成像制导仿真系统(AGSL) 最具代表性。
(2)人在回路中的仿真
飞行模拟器是典型的人在回路中仿真系统。飞行模拟器是飞机、飞船设计研制必不可缺的设备, 也是飞行员、宇航员训练必不可缺的设备。飞行模拟器由仿真计算机、飞行动力学模型及武器系统模型、环境仿真三大部分组成。仿真系统实时运行,帧周期为10～50毫秒。
近年来,飞行仿真技术发展迅速,其目标是提高仿真(特别是建模) 的置信度和精度、复杂大系统仿真、仿真结果的有效处理与综合显示，AI技术及VR技术的应用等。
人在回路中的仿真有如下新技术:
① 飞行仿真器网络
仿真器网络在80年代初期出现,早期的网络采用分布式处理机和共享内存的方法。这种系统存在某些不足,首先它要求相同的计算机硬件和软件。其次，采用共享内存很难达到系统同步。反射式内存增加了仿真器网络的灵活性,反射式内存可使网上的仿真器自主地完成各自的功能。
80年代中期,SIMNET(Simulator Net-working) 使仿真器网络进一步模块化,使网络通讯减至最小程度,而且是信息异步传输,只有仿真的状态有变化时才传递信息。
② 分布式交互仿真( DIS:Distrbuted Interactive Simulation)分布式交互仿真以网络为基础, 包含多个武器平台和各种环境的交互作用。
随着技术的发展, 提高仿真的逼真性和有效性应实现各武器平台之间、武器平台与环境之间的交互作用,即其中任何一个元素的变化和动作都对其它元素产生影响,称为全交互作用( Fully-Interactive)。这种数学模型的建立是相当复杂的,其中应考虑各个元素的不同座标系之间的转换, 信息通讯管理是关键. 应采用推算方法消除传输延迟。
DIS 取决于某些核心技术:
高速并行和分布机式计算机;
计算机图形和动画;
灵境(VR)技术和特殊效应模拟;
网络和远距离通讯技术;
人工智能技术;
面向目标仿真的体系结构;
自动智能建模方法和工具。
DIS将扩大仿真技术的应用领域,除武器系统、军事系统外, 可应用于教育、医学、娱乐等各种领域。
③ 灵境( 又称“虚拟现实”Virtual Reality )技术
“虚拟现实”有时称为“虚拟环境”(Virtual Reality)或“虚拟世界”(Virtual World)。有的定义为部分或全部由计算机生成的多维经验,由参与人员接受后认识客观事物。实际上, 它是一种特殊设计的信息数据库。利用这些数据描述二维或三维的图形图像, 构成三维的“ 虚拟世界” 。飞行员、宇航员、士兵在这种虚拟环境中有身临其境的真实感。除模拟视觉外, 还有模拟音响、模拟触觉等。这种多媒体技术在飞行模拟器中早有应用。若建立一个直径为10～20 米的圆球训练空间, 具有360°的高质量三维图像,配以高质量的立体音响,则将是一个非常真实的作战模拟环境。V R 技术应用于武器系统仿真有许多优点:
操作员与战术指挥员在同一个虚拟环境中;
可以选择任意的观察点;
允许各种飞行器重新布局;
气象条件的任意设置;
用户可用数字地图数据规定地形;
用户可以建立图形图像库。
VR 技术是一种新的和强有力的训练工具。目前VR 技术仍受到计算机硬件和软件的限制, 若计算机处理信息的速度更快些,VR 技术将能完成更多的功能。
2．3 目前的发展与对未来的预测
1995年前后, 国外仿真技术将实现战场模拟与作战管理相结合, 提供一种试验和评价的方法; 扩大人工智能和基于知识库的技术在显示生成技术中的应用,提供良好的人机接口; 形成面向对象的连续、离散( 事件) 系统及其混合系统的建模方法; 建立一体化的建模与仿真环境;更广泛地研究和建立各种目标和背景模型及其工程数据库;结果的显示记录更加直观化;智能化图像生成技术和多媒体仿真系统投人使用;通用并行计算机系统达到每秒万亿次浮点运算.10亿位数据传输能力,可以为更复杂的系统仿真服务;研制出支持实时运算的操作系统和并行分布式操作系统。
2000年前后,发达国家将出现验证C3I系统的仿真工作站;应用以知识库为基础的仿真技术,设计复杂仿真系统;极大地减少训练和人机系统设计费用;实现实时仿真人机系统的一体化;由目标驱动的综合背景仿真实现自动目标识别;智能化建模与验模技术达到实用水平;实现自动参数辨识;用多种媒体综合、直观地显示各种有用信息;并行计算机系统达到每秒百万亿次浮点运算千亿位数据传输能力;出现规模可变的计算机体系结构及相应配套的算法、软件工具和语言。
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国外仿真技术在导弹武器系统上的应用
3.1概述
战术导弹的各种地面试验，就广义来说，都是属于仿真技术领域。如气动模型的风洞试验,即是模拟导弹在空中的气动特性;弹体结构的静、动、热强度试验，即是模拟导弹在空中环境下的气动加热和承载特性;发动动机的高空模拟试车,即是模拟空中飞行条件下,发动机的工作特性;制导系统的实物或半实物仿真试验,即是模拟导弹制导系统的动态特性等。上述仅是导弹各分系统的仿真技术,近十多年来,由于现代数模混合计算机技术的发展,极大地促进了仿真技术的发展,若将各分系统的仿真技术有机地组合起来,就可进行导弹武器系统地面模拟打靶。因此，现在所讨论的仿真技术主要是指导弹武器系统及其探测和控制系统的仿真技术。
仿真技术在战术导弹发展初期就引起了人们的重视。如英国在“整犬”(Blood hound)地空导弹研制过程中,专门成立了一个仿真委员会,负责协调各分系统及导弹武器系统的仿真工作。第1台动态仿真试验台是在1943年至1945年由美国麻省理工学院(MIT)伺服机构实验室制成。当时是为了设计滑翔式火箭的自动导引系统而提出和研制的。在60年代末和和70年代初，仿真技术在导弹研制中得到了更加广泛的应用。现在，仿真技术已成为导弹研制过程中一项必备的试验手段。现代的导弹系统日趋复杂,完成试验所需费用急剧增加。据据不完全统计,有的导弹系统的试验费用比战术导弹发展初期要高30～50倍,因而资金的利用率降低。这是导弹研制者面临的亟需解决的难题。仿真技术提供了解决这个难题的一种可行的低成本的方法，并从而成为一种有价值的设计、分析和性能鉴定的重要工具。它已是任何复杂导弹武器系统研制计划的重要组成部分分。随着数模混合计算机在技术上的日趋完善和目前的经济状况的要求,将更多依靠仿真技术作为导弹飞行试验的补充手段。同时,还广泛地应用于导弹武器系统的方案论证、预先研究、研制生产及批量生产和改进改型等各个阶段。据国外某些导弹系统的不完全统计，采用仿真技术后，可以使导弹飞行试验的次数减少30%～60%、节省10%～40%的研制经费,研制周期缩短30%～40%的。建立一个仿真中心的费用大约为2000万美元。因此,只要使用若干次就可以补回成本。
英国宇航公司为“海鹰”导弹建立相应的仿真实验室(投资700多万英镑),使实弹飞行试验由20发减少到6发;法国宇航公司依靠仿真设备,使自已的反舰导弹处于世界的领先地位，从1974年至1978年共进行过1000次以上的的“飞鱼”仿真试验。
3.2仿真技术在战术导弹研制中的应用
(1)进行导弹的制导回路分析，从系统的准确度观点出发选择最优的参数。
(2)进行导弹的全弹仿真试验。研究导弹飞行性能和交叉耦合,以及控制系统和个别元件的动态特性。
(3)对飞行试验进行故障分析,并研究和指导飞行靶试。
(4)将地面模拟打靶与空中飞行试验结合起来对导弹武器系统进行全面鉴定。
(5)进行导弹武器系统的战术应用研究,包括扩大杀伤区研究。
(6)对导弹武器系统的可靠性和寿命进行研究。
总之，随着武器系统的复杂化以及军用仿真技术的发展,军用仿真技术在导弹武器系统研制中的作用和地位越来越重要,越来越不可少。而且应用的广度和深度日益增大：控制系统设计中的数学仿真、半实物仿真和实物仿真、扩展到控制系统产品的验收交付;从部件仿真试验到全弹仿真试验,从地面仿真试验到飞行仿真试验。可以看出，仿真试验对方案论证、初步设计、技术设计、样机生产、产品交付、飞行试验、定型及改型、寿命分析、可靠性试验等，都是一种切实有效的手段。
4
结 论
军用仿真是现代科学事业上一项十分关键的科学技术领域。尤其在国防工业中，其应用和发展所起到的巨大作用已经被各国领导人及工程技术人员所认识。军用仿真技术涉及范围相当广阔,在战术导弹技术领域中已得到广泛的应用,不仅带来巨大的经济价值、技术价值、社会价值, 而且对缩短研制周期、培训作战人员、模拟那些飞行实验无法实现的环境等方面起到了至关重要的作用。了解军用仿真技术在国外的应用和发展,期望引起对军用仿真技术的再认识。对军用仿真技术在各国发展情况进行比较, 取他人之长, 补己之短。我国的军用仿真技术应该迎来大力发展的新阶段。
#The End #
作者：耿云海 井卫东 染泽威 杨涤
来自：哈尔滨工业大学
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