武器毁伤效能评估综述及系统目标毁伤效能评估框架研究_黄寒砚.pdf

1、第 30 卷 第 3 期2009 年 5 月 宇 航 学 报Journal of AstronauticsVol. 30May No. 32009武 器 毁 伤 效 能 评 估 综 述 及 系 统 目 标毁 伤 效 能 评 估 框 架 研 究黄 寒 砚 , 王 正 明(国 防 科 学 技 术 大 学 数 学 与 系 统 科 学 系 , 长 沙 410073)摘 要 : 从 毁 伤 效 能 评 估 的 研 究 概 况 入 手 ,引 出 了 基 于 V/ L 分 层 法 的 毁 伤 评 估 研 究 框 架 。 针 对 典 型 目 标 ,围绕 战 斗 部 和 目 标 的 建 模 ,从 弹 目 初 始

2、 交 互 到 部 件 破 坏 状 态 、 再 到 目 标 工 程 性 能 度 量 和 目 标 作 战 性 能 度 量 的 各 种 映射 算 子 的 获 取 ,以 及 所 需 要 的 试 验 和 信 息 三 个 方 面 ,系 统 的 论 述 了 毁 伤 评 估 的 方 法 体 系 。 并 指 出 映 射 O1 ,2 的 获 取是 当 前 研 究 最 薄 弱 ,也 是 最 关 键 的 问 题 ,利 用 试 验 设 计 规 划 各 类 试 验 是 一 种 有 效 的 解 决 途 径 。 最 后 将 V/ L 分 层 法向 系 统 目 标 拓 展 ,提 出 了 系 统 目 标 毁 伤 效 能 评 估

3、的 研 究 框 架 和 研 究 思 路 。关 键 词 : 毁 伤 效 能 ; V/ L 分 层 法 ; 降 阶 态 ; 毁 伤 树 ; 系 统 目 标中 图 分 类 号 : TJ012. 4 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :100021328 (2009) 0320827210DOI:10. 3873Pj. issn. 100021328. 2009. 00. 002收 稿 日 期 :2008205212 ; 修 回 日 期 :2008211216基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 (60604020)0 引 言目 标 易 损 性 / 战 斗 部 威 力 (V/ L)

4、 研 究 一 直 为 各国 武 器 装 备 的 设 计 者 和 使 用 者 所 关 注 ,任 何 一 类 目标 的 易 损 性 是 指 针 对 特 定 的 攻 击 武 器 ,在 某 一 弹 目交 互 情 况 下 ,该 目 标 对 毁 伤 的 敏 感 性 的 评 估 ,而 任 何一 类 攻 击 型 武 器 系 统 的 威 力 ,则 是 指 一 定 弹 目 交 互情 况 下 ,该 武 器 系 统 对 其 所 攻 击 的 目 标 所 产 生 的 破坏 效 果 的 评 估 。 易 损 性 和 威 力 两 个 术 语 分 别 从 防 御和 进 攻 这 两 个 不 同 的 角 度 诠 释 了 同 一 物

5、理 过 程 。 本文 中 ,毁 伤 效 能 评 估 与 V/ L 研 究 工 作 等 价 。武 器 毁 伤 效 能 评 估 是 综 合 考 虑 战 役 战 术 目 的 、战 场 环 境 、 火 力 力 量 、 目 标 性 质 等 因 素 ,对 实 际 毁 伤效 果 进 行 综 合 分 析 和 评 定 的 过 程 。 毁 伤 效 能 评 估 的相 关 研 究 活 动 很 多 ,包 括 :战 斗 部 和 目 标 的 描 述 ;毁伤 情 况 的 度 量 ;武 器 战 技 指 标 对 毁 伤 效 果 的 影 响 ;战场 修 复 ;等 效 试 验 研 究 ;V/ L 分 析 的 建 模 与 仿 真 ;毁

6、伤 评 估 数 字 仿 真 平 台 等 等 。 这 些 活 动 涵 盖 了 毁 伤 评估 的 试 验 技 术 、 建 模 与 仿 真 技 术 、 毁 伤 度 量 与 定 量 计算 、 毁 伤 效 能 优 化 等 各 个 方 面 的 内 容 。为 有 效 地 完 成 毁 伤 试 验 鉴 定 的 任 务 ,有 必 要 规范 评 估 任 务 和 活 动 。 Deitz1 指 出 武 器 对 目 标 的 毁 伤效 果 可 以 从 三 个 角 度 描 述 : (1) 对 目 标 的 物 理 毁 伤 ;(2) 目 标 功 能 的 丧 失 ; (3) 作 战 能 力 的 减 退 。 因 此 ,相 关 的 问

7、 题 有 :上 述 广 泛 开 展 的 研 究 活 动 描 述 了 那种 角 度 的 毁 伤 效 果 或 为 描 述 毁 伤 效 果 做 了 那 些 贡献 ,以 及 相 关 的 信 息 来 源 等 。 下 文 将 从 毁 伤 效 能 评估 的 研 究 框 架 入 手 ,围 绕 这 些 问 题 来 论 述 毁 伤 效 能评 估 的 方 法 体 系 。1 研 究 概 述1. 1 研 究 历 史武 器 毁 伤 效 能 的 研 究 可 以 追 溯 到 第 一 次 世 界 大战 结 束 不 久 ,在 开 展 武 器 弹 药 对 目 标 毁 伤 效 果 的 研究 时 ,出 现 了 一 个 新 的 趋 势

8、即 将 毁 伤 效 果 进 行 定 量化 描 述 2 。 但 直 到 1940s 中 期 ,才 提 出 了 易 损 性 的概 念 以 及 对 V/ L 开 始 进 行 系 统 化 的 研 究 。 严 格 的讲 ,正 式 的 V/ L 分 析 始 于 1945 年 由 APG开 展 的 机载 武 器 弹 药 系 统 的 最 优 口 径 计 划 3 。 这 项 研 究 计 划开 创 了 美 国 弹 道 研 究 所 (BRL) 对 目 标 易 损 性 进 行 全面 分 析 研 究 的 先 例 。 到 目 前 为 至 ,目 标 易 损 性 研 究几 乎 包 括 了 战 场 上 所 有 的 目 标 和

9、现 有 武 器 弹 药 系 统所 能 产 生 的 毁 伤 机 理 ,同 时 在 理 论 建 模 方 面 ,也 取 得了 较 大 的 进 展 。1. 2 计 算 与 评 估 软 件毁 伤 效 能 的 计 算 及 评 估 研 究 始 于 二 战 后 ,一 直以 来 ,易 损 面 积 AV 和 毁 伤 概 率 Pk 都 被 证 明 是 非 常有 效 的 易 损 性 度 量 指 标 4 ,早 期 的 计 算 工 作 也 主 要围 绕 二 者 的 建 模 和 计 算 而 展 开 ,也 开 发 了 很 多 程 序和 软 件 。 如 美 国 的 ARL 及 BRL 两 大 军 方 实 验 室 开发 的 针

10、对 典 型 目 标 的 VAREA (易 损 面 积 计 算 代 码 ) 、COVART5 , VAST6 。 荷 兰 的 TNO 实 验 室 开 发 的TARVAC , MISVAC , MISDAC 等 7 。 1992 年 , Klopcic等 8 提 出 了 易 损 性 分 析 的 数 学 框 架 V/ L 分 类法 ,为 促 进 基 于 V/ L 分 类 法 的 评 估 工 作 的 开 展 ,Hanes 等 9 开 发 了 MUVES(基 于 Unix 的 标 准 组 件 易损 性 估 计 包 ) ,为 相 关 评 估 方 法 提 供 了 一 个 通 用 的 操作 环 境 。 另 一

11、 方 面 , Grimes 开 发 了 易 损 性 数 据 可 视化 程 序 VISAGE10 ,来 显 示 毁 伤 树 的 数 据 并 可 以 对目 标 描 述 进 行 编 辑 ,BRL 开 发 了 几 何 建 模 系 统 BRL- CAD11 ,12 。尽 管 上 述 方 法 的 好 坏 众 说 纷 纭 ,其 中 很 多 已 被淘 汰 ,但 勿 庸 置 疑 ,它 们 都 是 毁 伤 评 估 史 上 很 重 要 的一 部 分 。 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ,从 目 标 毁 伤 的 终点 毁 伤 效 应 、 机 理 ,到 评 估 方 法 和 评 估 分 析 程 序 、 计算 机

12、仿 真 技 术 等 都 将 得 到 进 一 步 的 发 展 。2 基 于 V/ L 分 层 法 的 毁 伤 效 能 评 估 研 究 框 架导 弹 对 目 标 的 毁 伤 是 一 个 极 为 复 杂 的 过 程 ,它涉 及 到 被 攻 击 目 标 的 性 能 、 结 构 特 性 参 数 以 及 武 器弹 药 的 有 关 性 能 参 数 ,同 时 也 与 它 们 的 相 互 作 用 过程 有 关 。 为 了 将 易 损 性 研 究 过 程 中 错 综 复 杂 的 关 系清 晰 明 确 地 表 示 出 来 ,经 过 众 多 学 者 多 年 的 探 索 研究 ,Ozilin 和 Deitz13 在 8

13、0 年 代 末 提 出 了 易 损 性 分 析空 间 的 概 念 ,他 们 将 易 损 性 分 析 过 程 划 分 为 四 个 层次 :空 间 1 为 弹 目 交 汇 初 始 参 数 空 间 ;空 间 2 为 部 件破 坏 状 态 ;空 间 3 为 目 标 工 程 性 能 度 量 ;空 间 4 为 目标 作 战 性 能 度 量 。并 用 映 射 O1 ,2 , O2 ,3 , O3 ,4 表 示 了 空 间 之 间 的 转 换关 系 ,易 损 性 分 析 的 目 标 就 是 获 得 空 间 3 或 空 间 4 的状 态 。 这 一 概 念 的 提 出 ,不 仅 能 将 复 杂 的 易 损 性

14、分 析过 程 表 述 清 楚 ,而 且 直 截 了 当 地 阐 明 了 易 损 性 研 究 的任 务 。 在 此 基 础 上 ,Deitz , Klopcic ,Starks 和 Walbert8用 “ 层 面 ” 替 代 “ 空 间 ” 的 概 念 ,并 开 始 了 V/ L分 层 法 数学 框 架 的 研 究 。 Ruth 和 Hanes14 引 入 了 时 间 的 概 念 ,进 一 步 完 善 了 V/ L分 类 法 的 处 理 框 架 。总 体 而 言 ,V/ L 分 析 的 框 架 研 究 朝 两 个 方 向 进 行 :一 是 以 Walbert 为 首 的 关 于 V/ L 分 类

15、 法 的 数 学框 架 的 研 究 ,以 增 强 该 方 法 的 理 论 性 。 如 Walbert15 给 出 了 易 损 性 向 量 空 间 ,并 引 入 了 距 离 概 念 ,来 数 学规 范 了 一 些 常 用 的 毁 伤 评 估 工 具 。 但 是 ,该 方 面 的研 究 相 对 较 少 。另 一 个 更 为 广 泛 的 研 究 则 是 将 分 类 法 的 内 涵 和外 延 进 一 步 拓 展 ,主 要 表 现 为 向 目 标 生 存 能 力 和 武器 效 能 评 估 的 相 关 活 动 进 行 拓 展 。 即 从 目 标 毁 伤 的前 因 (水 平 0 , - 1 , - 2 ,

16、) 和 后 果 (水 平 5 ,6 , ) 两方 向 拓 展 ,并 根 据 评 估 需 要 ,赋 予 了 原 易 损 性 层 面 新的 意 义 。 如 增 加 层 面 0 ,表 示 武 器 和 目 标 初 始 想 定 ,形 成 5 层 结 构 。 但 是 ,过 多 的 向 后 拓 展 势 必 会 模 糊V/ L 处 理 过 程 最 基 本 的 逻 辑 结 构 , Klopcic16 提 出 将这 种 5 层 的 V/ L分 类 结 构 作 为 效 能 评 估 的 通 用 过程 ,对 复 杂 的 问 题 ,通 过 分 析 划 分 为 多 个 V/ L分 类块 ,并 将 前 因 的 层 次 4 作

17、 为 下 一 块 的 层 次 0 ,从 而 形成 一 种 链 状 分 析 过 程 ,为 与 其 它 拓 展 V/ L分 类 法 区别 , Klopcic 将 该 处 理 过 程 定 义 为 KSW 过 程 。 类 似的 ,Deitz 和 Sheehan17 将 整 个 武 器 系 统 效 能 看 作MoEs ,将 与 作 战 使 命 相 关 的 任 务 看 作 MoPs ,将 子 系统 看 作 武 器 体 系 (系 统 的 系 统 ) 的 层 次 1 ,并 通 过 映射 获 得 组 合 层 面 2 ,3 ,4 ,从 而 构 建 了 武 器 系 统 效 能评 估 的 框 架 。 Roach18

18、则 提 出 了 战 场 毁 伤 修 复 方 法 ,该 方 法 在 常 规 V/ L处 理 过 程 中 层 面 2 处 引 入 修 复 映射 ,进 一 步 拓 展 了 V/ L处 理 框 架 。 常 规 V/ L分 析 为 自顶 向 下 的 处 理 过 程 ,自 底 向 上 的 映 射 过 程 则 提 供 了一 种 效 能 分 解 方 法 。上 述 两 个 方 向 的 深 入 研 究 进 一 步 完 善 和 清 晰 了V/ L分 类 法 的 理 论 结 构 ,使 得 V/ L 分 类 法 不 仅 成 为一 个 分 析 评 估 过 程 ,也 成 为 了 一 个 重 要 的 信 息 管 理工 具 。

19、 尽 管 V/ L 分 类 法 的 功 能 越 来 越 强 大 ,其 作 用已 突 破 威 力 / 易 损 性 分 析 的 初 衷 ,但 是 其 最 重 要 的 作用 仍 然 是 将 毁 伤 效 能 评 估 中 各 种 信 息 、 各 种 算 子 、 各种 角 度 的 毁 伤 度 量 等 关 系 纳 入 数 学 分 析 的 体 系 下 ,图 1 给 出 了 一 种 6 级 层 次 法 1 ,从 中 可 以 了 解 毁 伤效 能 评 估 中 的 各 种 关 系 。其 中 ,各 种 层 面 的 意 义 为 :层 面 - 1 :确 定 是 否 开 火 的 物 理 参 数 。层 面 0 :战 斗 部

20、发 射 的 初 始 条 件 。828 宇 航 学 报 第 30 卷层 面 1 :武 器 弹 药 及 其 所 攻 击 目 标 的 特 性 参 数以 及 所 有 可 能 的 弹 目 交 汇 情 况 。 其 中 的 每 一 点 代 表某 一 特 定 弹 目 交 互 的 初 始 参 数 ,包 括 弹 药 的 命 中 点 、方 位 等 与 弹 目 交 汇 有 关 的 参 数 。层 面 2 :部 件 破 坏 状 态 ,表 示 弹 目 相 互 作 用 后 ,目 标 遭 到 破 坏 的 物 理 状 况 。 因 此 层 面 2 是 物 理 空间 ,其 中 的 每 个 点 表 示 一 个 部 件 破 坏 向 量

21、。层 面 3 :目 标 工 程 性 能 度 量 MOPs (Measurementof Performances) ,度 量 由 于 要 害 部 件 的 破 坏 造 成 的 目标 某 些 工 程 性 能 的 损 失 。层 面 4 :目 标 作 战 性 能 度 量 MOEs (Measurementof Effectiveness) 。图 1 6 层 V/ L 分 类 法 框 架 结 构Fig. 1 Framework of V/ L taxonomy with 6 levels图 1 中 的 各 个 向 下 的 箭 头 代 表 这 几 个 空 间 之 间的 变 换 关 系 ,其 中 :O1 ,

22、2 由 弹 目 初 始 交 互 条 件 得 出 部 件 的 物 理 破 坏情 况 ,可 以 预 计 ,即 使 对 于 空 间 1 的 同 一 个 点 ,空 间2 也 会 有 不 同 的 点 与 之 相 对 应 。 因 此 ,从 数 学 意 义上 说 , O1 ,2 不 是 一 一 映 射 。O2 ,3 将 部 件 破 坏 状 况 映 射 到 目 标 工 程 性 能 的 损失 上 。 由 于 对 不 同 的 目 标 或 不 同 的 作 战 任 务 ,使 用者 所 关 心 的 性 能 有 很 大 差 别 ,所 以 该 空 间 包 含 许 多性 能 子 空 间 。 根 据 定 义 , O2 ,3 为

23、 多 对 一 的 映 射 。O3 ,4 将 工 程 性 能 的 损 失 映 射 到 作 战 性 能 的 损 失 上 。O- 1 ,0 确 定 是 否 开 火 ,以 及 战 斗 部 的 发 射 条 件 。O0 ,1 导 出 弹 头 散 布 的 统 计 分 布 。从 图 1 中 可 以 看 出 ,毁 伤 评 估 相 关 工 作 者 的 研究 任 务 范 围 ,无 论 是 威 力 评 估 还 是 易 损 性 分 析 ,其 核心 都 是 层 面 1 到 层 面 4 的 转 换 过 程 ,其 最 终 目 标 都是 要 获 得 层 面 3 和 层 面 4 的 状 态 。 因 此 V/ L 分 层 法明 确

24、 了 毁 伤 效 能 评 估 的 任 务 ,清 楚 的 区 分 了 毁 伤 、 能力 、 效 能 的 度 量 ,各 种 模 型 、 数 据 、 信 息 的 用 处 ,奠 定了 V/ L 研 究 的 框 架 。3 模 型 与 映 射 算 子层 面 1 到 层 面 4 的 转 换 过 程 是 毁 伤 效 能 评 估 的核 心 ,通 常 情 况 下 ,层 面 0 的 状 态 是 已 知 的 ,根 据 精度 分 析 的 结 论 可 以 得 到 层 面 1 的 状 态 。 如 果 能 找 到层 面 1 到 2、 层 面 2 到 3 或 4 之 间 的 变 换 关 系 ,也 即能 将 各 个 箭 头 用

25、数 值 计 算 或 经 验 公 式 表 示 ,便 可 获得 层 面 3 和 层 面 4 的 状 态 ,从 而 完 成 评 估 的 任 务 。下 面 将 围 绕 层 面 1 的 建 模 , O1 ,2 、 O2 ,3 、 O3 ,4 映 射 算 子的 获 取 方 法 以 及 信 息 来 源 来 详 细 介 绍 毁 伤 评 估 工 作的 现 状 。3. 1 基 本 模 型层 面 1 描 述 了 弹 目 交 互 初 始 条 件 ,包 括 目 标 的描 述 和 战 斗 部 射 击 线 描 述 ,目 标 的 描 述 又 包 括 几 何形 状 描 述 和 功 能 结 构 描 述 两 个 部 分 。3. 1

26、. 1 目 标 几 何 建 模几 何 建 模 是 V/ L 分 析 的 基 础 ,事 实 上 ,目 标 的几 何 建 模 就 是 应 V/ L 分 析 的 需 求 产 生 的 ,而 V/ L 分析 发 展 过 程 产 生 的 需 求 也 促 成 了 几 何 建 模 工 作 的 不断 革 新 。 目 标 的 几 何 建 模 主 要 有 两 种 学 派 3 :一 是将 部 件 看 作 立 方 体 ;一 是 采 用 平 面 模 型 来 描 述 目 标 ,即 射 线 网 格 法 。 早 期 的 目 标 描 述 就 是 通 过 射 线 网 格来 完 成 的 ,但 是 这 种 平 面 模 型 只 能 评

27、估 在 网 格 图 中的 部 件 的 毁 伤 。 为 克 服 这 些 不 足 直 接 导 致 了 目 标 三维 几 何 建 模 研 究 的 产 生 。 1967 年 ,美 国 应 用 数 学 协会 (MAGI)提 出 了 用 组 合 立 体 几 何 技 术 (CSG21 ) 来表 示 几 何 信 息 。 美 国 BRL 经 过 大 约 40 年 时 间 开 发了 一 套 几 何 建 模 系 统 BRL - CAD11 ,12 ,其 核 心 就 是CSG技 术 。CSG中 最 基 本 的 单 元 是 立 方 体 (Solid) ,通 过 对这 些 简 单 的 立 方 体 进 行 布 尔 组 合

28、来 对 各 种 形 状 的 目928第 3 期 黄 寒 砚 等 :武 器 毁 伤 效 能 评 估 综 述 及 系 统 目 标 毁 伤 效 能 评 估 框 架 研 究标 进 行 几 何 建 模 ,图 219 给 出 了 最 基 本 的 4 种 布 尔操 作 示 例 。 立 方 体 通 过 布 尔 组 合 成 为 区 域 ( Re2gion) ,即 各 种 部 件 。图 2 Com2Geom 图 形 布 尔 操 作Fig. 2 Com2Geom combination operations via booleanCSG几 何 建 模 系 统 21 通 过 三 个 独 立 的 文 件 来存 储 目

29、标 描 述 数 据 。 第 一 个 文 件 为 基 本 立 方 体 表 ,定 义 了 一 些 常 用 的 立 方 体 的 形 状 、 大 小 、 以 及 在 右 手笛 卡 儿 坐 标 系 中 的 位 置 和 角 度 等 参 数 ,并 通 过 相 应的 编 码 来 表 示 ,因 此 标 准 立 方 体 表 的 元 素 为 基 本 图形 和 相 应 的 编 码 。 第 二 个 文 件 为 区 域 表 ,定 义 了 由基 本 立 方 体 来 构 成 的 区 域 部 件 的 各 种 布 尔 操 作 。 第三 个 文 件 为 区 域 特 征 表 ,标 识 了 每 个 区 域 属 于 什 么组 件 、 功

30、 能 、 材 料 、 密 度 等 ,其 中 组 件 用 ID 号 标 识 ,材料 编 码 和 有 效 百 分 比 对 部 件 的 材 料 密 度 进 行 定 义 ,武 器 内 部 区 域 被 看 作 空 气 部 件 ,并 用 空 气 编 码 来 表示 内 部 功 能 (如 炮 身 、 乘 客 、 发 动 机 等 ) ,因 此 区 域 名称 、 区 域 号 ,区 域 ID 号 ,空 气 编 码 、 材 料 编 码 和 效 用比 例 共 同 构 成 了 区 域 特 征 表 。 Robertson 提 出 了 CSG目 标 描 述 的 标 准 ,详 细 的 编 码 规 则 和 例 子 可 参 考 文

31、献 20 。结 合 CSG几 何 建 模 技 术 和 射 击 线 技 术 ,就 可 以进 行 毁 伤 评 估 。 以 装 甲 车 为 例 ,目 前 主 要 有 三 种 易损 性 分 析 模 型 22 :累 积 参 数 模 型 、 期 望 值 点 爆 炸 模型 和 随 机 点 爆 炸 模 型 。 第 一 个 为 组 件 水 平 模 型 ,对目 标 进 行 几 何 描 述 时 将 具 有 相 同 物 理 特 性 的 部 件 看作 一 个 整 体 的 描 述 基 本 单 元 。 后 二 者 皆 为 部 件 水 平模 型 ,以 部 件 为 基 本 的 分 析 单 元 。 显 然 ,不 同 层 次 的分

32、 析 模 型 ,对 几 何 建 模 的 要 求 均 不 同 。 组 件 水 平 的分 析 模 型 只 关 心 关 键 的 内 部 部 件 ,而 部 件 水 平 的 分析 模 型 则 需 要 考 虑 任 一 部 件 ,因 此 ,在 几 何 建 模 之 前需 要 对 目 标 进 行 功 能 结 构 分 析 。3. 1. 2 目 标 功 能 分 析目 标 的 几 何 建 模 描 述 了 目 标 的 物 理 结 构 ,而 目标 的 功 能 建 模 则 描 述 了 目 标 的 逻 辑 结 构 。 目 标 功 能结 构 关 系 不 仅 是 几 何 建 模 的 基 础 ,也 是 计 算 机 数 据存 储 的

33、 组 织 结 构 。 BRL2CAD 采 用 的 是 多 层 体 系 结构 21 ,见 图 3。 这 种 模 型 不 仅 简 洁 直 观 ,也 方 便 后 期的 毁 伤 树 27 的 性 能 分 析 。图 3 BRL2CAD 多 层 体 系 结 构Fig. 3 The BRL2CAD hierarchical data structure多 层 体 系 结 构 的 顶 层 为 目 标 ,底 层 为 构 成 目 标的 最 基 本 单 元 立 方 体 块 ,立 方 体 块 通 过 布 尔 运算 得 到 区 域 ,区 域 组 合 称 为 部 件 ,部 件 之 间 通 过 并 联和 串 联 的 逻 辑

34、 关 系 聚 合 成 为 一 个 个 功 能 子 系 统 ,子系 统 结 合 的 产 物 即 为 目 标 系 统 。综 上 所 述 ,目 标 建 模 的 基 本 步 骤 为 : (1) 功 能 结构 分 析 ; (2) 对 目 标 外 壳 进 行 建 模 ; (3) 对 目 标 内 部空 气 部 件 进 行 建 模 ; (4) 对 其 它 部 件 建 模 。3. 1. 3 射 击 线 生 成 技 术 7 23 射 击 线 技 术 是 指 用 带 有 相 同 数 量 、 不 同 质 量 、 速度 、 方 向 的 射 线 ,来 模 拟 弹 丸 或 破 片 运 动 轨 迹 及 其 侵彻 行 为 ,主

35、 要 用 于 动 能 弹 丸 或 破 片 式 战 斗 部 打 击 下目 标 毁 伤 评 估 。 目 前 ,射 击 线 生 成 技 术 主 要 有 平 行等 间 距 网 格 射 击 线 和 瞄 准 网 格 射 击 线 两 种 。(1) 平 行 等 间 距 网 格 射 击 线 技 术平 行 等 间 距 网 格 生 成 方 法 如 图 4 (a) 所 示 ,给 定射 击 线 方 向 ,把 目 标 投 影 到 与 射 击 线 垂 直 平 面 ,在 投影 平 面 内 均 匀 划 分 网 格 ,每 个 网 格 内 分 布 一 条 射 击线 ,每 条 射 线 相 互 平 行 ,代 表 弹 药 相 同 初 始

36、 状 态 。 在发 射 平 面 上 ,射 击 线 坐 标 可 表 示 为 :x = xn + ( xn+1 - xn )y = ym + ( ym +1 - ym )(1)其 中 m , n 分 别 表 示 横 向 和 纵 向 格 子 序 号 , 可 取固 定 值 (如 0. 5)或 (0 ,1)之 间 的 随 机 数 。(2) 瞄 准 网 格 射 击 线 技 术瞄 准 网 格 射 击 线 生 成 方 法 如 图 4 (b) 所 示 。 它038 宇 航 学 报 第 30 卷由 一 个 瞄 准 点 和 使 用 统 计 误 差 生 成 的 一 组 由 瞄 准 点发 出 的 射 击 线 组 成 ,

37、射 击 线 通 常 围 绕 瞄 准 点 呈 正 态分 布 。 给 定 距 离 R 和 角 度 误 差 , 根 据 Box2Muller的 二 元 正 态 分 布 随 机 数 生 成 方 法 ,可 得 到 以 瞄 准 点(0 ,0)为 散 布 中 心 的 正 态 “ 打 击 ” 式 分 布 点 的 坐 标 :x = R x - 2ln 1 1/ 2 cos(2 2 )y = R y - 2ln 1 1/ 2 sin (2 2 )(2)式 中 x 和 y 分 别 为 X、 Y方 向 的 独 立 角 偏 差 ,若 两 者相 等 ,就 得 到 圆 形 误 差 。图 4 射 线 生 成 技 术Fig.

38、4 Shot line generator上 述 方 法 适 用 于 战 斗 部 在 目 标 附 近 爆 炸 后 射 线模 拟 ,即 假 定 大 量 的 破 片 是 从 战 斗 部 中 心 生 成 的 。显 然 ,这 种 方 法 也 能 描 述 战 斗 部 直 接 命 中 目 标 的 情况 ,为 描 述 这 种 直 接 命 中 后 破 片 的 射 线 ,需 要 定 义 一些 代 表 点 ,图 5 描 述 了 导 弹 直 接 命 中 目 标 后 的 射 线生 成 技 术 。图 5 战 斗 部 直 接 命 中 目 标 射 线 生 成 仿 真Fig. 5 Warhead detonation and

39、 direct hit shot line simulaton通 过 目 标 几 何 建 模 和 射 线 生 成 技 术 ,就 可 以 得到 弹 目 交 互 初 始 条 件 ,进 而 开 展 毁 伤 评 估 工 作 。3. 2 映 射 算 子在 获 得 层 面 1 的 状 态 V1 之 后 ,毁 伤 评 估 的 任 务就 是 通 过 各 种 映 射 来 获 得 V3 和 V4 的 状 态 。 尽 管 映射 O3 ,4 是 武 器 系 统 设 计 和 改 进 以 及 作 战 决 策 的 出发 点 ,但 是 获 取 该 映 射 涉 及 作 战 使 命 等 多 种 因 素 ,因此 它 并 不 属 于

40、 传 统 V/ L 分 析 的 范 围 。 总 的 而 言 ,现有 的 V/ L 分 析 主 要 是 围 绕 O1 ,2 、 O2 ,3 、 O2 ,4 的 获 取 而展 开 的 ,下 面 将 进 行 详 细 的 介 绍 。3. 2. 1 O2 ,3 获 取 方 法 :降 阶 态 法 24 ,25 降 阶 态 法 (DSVM) 的 核 心 是 建 立 VL2 VL3 数据 变 换 关 系 ,并 以 VL3 中 的 数 据 为 度 量 指 标 ,其 数据 传 递 过 程 可 描 述 为 VL1 VL2 VL3。 DSVM 实 施过 程 主 要 涉 及 目 标 功 能 子 系 统 划 分 与 DS

41、 定 义 、 DS毁 伤 构 造 与 逻 辑 运 算 以 及 部 件 毁 伤 态 向 量 Monte2Carlo 模 拟 与 DS 概 率 分 布 统 计 分 析 等 内 容 。 DSVM构 架 描 述 如 图 6 所 示 26 。图 6 降 阶 态 构 架 描 述Fig. 6 Framework of DSVM降 阶 态 分 析 法 按 如 下 步 骤 进 行 :Step1 :根 据 目 标 完 成 作 战 使 命 基 本 功 能 要 求 ,按 “ 任 务 相 关 ” 原 则 将 目 标 划 分 为 若 干 个 功 能 子 系统 ,每 一 个 子 系 统 具 有 独 立 完 成 某 特 定

42、作 战 任 务 的能 力 。Step2 :各 功 能 子 系 统 中 实 施 DS 定 义 (功 能 毁 伤等 级 定 义 ) ,每 一 个 DS 均 代 表 了 该 子 系 统 遭 受 一 定程 度 的 功 能 毁 伤 ,且 每 个 子 系 统 内 ,除 独 立 定 义 的DS 外 , 还 包 括 相 互 间 可 能 的 DS 组 合 。 如M1 F2 A3 X0 C2 K2 就 是 一 个 DS 组 合 。Step3 :DS 毁 伤 树 构 造 及 其 逻 辑 运 算 。毁 伤 树 27 ,28 中 关 键 部 件 之 间 的 连 接 包 括 串 联 和并 联 两 种 方 式 ,串 联 连

43、 接 方 式 属 逻 辑 “ 与 ” 运 算 ,只 要其 中 有 任 一 关 键 部 件 遭 到 毁 伤 ,就 可 导 致 毁 伤 树 路径 发 生 中 断 ;而 并 联 连 接 方 式 则 属 逻 辑 “ 或 ” 运 算 ,必须 毁 伤 所 有 关 键 部 件 才 能 导 致 毁 伤 树 路 径 发 生 中断 。 如 果 毁 伤 树 中 不 存 在 任 何 一 条 至 下 (底 事 件 )而上 (顶 事 件 )的 连 续 路 径 ,则 毁 伤 元 作 用 下 目 标 某 杀伤 系 统 中 有 一 个 杀 伤 DS 或 功 能 毁 伤 等 级 发 生 。DS毁 伤 树 性 能 状 态 由 布

44、尔 逻 辑 运 算 输 出 结 果 确138第 3 期 黄 寒 砚 等 :武 器 毁 伤 效 能 评 估 综 述 及 系 统 目 标 毁 伤 效 能 评 估 框 架 研 究定 。 不 失 部 件 毁 伤 的 一 般 性 ,将 部 件 毁 伤 态 (CDS)定义 为 0 ,1 及 0 ,1三 值 形 式 ,其 中 0 值 表 示 部 件 完 全 丧失 原 有 功 能 ,1 值 表 示 部 件 保 持 原 有 功 能 ,而 0 ,1 值则 表 示 某 些 不 服 从 Bernoulli 分 布 规 律 的 功 能 部 件 。如 果 DS毁 伤 树 逻 辑 运 算 输 出 结 果 为 0 或 0 ,

45、1 ,则 表示 DS事 件 发 生 ,否 则 ,未 发 生 DS事 件 。Step4 :部 件 毁 伤 状 态 (CDS)向 量 模 拟 及 DS 概 率分 布 统 计 分 析 。通 过 Monte2Carlo 仿 真 可 以 获 得 CDS 向 量 分 布 ,再 根 据 毁 伤 树 逻 辑 运 算 可 得 DS 概 率 分 布 。 假 设 某战 场 目 标 由 n 个 关 键 部 件 组 成 ,则 在 给 定 弹 目 交 汇条 件 下 ,CDS 向 量 可 表 述 为 : SCD = ( SCD1 , SCD2 , ,SCDn ) , 其 中 SCDi 为 第 i 个 关 键 部 件 的 C

46、DS 向 量 值 。如 果 (DS) F 代 表 一 种 DS 组 合 ,其 中 下 标 为 某一 DS 的 序 号 。 如 果 对 某 一 给 定 弹 目 交 汇 条 件 进 行n 次 Monte2Carlo 模 拟 ,且 将 每 次 Monte2Carlo 模 拟 结果 依 次 输 入 各 DS 毁 伤 树 ,并 实 施 逻 辑 运 算 和 判 断 ,得 到 (DS) F 发 生 次 数 为 k , 则 当 n 足 够 大 时 ,可 获 得对 应 于 (DS) F 的 近 似 概 率 值 为 P (DS) F k/ n。综 上 所 述 ,在 给 定 弹 目 交 汇 初 始 条 件 下 ,利

47、 用DSVM可 实 现 高 分 辨 部 件 层 次 易 损 性 仿 真 ,并 获 得完 整 的 DS 概 率 分 布 的 仿 真 结 果 。3. 2. 2 O2 ,4 获 取 方 法 :毁 伤 评 估 表毁 伤 评 估 表 法 (DAL)是 一 种 方 便 有 效 的 目 标 毁伤 评 估 方 法 ,它 通 过 一 定 的 试 验 建 立 一 套 标 准 资 料 ,反 映 各 要 害 部 件 的 毁 伤 造 成 的 目 标 破 坏 程 度 。 若 对目 标 造 成 j 级 毁 伤 的 要 害 部 件 有 Nj 个 ,根 据 DAL ,可得 这 Nj 个 要 害 部 件 中 第 k 个 要 害

48、部 件 的 毁 伤 对 目标 造 成 j 级 毁 伤 的 加 权 因 子 为 Ck (0 ,1) , 则 目 标 j级 毁 伤 概 率 的 计 算 模 型 为 :Dj = 1 - 7Njk = 1(1 - Ck Pk ) (3)其 中 Pk 为 要 害 部 件 k 的 毁 伤 概 率 。 因 此 通 过 对 要害 部 件 毁 伤 概 率 的 计 算 可 以 最 终 折 算 成 系 统 的 作 战效 能 的 损 失 情 况 ,即 可 以 获 得 映 射 关 系 O2 ,4 。最 原 始 的 SDAL 是 基 于 1959 年 的 易 损 性 试 验CARDE3 中 所 收 集 的 大 量 的 试

49、 验 数 据 的 基 础 上 产 生的 ,它 主 要 针 对 二 战 坦 克 和 设 备 ,SDAL 成 为 了 之 后25 年 间 装 甲 车 易 损 性 研 究 的 基 础 。 然 而 ,DAL 的 评估 效 果 由 个 体 决 定 ,而 随 着 新 型 武 器 的 不 断 变 革 以及 毁 伤 评 估 精 度 的 要 求 越 来 越 高 ,DAL 不 断 的 受 到诟 病 。 这 主 要 体 现 在 : (1) 现 代 设 备 与 二 战 时 期 有显 著 的 不 同 ,因 此 需 要 不 断 的 更 新 和 改 进 SDAL 来覆 盖 新 型 武 器 系 统 ,但 是 这 种 更 新 和 改 进 显 然 跟 不上 打 击 目 标 变 革 的 步 伐 ; (2) DAL 主 要 是 基 于 专 家经 验 判 断 ,不 仅 物 理 概 念 模 糊 ,且 与 毁 伤