摘要：半實物仿真是戰術導彈等先進武器裝備在研制試樣、性能評估、作戰演練中必不可少的主要仿真方法和手段。從多物理場/控制耦合、導航、多模/寬譜段制導、導引頭抗干擾、靶場試驗等五個方面，介紹了國外戰術導彈半實物仿真試驗設備、試驗技術的具體情況，分析了其半實物仿真驗證能力的發展現狀及發展趨勢，提出了戰術導彈半實物仿真應重點關注在復雜戰場環境、新型物理效應、多彈協同/多體飛行器協同等方面的能力建設，分析結果可對未來戰術導彈半實物仿真能力建設發展具有借鑒意義。

關鍵詞：半實物仿真;戰術導彈;多物理場耦合;多模/寬譜段制導;靶場試驗;導引頭

半實物仿真是計算機軟件、數學模型、系統部件(或設備)與環境物理效應設備相結合的仿真形式，是戰術導彈等先進武器裝備在研制試樣、性能評估、作戰演練中必不可少的主要仿真方法和手段，一定程度上代表著系統建模與仿真的最高水平。由于半實物仿真可實現人和硬件在回路的仿真，可在不進行動態飛行試驗的條件下對戰術導彈進行全系統綜合測試驗證，且模擬的逼真度和可信性相對很高，因此備受世界發達國家，特別是美、俄、英等軍事強國的青睞，它們均建立大量的半實物仿真設施，支持戰術導彈的研發。

經過幾十年的發展，美國等西方國家已經形成了較為完整的戰術導彈半實物仿真體系，可進行部件級、系統級及體系級的半實物仿真試驗，以滿足現代戰術導彈武器及體系的研制需求，尤其是多物理場/控制耦合半實物仿真能力、導航半實物仿真能力、多模/寬譜段導引頭半實物仿真能力、導引頭抗干擾半實物仿真能力以及靶場試驗半實物仿真能力，直接推動了動能攔截彈、先進中距空空導彈、遠程反艦導彈、彈道導彈防御系統(BMDS)等的研制進程。

1 半實物仿真能力

1.1 多物理場/控制耦合半實物仿真能力

2005年，英國牛津大學的Marko首次將風洞設施引入導彈半實物仿真系統中，實現了氣動力/力矩的半實物仿真，如圖1所示。試驗時，根據導彈當前飛行狀態實時控制噴流速度與密度，建立滿足相似性的流場，將鉸鏈力矩、飛行器結構顫振和下洗渦流所引起的力學畸變等非線性因素引入仿真回路中，并由傳感器測量在控制面指令下導彈所受的氣動力與力矩，仿真環境更加逼真，進一步提高了仿真的置信度。將風洞實驗融入半實物仿真試驗，涉及流體力學、控制、通訊及機械制造等多個學科領域，是半實物仿真技術的一個里程碑。

圖1 Marko研制的用于導彈半實物仿真系統的風洞設備

美國空軍導彈測試中心(AFB)研制了一種高頻運動仿真器，每個控制環節的帶寬達到1000 Hz,遠遠超過了傳統仿真器50 Hz的極限值;另外增加了自由度的方向及數量，除了為被試驗體提供3個轉動自由度外，還可提供3個平移自由度，從而更逼真地模擬被試驗體的實際振動，如圖2所示。

圖2美國空軍導彈測試中心研制的高頻運動仿真器

1.2導航半實物仿真能力

在衛星導航半實物仿真方面，主要根據飛行器的運動狀態參數，精確地模擬衛星導航信號，從而檢定和評估戰術導彈衛星接收機的捕獲、跟蹤性能以及組合導航精度。國外較早開展有關衛星導航信號模擬技術的研究，已研發了多種型號、功能完備的衛星導航信號模擬器產品，其中，SPIRENT通信公司研制的產品種類較為齊全，GPS信號模擬器有GSS4200, GPS/SBAS仿真系統有GSS6560和GSS7700, GLONASS信號模擬器有STR4780;Galileo系統信號模擬器有GSS7800, GNSS信號模擬器有GSS8000(支持GPS、GLONASS、Galileo、SBAS以及QZSS)。另外，還有美國CAST公司研制的CAST 4000 GPS/INS衛星模擬工程系統以及美國計算機應用軟件技術有限公司研制的CCSG2200衛星信號模擬器等。

在地磁匹配導航仿真方面，美國在理論研究及工程實踐方面均處于領先地位，已具有較成熟的地磁環境試驗系統和地磁環境仿真試驗室，并初步應用于某些電磁匹配導航體制的導彈武器研發中，工程應用可行性和實用性得到了驗證。

1964年，美國建立了哥達德空間飛行試驗中心，具備地磁模擬系統、地磁觀察站等大型系統以及充/退磁線圈、無磁轉臺、線圈中心處吊具等配套設備，具有模擬地磁和星際磁場環境的試驗能力。該試驗中心先后完成了應用技術衛星、探險者、登月車、鷹眼衛星、海洋動力地球衛星、國際日地探測者、高軌道充電研究衛星等試驗任務，如圖3所示。

圖3哥達德空間飛行試驗中心的地磁模擬系統

2016年，NASA建立了更為先進的導航半實物仿真試驗系統，具備X射線導航、脈沖星/伽瑪射線導航、光學自主導航、星際飛行器間通信等仿真能力，如圖4所示。

圖4 NASA建立的先進導航半實物仿真試驗系統

1.3多模/寬譜段導引頭半實物仿真能力

在射頻仿真方面，美軍建設了能精確模擬各類復雜目標的仿真系統和能模擬不同氣候條件下的大型環境實驗室，可滿足戰術導彈武器在復雜電磁環境下作戰評估及驗證的需求。20世紀70年代末，美陸軍航空導彈研究發展與工程中心(AMRDEC)建成的射頻仿真系統，可以進行單一或多種裝備的仿真試驗，實現了遠距離支援干擾、自衛干擾等多種有源干擾以及箔條、角反射器等無源干擾模擬;20世紀90年代末，該中心建成的第二套毫米波仿真系統，模擬的目標模型已經細化到多散射中心體目標模型，并實現了上千個距離擴散中心目標，不僅可以建立大型艦船、TBM等目標模型，而且可使用實測數據對模型進行對比校核，給出模型置信度，如圖5所示。

圖5 AMRDEC的射頻仿真系統

在光學成像、復合成像制導仿真方面，美軍具備了多頻段/寬譜段光學成像制導仿真能力。美國陸軍高級仿真中心、美國導彈司令部研究發展和工程中心、約翰斯·霍普金斯大學等建成了紅外成像、長波紅外/半主動激光復合、紅外/射頻復合、紅外/激光/射頻三模復合等導引頭半實物仿真設施，完成了空中攔截器SLID, KKV和三模復合制導戰術導彈武器裝備的研制。麻省理工學院林肯實驗室從20世紀90年代中期開始對陸軍和海軍的攔截器進行中波紅外探測器的仿真實驗，目前已完成短波、中波和長波紅外在室溫和低溫背景下的仿真;美國國防部建立的氣動光學評價中心(AOEC)，已建成一系列用于氣動光學效應的物理仿真驗證系統，支持了戰區高空防御系統(THADD)的物理仿真和初步試驗驗證;2011年，美國空軍阿諾德開發中心完成了用于低冷背景下光學成像傳感器性能測試驗證的半實物仿真試驗(7 V和10 V試驗室)，用于空間探測器的驗證，如圖6所示;2016年，成功研制了紅外超頻段動態模擬器原理樣機，實現3~4.95 μm, 8.2~11.9 μm中長波紅外超譜段目標和場景的模擬，如圖7所示。

(a) 7V實驗室

(b)10 V試驗室

圖6美國空軍阿諾德開發中心建成的7V和10 V試驗室

圖7紅外超頻段動態模擬器原理樣機

1.4導引頭抗干擾半實物仿真能力

美國陸軍導彈司令部射頻實驗室成功研制了位于射頻暗室內的射頻制導仿真系統，射頻目標模擬器從單個天線輻射源發展為射頻陣列，并將四個抑制式電子干擾通道接至分布于目標天線之間的16個電子干擾天線上，用于模擬遠距支援式干擾信號。同時，使用單獨的目標通道把ECM信號動態地疊加到目標信號上，模擬機載自屏蔽式或欺騙式干擾源，利用高度回波信號天線陣列產生距離目標信號更遠的遠程支援式干擾信號;美國空軍電子戰靶場(AFEWES)作為美國戰術導彈武器紅外抗干擾仿真試驗中心，能夠進行點源紅外對抗和激光紅外干擾半實物仿真試驗;美國海軍空戰中心已具備對彈載GPS接收機進行干擾的半實物仿真試驗能力。

1.5靶場試驗半實物仿真能力

美國高度重視半實物仿真在裝備鑒定、定型中的作用，三軍試驗基地和靶場配備了規模龐大的半實物仿真系統，基于內外場試驗聯合，建立了完備的試驗鑒定評估體系，并在持續研究戰爭模式的變化及裝備研制需求的基礎上，提升和完善半實物仿真能力。美國埃格林空軍基地主要裝備了兩套仿真系統，如圖8所示。一套用于中程空空制導武器和基地雷達制導武器的性能分析，另一套用于紅外制導動能攔截器的開發，同時配備有新一代射頻仿真系統、毫米波仿真系統、激光仿真系統、GPS仿真系統和制導武器評估實驗室，建立了具備半實物仿真特色、高度集成的測試評估設施，用于支持全譜段末制導導引頭半實物仿真及武器系統開發、試驗、評估及鑒定。

圖8美國埃格林空軍基地仿真試驗系統

美國陸軍紅石兵工廠的高級仿真中心(ASC)從紅外成像仿真、RF仿真和多頻譜仿真三個領域開發了14個半實物仿真設施，為武器裝備和飛行器的傳感器、制導控制部件、全系統的性能提供了非破壞性、高逼真度的半實物仿真驗證和評估的技術途徑，在直接動能殺傷技術、毫米波/紅外/激光三模制導技術的突破和愛國者等性能的改進中發揮了重要作用。美陸軍航空導彈研究發展與工程中心的HWIL仿真系統提供了支持飛行前預測/飛行后重建、現場決策、戰術軟件驗證測試、非標稱試驗目標/場景的演練手段(這種演練若安排在飛行試驗中進行，會導致試驗過于復雜且成本過高)。

美國三軍在建成半實物仿真網絡的基礎上(包括陸軍PTTC、空軍AFDTC和海軍SIMLAB等)，構建一體化仿真網絡，實現了異地分布式交互半實物仿真，其中，端對端半實物仿真技術已實現遠距離地面設備(如發射車、C4I單元、火控傳感器等)與部隊及半實物仿真系統之間的實時鏈接，實現了NMD作戰仿真，并已用于大規模軍事演習中。具有半實物仿真形式的作戰電磁環境模擬器已成為電子戰裝備訓練的有效手段。

2016年10月，美國太平洋司令部和綜合導彈防御聯合職能司令部，為評估彈道導彈防御性能完成了一次地面試驗，模擬了多種威脅場景及彈道導彈防御系統在實際襲擊事件中的實時反應能力的評估結果，為2017年底將地面攔截彈由30枚增加至44枚的決策提供了支撐。

2 發展趨勢與建議

縱觀國外戰術導彈半實物仿真能力的發展現狀，特別是隨著戰術導彈“網絡化、集成化、智能化、高效化”的發展，半實物仿真應用呈現如下趨勢:

(1)從支持核心部件的性能驗證向支持全生命周期驗證評估方向發展;

(2)從支持單一平臺的驗證評估向支持多體平臺/體系的驗證評估方向發展;

(3)從支持性能驗證向支持鑒定、定型及大規模作戰演練方向發展;

(4)從支撐內場試驗驗證向嵌入飛行器的智能化仿真驗證、多仿真系統網絡化方向發展。

據此，提出半實物仿真能力的發展方向為:

(1)發展復雜戰場環境的半實物仿真技術

針對戰術導彈面臨的復雜戰場環境，為實現考核的充分性，構建高可信度的、復雜多樣的模擬環境，需發展復雜戰場環境的半實物仿真技術。

(2)發展面向戰術導彈全壽命周期的半實物仿真支撐技術

面對未來戰術導彈全壽命周期的性能、驗證、評估、鑒定需求，需解決滿足嵌入式仿真、網絡化仿真、多體運動仿真的一體化高性能實時仿真平臺構建問題。

(3)發展新型物理效應仿真技術

需解決臨近空間/氣水跨介質環境、氣動/熱伺服彈性、高頻運動特性、大功率高動態力矩特性、量子/偏振光成像、太赫茲/量子導航信號、ISAR/SAR/綜合射頻目標特性、射頻/可見光/紅外/紫外/激光等多模復合目標特性、衛星/星光/地磁/重力場/慣性等組合導航信號及復雜目標/干擾環境等的模擬問題。

(4)發展多彈協同/多體飛行器協同半實物仿真技術

需解決多彈協同/多體飛行器協同面臨的時間一致性、空間一致性、目標環境一致性和信息交互一致性問題。

(5)發展面向靶場的戰術導彈仿真試驗鑒定評估技術

需解決支持戰術導彈大規模作戰演練，以及性能鑒定評估等帶來的異地異構半實物仿真系統集成問題。

3 結束語

隨著系統建模與仿真技術的發展，半實物仿真在戰術導彈等先進武器裝備試驗中的作用愈發凸顯，本文以戰術導彈半實物仿真為研究對象，從多物理場/控制耦合、導航、多模/寬譜段制導、導引頭抗干擾、靶場試驗等方面分析了國外發展現狀，并基于半實物仿真發展趨勢，提出了戰術導彈半實物仿真能力建設的方向。隨著戰術導彈智能化、集成化、網絡化的發展，半實物仿真必將在戰術導彈系統級、平臺級、體系級的性能驗證評估及作戰試驗演練領域發揮重要的作用。

審核編輯 ：李倩