一、仿真技术的概念
在大型复杂武器系统研制过程中，由于条件限制不能直接进行试验，需要在计算机或物理效应设备上构造与仿真对象(系统)相似的、有足够解析度的数学模型和仿真模型，通过对模型上的系统作实验，来研究和认识被仿真的对象，如空空导弹攻击飞机的过程，反辐射导弹、空地导弹攻击目标的实际突防过程及目标大规模毁伤情况等。所谓仿真模型。就是在系统的数学模型上进行算法设计，并转换为计算机程序，使数学模型能在计算机上运行。
系统仿真则是模仿现有或未来系统运行的一种手段。它通过计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态和随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和特性。
仿真分为构造仿真(Constructive)，虚拟仿真(VirtualReality)和真实仿真(Live)。构造仿真是指非实际人员利用仿真设备，来研究仿真对象或系统；虚拟仿真是实际人员操作仿真设备，模拟训练和模拟演示，也称人在回路的仿真；真实仿真指实际人员运用真实设备，进行训练和演习。仿真系统和仿真模型的分类如下所示。
二、系统仿真技术的发展
通过有效模型对真实或设想的系统进行动态的实验研究的综合性模拟试验技术即系统仿真技术。它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，具有安全、高效、可控性、无破坏性、经济性、不受环境气候限制以及可多次重复等特点。
1常规仿真技术
常规仿真技术分为连续系统仿真技术和离散系统仿真技术。
离散系统仿真技术(如攻防对抗仿真系统)一般都是动态仿真，其状态变量(如来袭目标被击毁数)仅在随机的时间点上发生瞬间变化，而在两个相邻点之间，系统状态保持不变。
2合成(综合)仿真技术
以系统整个应用过程为背景，以离散、连续和其他非常规模型为基础，利用分布交互相式仿真(DIS)技术、高级体系结构(HLA)架构技术、综合模型、表达方法和系统模型校验等相关技术，进行平台级分布交互、武器系统作战全过程和大系统攻防对抗仿真。常规仿真、DIS技术已较成熟，合成仿真技术尚在发展之中。
3仿真系统
全系统仿真(包含全部子系统模型)用于研究武器系统总体性能、作战效能和训练维护。以武器系统作战配置条件下所有子系统高逼真度的模型为基础，以作战应用全过程为背景，适当考虑环境因素的制约，依靠仿真系统集成技术和完备的软件支持系统，通过在研制各阶段全数学、半实物仿真(Hard—ware—In—Simulation)的应用和积累不同逻辑模型，进行武器系统研制、应用和特性的研究，内容包括研制过程中的各类仿真、系统整体作战过程仿真以及系统性能和作战效能评估等。
目前国外的单一武器仿真系统已发展的较完备，其相关技术已到达较高水平。80年代初，单一武器系统仿真已不能满足武器群体作战的仿真要求，开始将原已建成的、分散的单一武器平台的仿真试验系统，通过信息联网，构成具有多武器平台(系统)的攻防对抗综合仿真系统。用于平台级大系统大规模的虚拟战术对抗演练和仿真演习(如空中格斗、空地对抗等)，通过研究不同武器配置组合条件下的协同作战和整体作战效能，为武器系统的设计提供依据。从而促进了DIS(DistributedInteractiveSimula—tion)系统的发展。
(1)DIS系统
DIS系统以网络为基础，把分散在不同地理位置上的仿真系统及有关人员联系起来，在人工合成的多武器平台的“电子环境”中，形成一个在时间和空间上互相锅台、同时共享的综合虚拟战场环境，实现对新战术、新技术和新概念的验证、评价和确认，大大提高了仿真置信度，可实现背对背攻防对抗作战模拟和人机交互功能，为武器研制提供明确的作战需求和经济的试验手段。
DIS技术创造的武器系统研究的人工合成环境是完全可视的，它使新概念、新技术和新方案在多种条件下反复进行演示验证、分析比较，按照实现整体优势的要求，制定最佳方案，确定技术途径，进行资源选择，然后作出科学化决策。DIS把国防科研管理机构、武器研制生产单位和作战使用部队紧密联系起来，共同参与规划、论证、研制、试验、生产、训练、维护等诸多过程，作战人员、设计人员能完全“浸入”到仿真环境中，直接参与各级作战与武器装备的开发，探索仿真的对象和变化，这是传统的集中式仿真无法做到的。它以适时、经济和有效的方式进行武器系统研究，并广泛应用于决策的制订过程，是当今实现定量化分析决策的最有效工具。
DIS技术的出现使人们构思的新武器在研制前，工业、研制和作战部门就可联合起来，对其进行先期仿真评估，以减少早期试验的消耗。从而使武器采办过程和运用方法发生革命性变化。目前DIS技术已较成熟。但应用层次多为平台级，不适合高速武器系统。
(2)HLA结构的仿真系统
HLA是美国国防部1996年8月发布的仿真系统结构标准，将在2000年全面推行。其特点是：结构规范，完备性好，采用面向对象技术、高速广域网和移动式通信，支持资源(建模和仿真组件)重用和大系统集成，效率极高。DIS是一演变过程，而HLA则以蛙跳方式处理目前DIS感到困难的应用和功能，可以说是DIS的更高阶段。它理论上支持从半实物仿真系统到体系对抗的不同层次仿真系统的建立和集成，实现所有类型的建模和仿真之间以及它们和C3I间的互操作性。该仿真系统尚在发展之中。采有HLA结构的分布交互仿真系统的体系结构示意图见图1所示。
4系统仿真的技术关键
(1)系统集成能力、互操作性和运行支持(RTI)中的关键技术为动态信息集成、互操作和RTI的模式和支撑软件。
(2)系统资源管理和重用性所含关键技术为建立系统模型和资源积累(其价值远大于计算机硬件的价值)、规范化系列建模和资源管理平台(实现积累重用的关键)，提高模型描述层次和易理解性(包括传统模型表达、综合模型表达、特殊模型接口和任务空间概念模型(CMMS)表达)。
(3)主要技术途径是面向对象(Object—Oriented)技术。
采用HLA结构支持的导弹仿真系统示意图如图2所示。
三、系统仿真是现代武器系统研制不可缺少的手段
仿真系统的建立和完善已成为从武器系统研制到部署使用的重要组成部分，仿真为武器系统提供有效的技术支持，它使用户参与和实现技术开发者前馈与最终使用者反馈成为可能。
在武器研制过程中，通过改变仿真模型的结构和调整参数来优化设计。在研制开始前，进行全系统功能仿真，通过作战运用研究，评定战术技术的合理性。利用仿真模拟方法可以研究、比较、选择和检验武器的战术技术性能及设计方案的可行性、合理性；论证、协调并确定合适的战技指标；确定各分系统最佳指标及其协调性。以避免在研制过程中方案的反复多变。
在武器试验和鉴定阶段，对某些具有统计特性的总体技术指标，不可能进行重复的全系统实物试验，以获得足够的统计数据；当系统过于复杂、参试设备数量有限或实际系统不可能参与试验时，系统仿真便可以提供理想的仿真环境和研究系统性能响应的有效手段，得到系统性能评价数据，加速武器系统效能的评价过程。如射频仿真系统(见图3所示)在战术导弹研制中，犹如建立在试验室内的试验靶场，可完成如下工作：
(1)进行制导和指挥系统性能仿真，检验各分系统实际性能是否协调、能否满足系统指标要求；
(2)通过仿真导弹从发射到命中目标的全过程，并结合实弹打靶，鉴定系统性能；
(3)对系统各部、元件的参数进行优化设计；
(4)进行系统软件的开发，解决各分系统软、硬件的功能协调，鉴定系统软、硬件修改的效果，并提供作战软件；
(5)确定系统在使用时的测试容差及各分系统允许公差范围；
(6)进行导弹飞行试验前、后的分析研究以及试验中的故障复现；
(7)进行武器系统抗干扰性能的分析研究，检验各种抗干扰措施的有效性；
(8)进行引战体制研究、引战配合仿真，判断引信启动和杀伤概率等。
可见系统仿真能支持技术评估、系统更新、初(试)样研制，减少外场试验风险，积累数据和经验，优化效费比，从而提高武器系统整体研制质量和评估武器系统作战效能的有效性。目前，仿真在飞机、导弹等复杂航空武器系统的研制中，已成为不可缺少的重要手段。
四、系统仿真是在武器系统研制中评估其性能的重要方法
通常，以仿真的逼真度和复杂性及其综合来进行系统的性能评价。在仿真试验中，通过交替改变系统参数，检测系统的性能变化和受到的制约，发现事先未预见到的现象和变化，同时使系统性能参数全，面有效的匹配，达到最优化。
仿真复杂程度是根据仿真目的和不同研制阶段仿真真实性的要求来选择的，如在仿真系统中加入难以用数学模型准确描述的硬件来提高仿真置信度。环境模型是实现系统仿真逼真度的关键因素，在DIS条件下，利用不受地域限制的各种模型，创造逼真的人工合成环境末代替实际背景，并可进行全交互作用(FullInteractive)。当目标环境模型与作战想定和使用要求相适应时，就可得到高置信度的仿真，最后得到能支持外场飞行试验并具有恰当逼真度的成熟的仿真系统。
为测试战术导弹的多种功能，需要在一个受控环境中，输入各种制式下的多种激励信号，并确定系统对激励信号的响应；在比较两个分系统之间的差异时，要求靶场具备试验需要的多种地面环境，这在外场试验条件下，实现的难度极大。而系统仿真可以提供理想的仿真环境，满足这些试验要求，从导弹制导飞行前的设计、计算分析，性能测试，仿真试验(数学仿真、半实物闭合回路仿真)，一直到飞行试验，通过增加系统的复杂性来提高逼真度，从而增大仿真的真实性。当威胁特征改变时，仿真系统能作出快速反应，并启发新的设计思想，寻求抗击措施。
半实物仿真一般由功能性硬件和仿真模型组成。半实物仿真试验目前是唯一对精确制导导弹导引头进行实验的方法，对于导引头的激励以外多采用景象投影方法，然而当景象辐射特性超过现有投影仪的能力时，景象投影仪产生的景象受到某些限制。因此，近年来美国开始研究“直接信号注入”的方法，现已在美空军的动能杀伤飞行器半实物仿真试验中应用，试验各种导引头，波长范围从红外到紫外，导弹包括战略、战区和战术的多种型号。
采用“直接信号注入”法时不必用传感器硬件，而是通过计算，把景象特征信号直接传给导引头的信号处理器，用以仿真传感器对景象的响应输出。其目的是给试验项目的信号处理器提供信号或数据流，并要与实际运作过程产生的信号足够相似。其技术关键是建立传感器模型，使之能反映传感器的重要特性，如空间模糊、探测器的输入/输出响应及噪声等。
数学和半实物实时仿真可以作为飞行试验分析的工具，预测整个系统性能，同时把真实飞行试验数据作为基准，判断仿真预测的真实性。进行武器系统鉴定试验和作战效能的最终评定时，对依据飞行试验检验确认有效的仿真结果和确认后的仿真系统，进行统计性试验，计算整个作战空域内各种情形下对各种目标的射击精度和杀伤概率，分析定型过程中出现的问题并加以解决。
经过模型验证而确认有效的数学和半实物仿真，能有效地完成直接实物试验一般很难实现的系统综合性试验，从而获得有关统计学参量意义的逼真数据，用之于武器系统性能的分析、比较、鉴定和评价。
五、利用系统仿真可以提高武器系统研制的经济效益
在武器设计阶段，通过仿真评估设计的优劣，使设计上的缺陷和问题在研制早期就暴露出来，便于尽快采取措施解决，以缩短设计时间；通过仿真试验将需要分析的技术事件，都分解在仿真测试台上，使设计人员加深对系统的理解，对研制过程中出现的问题快速反应，通过剖析，加以解决，从而缩短研制周期。
在武器系统试验过程中，利用仿真试验(虚拟样机)代替实际样机试验，比原先的实际样机试验要省时省力省人，再则仿真试验是在可重复使用的模型上进行的，其运行成本比在实际产品上作试验要低得多，可大大节省试验费。
系统仿真对武器系统试验的时间和提高其有效性都有明显的影响。如通过数学和半实物仿真试验来确认战术导弹的作战空域时，用仿真打靶试验代替部分实弹靶试，进行武器系统性能鉴定，而实弹靶试只作为有效性检验手段。通过打靶对测量结果进行辨识和效验模型；通过仿真与靶试结合，挖掘系统潜力，设计最佳靶场试验方案，从而提高经济效益。
美国响尾蛇空空导弹的三个型号，由于采用了系统仿真技术，靶试的实弹数由129发减少到35发。爱国者、罗兰特和尾刺地空导弹在研制过程中，由于采用系统仿真技术，节省研制经费10%-40%；缩短价制周期30%—40%。
DIS技术为武器系统在全寿命周期内各阶段系统性能和作战能力的测试提供理想的技术支持。它使不同地域的多种武器平台用网络连接起来，构成一个战场环境；同时使作战、指挥、武器研制部门联系起来，实现资源共享。随着研制的深入，特别是仿真各单位与环境产生交互作用，使仿真在逼真的环境下进行，测试结果的置信度将不断提高，从而大节省人力、物力、财力。
六、结论
(1)仿真可以从广阔的视角上把握航空武器系统研制与发展的正确方向。由于装备体系统对抗的复杂性日益增加、试验演习的困难性及高额费用，特别需要发展DIS等技术作为其重要支持手段，以定性和定量相结合的分析方法，根据作战想定，对未来高技术局部战争的战场环境(作战背景、战场态势)、战术技术性能、战术使用以及武器的质量等进行评价、作战住址的先期淙，以利选择对体系整体交通高、技术经济可行的武器装备进行重点规划和发展。
(2)仿真对缩短研制周期、节省人力物务有重大意义，仿真体系结构和仿真能力的扩展应密切结合武器系统研制程序来逐步完善。应重视仿真软件特别是特定应用结构支撑软件系统以及环境软件体系结构的开发，摈弃过时的落后的研究方法，进行一休融会贯通试验设计，大力发展和应用OO技术以及模型校验(Verification)、验证(Validation)和确认(Accredilation)技术。 |
