軍事仿真的發(fā)展

一、 概述
仿真技術是以相似原理、信息技術、系統(tǒng)技術及其應用領域有關的專業(yè)技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗研究的一種綜合性技術。它綜合集成了計算機、網絡技術、圖形圖像技術、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術領域的知識。
隨著仿真技術在科技進步和社會發(fā)展中的作用愈來愈顯重要，特別是軍事科學，隨著高、精尖武器系統(tǒng)的研制和發(fā)展，對軍用仿真技術的應用和研究提出了更高的要求。世界各軍事強國竟相在新一代武器系統(tǒng)的研制過程中不斷完善仿真方法，改進仿真手段，以提高研制工作的綜合效益。軍用仿真技術在武器系統(tǒng)戰(zhàn)技指標論證、方案選擇、研制、試驗、鑒定、改進提高以及部隊維護保養(yǎng)和訓練中的應用，已得到研制方和使用部隊的承認和重視。它對提高新一代武器系統(tǒng)綜合性能，減少系統(tǒng)實物試驗次數(shù)、縮短研制周期，節(jié)省研制經費，提高維護水平，延長壽命周期，強化部隊訓練等方面都可大有作為。
二、 國內外軍用仿真技術發(fā)展現(xiàn)狀
1．國外軍用仿真技術發(fā)展現(xiàn)狀態(tài)
美國國防部高度重視仿真技術的發(fā)展，近十多年來，美國一直將建模與仿真列為重要的國防關鍵技術。1992年公布了“國防建模與仿真倡議”，并成立了國防建模與仿真辦公室，負責倡議的實施：1992年7月美國防部公布了“國防科學技術戰(zhàn)略”，“綜合仿真環(huán)境”被列為保持美國軍事優(yōu)勢的七大推動技術之一；1995年10月，美國防部公布了“建模與仿真主計劃”，提出了美國防部建模與仿真的六個主目標；1997年度的“美國國防技術領域計劃”，將“建模與仿真”列為“有助于能極大提高軍事能力的四大支柱（戰(zhàn)備、現(xiàn)代化、部隊結構、持續(xù)能力）的一項重要技術，并計劃從1996年至2001年投資5.4億美元、年均投資0.9億美元”。同時美國國防科學局（Defense Science Board）認為建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，必須解決五個層次的使能技術，(enabling technologies )（即應能解決實現(xiàn)的技術）
第一層次——基礎技術。
包括：光纖通訊、集成電路、軟件工具、人的行為模型、環(huán)境模型等。
第二層次——元、部件級技術
包括：內存、顯示、局域網、微處理器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)/模/數(shù)轉換器，建模與仿真構造工具，測試設備等。
第三層次——系統(tǒng)級技術
包括：微機系統(tǒng)，人一機界面，遠距離通訊/廣域網、計算機圖象生成。
第四層次——應用級技術
包括：制造過程仿真、工程設計建模與仿真，含人仿真系統(tǒng)，隨機作戰(zhàn)仿真等。
第五層次——集成綜合環(huán)境和建模與仿真工程
包括：原型機、規(guī)劃、設計與制造，訓練與備戰(zhàn)，測試與評估。
上述使能技術有些商業(yè)市場解決，如微機系統(tǒng)、遠距離通訊/廣域網、人一機界面、計算圖象生成、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、局域網、光纖通訊、軟件工程工具等，也就是大部份的硬件和網絡能力由商業(yè)市場作為成熟產品提供。而為滿足軍用仿真需求，有些如制造過程仿真，工程設計建模與仿真，隨機作戰(zhàn)仿真，環(huán)境模型等都由關國防部組織解決。
數(shù)學模型是仿真的基礎，要仿真，必須對被仿真的對象或系統(tǒng)進行數(shù)學建模，也就是對客觀世界中客觀事物進行數(shù)學抽象和數(shù)學描述。數(shù)學模型的正確與否以及其精確度直接影響仿真的置信度。所以，建模以后必須經過驗模，驗模就是對模型的評估過程。但對導彈武器系統(tǒng)中的某些部件，由于它的非線性，很難用數(shù)學模型表達得那么準確。因此，導彈武器系統(tǒng)，無論是戰(zhàn)術的還是戰(zhàn)略的，美國三軍都非常重視半實物仿真在導彈研制中的作用。雖然這是化費較大的工程，但是幾年來，美、歐、日各方都化費巨資建立半實物仿真系統(tǒng)，以加快精確制導武器的研制。
同樣，歐洲對于仿真的研究歷來也十分重視。北大西洋公約組織（NATO）于1992年9月成立了DIS工作組。同年歐洲學術界的二百個成員成立了歐洲仿真特殊興趣組，并于次年組建了“仿真未來：新概念、工具和應用”基礎研究工作組。制定了仿真基礎研究和開發(fā)為第一優(yōu)先主題。其第二個主題即為開發(fā)新的應用領域。尤其是象并行和分布式仿真這樣的基礎技術，圍繞這個主題將就“仿真互操作性”展開行動計劃。并對應于美國DIS工作組成立一些對應的“影子”機構進行跟蹤研究。
2．國內軍用仿真技術發(fā)展現(xiàn)狀
我國軍用仿真技術的發(fā)展已有四十年的歷史。尤其在“七五”以來的十多年中，通過邊建邊用，以及上級領導的重視，仿真技術得到了飛速發(fā)展。突出表現(xiàn)在以下方面：
⑴ 建成了航天機電集團以北京仿真中心為代表的，科技集團以上海八院八部的射頻、紅外仿真系統(tǒng)為代表的服務于各類新型導彈、衛(wèi)星、運載火箭和魚雷等仿真的“八大仿真系統(tǒng)”以及用于新型軍機研制的飛機工程仿真系統(tǒng)，為仿真技術的研究和應用打下了堅實的基礎。
⑵ 90年代我國開始對分布交互仿真，虛擬現(xiàn)實等先進仿真技術及其應用進行研究，開展了較大規(guī)模的復雜系統(tǒng)仿真，由單個武器平臺的性能仿真發(fā)展為多武器平臺在作戰(zhàn)環(huán)境下的對抗仿真。
⑶ 研制出了連續(xù)系統(tǒng)仿真語言ICSLⅡ和ICSL++仿真環(huán)境，連續(xù)/離散（事件）系統(tǒng)仿真語言IHSL和圖形輸入仿真語言IFAS等通用仿真語言及射頻、紅外、反坦克導彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)略導彈和運載火箭等半實物仿真專用軟件。正在研制基于高檔微機、工作站通用、并發(fā)、一體化仿真軟件。
⑷ 視頻/紅外動態(tài)圖象轉換技術攻關，并研制出了能產生紅外動態(tài)圖象的原理試驗樣機。其中，MOS電阻橋陣方案已研制出64×64象元，幀頻100HZ的工程試驗樣機；紅外CRT已研制出8~12μm的工程試驗樣機。
⑸ 堅持邊建邊用的原則，在應用方面取得顯著成果。有效的應用于新型武器的研制，優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高武器系統(tǒng)性能；以及診斷并排除隱患和故障、提高型號研制質量；大大減少實彈試驗次數(shù)和試驗數(shù)量，從而起到了縮短研制周期、節(jié)約研制經費、提高武器系統(tǒng)效費比的巨大作用。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，仿真技術可縮短導彈武器研制周期20~40%，節(jié)約導彈定型試驗所需彈數(shù)10~30%；魚雷試航次數(shù)減少50~80%；縮短艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)聯(lián)調時間40~60%。從可量化的數(shù)字看，至95年底，仿真技術在我國各類導彈（含魚雷、運載火箭）、衛(wèi)星、飛機、艦船、坦克和高炮的研制中，仿真創(chuàng)經濟效益達人民幣5億元以上。
射頻目標雜波、干擾和多路徑效應仿真，已可基本滿足相應型號仿真工程建設的要求。
三、 軍用仿真的發(fā)展設想
1．環(huán)境仿真
無論是單武器平臺性能仿真還是多武器平臺在對抗作戰(zhàn)環(huán)境下的體系對抗仿真，環(huán)境仿真都是重要的組成部分。美國在環(huán)境仿真方面，研制了各種運動仿真器，如高精度飛行仿真轉臺、加速度模擬器、真空模擬器等，建立了逐步完善的各種實體模型數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)場環(huán)境（如地形、地貌、海洋、大氣、空間等）數(shù)據(jù)庫，并用虛擬現(xiàn)實技術，建立虛擬仿真環(huán)境、虛擬戰(zhàn)場環(huán)境等，以支撐其各種仿真的需要。
要完成環(huán)境仿真，必須解決兩方面的問題
⑴ 環(huán)境模型的建立
軍事應用中的環(huán)境是千變萬化的，不同的地形、地貌、氣象、電磁干擾、噪聲等等都有其不同的環(huán)境特征，要對其建立有相當置信度的模型是很復雜的，所以環(huán)境仿真建模工作應作為基礎性研究進行。
⑵ 環(huán)境效應
這是一個更加復雜的問題，實際上也就是仿真環(huán)境動態(tài)變化時，對仿真結果所產生的影響。例如，軍艦，反艦導彈與海情，風力、風速，加上多路徑這些環(huán)境之間是相互交互的。這些都增加了仿真達到相當置信度的難度。
2．分布式仿真技術與訓練仿真技術
美國是最早發(fā)展分布式交互仿真技術的國家。1983年美國防部高級研究計劃局（DARPA）和陸軍合作的研究計劃SIMNET于1989年完成，為DIS 的發(fā)展奠定了技術基礎。分布式仿真包括軍事上公認的三類仿真：真實仿真、虛擬仿真、結構仿真，分布交互仿真的核心是仿真技術和網絡技術的結合。
分布交互仿真技術最明顯的應用是多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)訓練，進行多武器平臺作戰(zhàn)仿真。在DIS生成的逼真戰(zhàn)場環(huán)境支持下，可以進行作戰(zhàn)仿真，熟練掌握合成作戰(zhàn)技術、作戰(zhàn)原則、發(fā)展新的作戰(zhàn)方式和方法，提高各級指揮人員的戰(zhàn)場指揮能力，并可大大減少風險和高額開銷。NATO準備逐步把各國不同的兵力匯入 SIMNET而成為一個虛擬戰(zhàn)場，并把空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（AWSIMS）和海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（NWSTMS）與其相聯(lián)。美國陸軍的CCTT（近戰(zhàn)戰(zhàn)術訓練系統(tǒng)），是美國用于部隊訓練的第一個分布交互仿真實用系統(tǒng)，可實現(xiàn)546個仿真工作站的仿真訓練聯(lián)網，距離可跨越歐美之間，可為美國本土和美在北約駐軍的野外訓練提供高逼真度的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境。聯(lián)網演習，比起實戰(zhàn)演習來，其成本低、損傷少、安全保密，多次反復演練，而且方案可以多變，準備時間短。通過聯(lián)網仿真訓練多兵、團組協(xié)同作戰(zhàn)，不僅可解決人與機之間的關系，更要解決人與人之間的協(xié)同關系。
美國還大力開發(fā)集作戰(zhàn)仿真、武器裝備研制及武器裝備采辦使用的分布式交互仿真系統(tǒng)。自美國防部1992年制訂“作戰(zhàn)仿真試驗室”計劃以來，迄今已建立了六個作戰(zhàn)仿真實驗室。利用分布交互仿真技術，作戰(zhàn)實驗室與有關專業(yè)和單位的計算機聯(lián)網，可以高效率地完成以下工作：
·進行聯(lián)合訓練，為制訂新的作戰(zhàn)戰(zhàn)術、條令和訓練方法、制訂作戰(zhàn)計劃、評估作戰(zhàn)情況提供依據(jù)：
·在新武器系統(tǒng)開始研制或在役武器裝備著手改進之前，通過計算機仿真和實物模擬，對新技術所能提供的新作戰(zhàn)能力和新的作戰(zhàn)思想進行試驗和評估，以提出新武器的需求；在武器系統(tǒng)研制期間，系統(tǒng)在逼真的作戰(zhàn)試驗環(huán)境中不斷仿真試驗，將保證最終系統(tǒng)盡可能適合于作戰(zhàn)的需要：
·預測新武器從研制、生產到列裝、使用、維護、后勤支援采辦全過程中的問題，包括費用情況，以縮短研制周期、降低全壽命費用。
·作戰(zhàn)仿真試驗室，通過DIS系統(tǒng)在更大的仿真環(huán)境中加入能反應實彈真實飛行的仿真試驗而得到擴大，允許能進行更復雜的系統(tǒng)試驗，進行有真實意義的戰(zhàn)役分析，以支持國防高級決策工作。
3．虛擬現(xiàn)實技術
近年來，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術在航空航天和軍事領域的成功應用，取得了巨大的經濟效益和社會效益，促進美國政府進一步加大了對 VR技術研究的支持力度。VR技術在武器系統(tǒng)性能評價、武器操作訓練、指揮大規(guī)模軍事演習等三個方面的仿真應用中能發(fā)揮重大作用：大幅度降低所需的費用，極大的提高效益，并消除意外傷亡事故。因此，美國政府所支持的VR 技術研究也正是緊緊圍繞著提高這三種能力的系統(tǒng)和環(huán)境而展開的。他們擬將VR的一些關鍵技術進行加強和改進，主要有高速網絡和數(shù)據(jù)的實時交互與顯示、數(shù)據(jù)融合與輸出、各個層次（包括地形繪制、天氣描述、運動和傳感、武器系統(tǒng)與效應、計算機生成的半自主兵力等）上的逼真性。
美國政府支持的虛擬現(xiàn)實技術應用的研究計劃有：
·戰(zhàn)爭綜合演示計劃（Synthetic Theater of War Project）；
·防務仿真交互網絡（Defense Simulation Internet, DSI）；
·衛(wèi)星模擬（The Satellite Modeler, SM）；
·虛擬座艙（The Virtual Cockpit, VC）。
實際上VR技術的廣泛應用，無論是對駕駛員進行成功訓練的飛行模擬器，或是用來訓練軍事作戰(zhàn)人員虛擬戰(zhàn)場，或是基于仿真的設計包括幾何外形，傳動物理特性和動力學特性的在建?；A上，完成的虛擬樣機，還是通過仿真模型在計算機上仿真生產全過程，實現(xiàn)產品的工藝規(guī)程，加工制造等生產出的虛擬產品，都已有許多成功事例。
歸根結底，所謂的虛擬現(xiàn)實簡單地說，就是數(shù)字仿真加圖形可視化。因此，虛擬系統(tǒng)的基本組成有高性能計算機、計算機網絡、圖象生成與顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫（含地理信息、氣動數(shù)據(jù)、導航數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等）以及相應的人機接口和軟件支撐環(huán)境。
四、 結束語
軍用仿真技術以戰(zhàn)略戰(zhàn)術導彈武器系統(tǒng)研制需求為牽引，以新型精確打擊武器裝備全生命周期仿真應用為重點，為適應新型號導彈武器系統(tǒng)和軍用衛(wèi)星系統(tǒng)研制的需要，充分驗證系統(tǒng)設計的正確性，“十五”期間突破精確制導武器系統(tǒng)仿真、導彈武器系統(tǒng)訓練仿真、環(huán)境仿真、分布交互式仿真、虛擬現(xiàn)實仿真等關鍵技術，建立相應的仿真試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真支撐環(huán)境，充分發(fā)揮仿真技術在導彈背景型號武器裝備發(fā)展論證，研制與試驗、定型與評估、使用與訓練、更新與改造等全過程中的先導和支撐作用。
另外，通過對虛擬技術的研究，盡可能地擴大其應用范圍，采用虛擬樣機，虛擬戰(zhàn)場環(huán)境以及虛擬制造等概念，可以使傳統(tǒng)的武器系統(tǒng)的設計方法產生變革。虛擬技術將是21世紀武器系統(tǒng)研制和軍隊建設的重要手段。