CN105183993B - 一种电磁轨道炮综合仿真平台及方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁轨道炮综合仿真平台及方法，本发明涉及电磁轨道炮综合仿真平台及方法。本发明的目的是为了解决现有技术不能对电磁轨道炮进行全弹道仿真、模型验证、仿真优化、仿真试验设计、射击精度分析与评估的问题。通过以下技术方案实现的：所述的电磁轨道炮综合仿真平台包括电磁轨道炮仿真子系统、模型验证子系统、仿真优化子系统、试验设计子系统、射击精度分析与评估子系统；所述电磁轨道炮仿真子系统包括：弹丸模块；轨道模块；脉冲功率电源模块；电枢模块；目标模块；参数配置模块；仿真过程管理模块；数据记录模块。本发明应用于计算机仿真技术领域。

Description

一种电磁轨道炮综合仿真平台及方法

技术领域

本发明涉及电磁轨道炮综合仿真平台及实现方法。

背景技术

利用仿真方法对电磁轨道炮进行研究，能从深层揭示各种因素对系统性能的影响，加快电磁轨道炮系统的研究，缩短研发周期，显著提高系统总体性能。

电磁轨道炮仿真涉及建模与仿真、模型验证、仿真数据分析、仿真优化、仿真试验设计、射击精度评估等技术。

建模是对真实世界对象进行抽象、映射和描述，以构造仿真模型的活动。仿真是通过运行模型，对模型中的实体、状态、活动进行研究的活动。对于电磁轨道炮仿真，需要首先建立电磁轨道炮内弹道和外弹道的仿真模型，进而基于模型开展相关研究。仿真模型验证技术能够通过比较仿真模型与真实系统的输出行为是否一致，进而检验仿真模型在应用域内达到需要的精度。电磁轨道炮仿真模型是否能够达到足够的精度决定了利用其进行仿真试验结果的可信性。电磁轨道炮仿真系统中存在大量的不确定性因素，仿真试验设计与分析技术能够研究不确定性因素对电磁轨道炮性能的影响，为系统性能优化与评估提供依据。仿真优化技术能够在满足系统物理约束的前提下，对影响系统性能的显著因素进行优化，从而获取最佳的性能。电磁轨道炮射击精度是电磁轨道炮性能分析中的核心指标，射击性能评估需要完成对射击精度参数的估计与命中概率的计算。

综合仿真平台能对模型、算法、数据等仿真资源进行有效整合，支持仿真解算及多种应用问题的求解。但是现有技术还不能对电磁轨道炮进行全弹道仿真、模型验证、仿真优化、仿真试验设计、射击精度分析与评估。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术不能对电磁轨道炮进行全弹道仿真、模型验证、仿真优化、仿真试验设计、射击精度分析与评估的问题，而提出的一种电磁轨道炮综合仿真平台及方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种电磁轨道炮综合仿真平台包括电磁轨道炮仿真子系统、模型验证子系统、仿真优化子系统、试验设计子系统、射击精度分析与评估子系统；

电磁轨道炮仿真子系统用于解算电磁轨道炮发射过程中弹丸在内弹道加速模型及外弹道飞行模型；

模型验证子系统用于读取参考数据库中的参考数据及仿真数据库中的仿真数据，利用模型验证方法计算仿真数据与参考数据的一致性程度，作为检验电磁轨道炮仿真子系统的状态及输出能否达到仿真要求精度的依据；

仿真优化子系统用于在满足放电电流约束下，以最大炮口速度为优化目标，对脉冲功率电源放电时序进行优化，使放电电流曲线保持平稳；

试验设计子系统用于针对电磁轨道炮射击精度仿真与分析任务，选择影响射击精度的不确定性因素，在此基础上，选择合适的试验设计方法，生成试验方案；

射击精度分析与评估子系统用于利用多种数据分析方法对电磁轨道炮射击精度进行分析，进而评估射击精度参数，并根据目标特性计算命中概率。

一种电磁轨道炮综合仿真方法具体过程为：

电磁轨道炮仿真子系统的目标模块、弹丸模块、轨道模块、电枢模块、脉冲功率电源模块、仿真过程管理模块、参数配置模块、数据记录模块通过接口相互连接，仿真过程中产生的数据通过数据记录模块记录并存储到仿真数据库中；

电磁轨道炮仿真子系统读入仿真优化子系统的优化参数，利用仿真计算优化目标函数，将结果返回仿真优化子系统；电磁轨道炮仿真子系统还读入试验设计子系统生成的试验设计方案，根据试验方案，运行仿真，将数据存储至仿真数据库；

模型验证子系统读取电磁轨道炮仿真子系统存储至仿真数据库的仿真数据，同时读取真实电磁轨道炮试验获得的参考数据，验证电磁轨道炮仿真子系统是否有效；

射击精度分析与评估子系统读取仿真数据库中的弹丸弹着点数据，利用该数据对电磁轨道炮影响射击精度的因素进行分析，估计射击精度参数及计算命中概率。

发明效果

采用本发明的一种电磁轨道炮综合仿真平台及方法，该综合仿真平台可以对电磁轨道炮进行全弹道仿真、模型验证、仿真优化、仿真试验设计、射击精度分析与评估等。

1)电磁轨道炮综合仿真平台以电磁轨道炮仿真为核心，针对电磁轨道炮应用过程中的全弹道仿真、验证、优化、分析、评估等问题，开发了相应的子系统，支撑电磁轨道炮仿真、优化、验证、分析、评估工作。

2)电磁轨道炮综合仿真平台的电磁轨道炮仿真子系统具有内外弹道仿真功能，包括轨道、脉冲功率电源、弹丸、电枢、目标等仿真模块。

3)电磁轨道炮综合仿真平台的模型验证子系统提供了Theil不等式系数法、灰色关联分析法、最大熵谱分析法、基于D-S证据理论的时频域结合验证方法等多种模型验证方法，根据数据特点，计算仿真数据与参考数据的相似性程度，检验电磁轨道炮综合仿真平台的有效性。

4)电磁轨道炮综合仿真平台的仿真优化子系统能够解决放电电流满足约束的前提下，以最大炮口速度为优化目标，对脉冲功率电源放电时序进行优化，使放电电流曲线保持平稳。采用优化后的脉冲功率电源放电时序进行仿真，电磁轨道炮弹丸炮口速度相对于未进行优化的放电时序提高约20％，同时放电电流平稳，能有效的减少弹丸在轨道内的磨损。

5)电磁轨道炮综合仿真平台的试验设计子系统能够根据不同的试验想定，采用正交试验设计、均匀试验设计、蒙特卡洛试验设计法，生成不同格式的试验设计方案。通过对电磁轨道炮进行合理的试验设计，能够减少25％以上的仿真运行次数，进而有效提高仿真效率。

6)电磁轨道炮综合仿真平台的射击精度分析与评估子系统利用方差分析、回归分析等数据分析方法对影响电磁轨道炮射击精度的不确定性因素进行分析，并能实现数据可视化；进而评估射击精度参数，根据目标特性计算命中概率。射击精度分析与评估子系统能够实现对数据的奇异点剔除、正态性检验、相关性检验等预处理等，绘制散点图等功能。

7)电磁轨道炮综合仿真平台实现过程中对其进行体系结构设计，对不同的仿真资源进行管理及存储。在电磁轨道炮综合仿真平台应用过程中，针对不同的问题，可以通过灵活配置，选择相应的子系统，解决电磁轨道炮仿真应用问题。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的电磁轨道炮仿真子系统运行流程图；

图3为本发明的模型验证子系统运行流程图；

图4为本发明的仿真优化子系统运行流程图；

图5为本发明的试验设计子系统运行流程图；

图6为本发明的射击精度分析模块运行流程图；

图7为本发明的射击精度评估模块运行流程图；

图8为本发明的体系结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种电磁轨道炮综合仿真平台，其特征在于：所述的电磁轨道炮综合仿真平台包括电磁轨道炮仿真子系统、模型验证子系统、仿真优化子系统、试验设计子系统、射击精度分析与评估子系统；

电磁轨道炮仿真子系统用于解算电磁轨道炮发射过程中弹丸在内弹道加速模型及外弹道飞行模型，将电磁轨道炮仿真子系统各模块的状态信息保存在数据库中；

模型验证子系统用于读取参考数据库中的参考数据及仿真数据库中的仿真数据，利用模型验证方法计算仿真数据与参考数据的一致性程度，作为检验电磁轨道炮仿真子系统的状态及输出能否达到仿真要求精度的依据，参考数据可以通过查找相关文献中数据或者利用真实电磁轨道炮试验记录的数据；

仿真优化子系统用于在满足放电电流约束下，以最大炮口速度为优化目标，对脉冲功率电源放电时序进行优化，使放电电流曲线保持平稳；

试验设计子系统用于针对电磁轨道炮射击精度仿真与分析任务，选择影响射击精度的不确定性因素，在此基础上，选择合适的试验设计方法，生成试验方案；

射击精度分析与评估子系统用于利用多种数据分析方法对电磁轨道炮射击精度进行分析，进而评估射击精度参数，并根据目标特性计算命中概率。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述电磁轨道炮仿真子系统包括：

用于解算电磁轨道炮弹丸内弹道加速过程及外弹道飞行的弹丸模块；

用于解算轨道与电枢的力学关系及轨道与脉冲功率电源的电磁关系的轨道模块；

用于解算脉冲功率电源放电过程中电磁特性的脉冲功率电源模块；

用于解算电枢与弹丸及轨道力学关系的电枢模块；

用于解算目标运动模型的目标模块；

用于对电磁轨道炮仿真子系统的参数进行配置的参数配置模块；

用于控制电磁轨道炮仿真子系统运行的仿真过程管理模块；

用于记录与存储电磁轨道炮仿真过程中产生的仿真数据的数据记录模块。

电磁轨道炮仿真子系统采用1976年美国标准大气环境进行仿真。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述模型验证子系统包括：

用于分析仿真数据与参考数据的距离的Theil不等式系数分析模块；

用于分析仿真数据与参考数据的形状相似性的灰色关联分析模块；

用于分析仿真数据与参考数据的频谱特征一致性的最大熵谱分析模块；

用于分析仿真数据与参考数据的时域与频域特征一致性的基于D-S证据理论的时频域结合验证模块。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述仿真优化子系统包括：

电磁轨道炮综合仿真平台的仿真优化子系统能够选择优化变量及设定范围，对优化目标、约束条件进行配置，以最大发射速度为优化目标进行优化；

用于优化变量选择及范围设定，优化目标及约束条件配置的优化参数配置模块；

用于对电磁轨道炮发射性能进行优化的改进粒子群优化模块。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述试验设计子系统包括：

用于对电磁轨道炮系统仿真进行正交试验设计、均匀试验设计、蒙特卡洛试验设计的试验设计模块；

用于导出试验设计方案为数据库文件或者XML文件的试验方案生成模块。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述射击精度分析与评估子系统包括：

用于对电磁轨道炮外弹道仿真数据进行奇异点剔除、正态性检验、相关性检验的数据预处理模块；

用于对电磁轨道炮外弹道仿真数据进行方差分析与回归分析的射击精度分析模块；

用于对电磁轨道炮射击参数估计与命中概率计算的射击精度评估模块。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：电磁轨道炮综合仿真平台在Microsoft Visual Studio环境下开发，仿真平台中的各个子系统通过设计数据接口实现功能的一体化。电磁轨道炮综合仿真平台可以在单台计算机上运行，也可以利用局域网在多台计算机实现分布式运行。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：一种电磁轨道炮综合仿真方法，其特征在于，一种电磁轨道炮综合仿真方法具体过程为：

电磁轨道炮仿真子系统的目标模块、弹丸模块、轨道模块、电枢模块、脉冲功率电源模块、仿真过程管理模块、参数配置模块、数据记录模块通过接口相互连接，仿真过程中产生的数据通过数据记录模块记录并存储到仿真数据库中；

电磁轨道炮仿真子系统读入仿真优化子系统的优化参数，利用仿真计算优化目标函数，将结果返回仿真优化子系统；电磁轨道炮仿真子系统还读入试验设计子系统生成的试验设计方案，根据试验方案，运行仿真，将数据存储至仿真数据库；

模型验证子系统读取电磁轨道炮仿真子系统存储至仿真数据库的仿真数据，同时读取相关文献或者真实电磁轨道炮试验获得的参考数据，验证电磁轨道炮仿真子系统是否有效；

射击精度分析与评估子系统读取仿真数据库中的弹丸弹着点数据，利用该数据对电磁轨道炮影响射击精度的因素进行分析，估计射击精度参数及计算命中概率。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述电磁轨道炮综合仿真方法的仿真功能由电磁轨道炮仿真子系统与试验设计子系统实现，试验设计子系统生成试验方案，电磁轨道炮仿真子系统读取试验方案，运行仿真；

电磁轨道炮综合仿真方法的验证功能由电磁轨道炮仿真子系统与模型验证子系统实现，电磁轨道炮仿真子系统生成仿真数据，模型验证子系统根据仿真数据及相关文献或者真实电磁轨道炮试验获取的参考数据验证电磁轨道炮仿真子系统与模型验证子系统的有效性；

电磁轨道炮综合仿真方法的优化功能由电磁轨道炮仿真子系统与仿真优化子系统实现，仿真优化子系统配置优化参数，运行优化算法，进而调用电磁轨道炮仿真子系统计算优化目标函数；

电磁轨道炮综合仿真方法的分析、评估功能由电磁轨道炮仿真子系统、试验设计子系统与射击精度与分析与评估子系统实现，试验设计子系统与电磁轨道炮仿真子系统生成仿真数据，射击精度分析与评估子系统利用方差分析、回归分析等方法分析不确定性因素对射击精度的影响，不确定性因素包括弹丸发射初始扰动、随机风；对射击精度参数进行估计，根据目标特性，计算命中概率等；

电磁轨道炮综合仿真方法能够通过灵活的配置，实现电磁轨道炮仿真、验证、优化、分析、评估等功能。

其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是：

电磁轨道炮仿真子系统实现的方法具体过程为：如图2，

步骤一、配置电磁轨道炮仿真子系统中弹丸模块、目标模块、轨道模块、电枢模块、脉冲功率电源模块、仿真过程管理模块、参数配置模块和数据记录模块的参数，包括弹丸模块的弹丸气动数据、外形、质量，目标模块的目标初始位置、运动速度，轨道模块的轨道材料、形状数据、电阻率，电枢模块的电枢形状数据、电阻，脉冲功率电源模块的脉冲功率电源个数、电容、电压、电感。

步骤二、若调用电磁轨道炮仿真子系统计算优化目标函数，则读入仿真优化参数，进行步骤三，若否，则进行步骤四；

步骤三、读入优化参数，包括脉冲功率电源放电时序；

步骤四、若调用电磁轨道炮仿真子系统进行仿真试验，生成射击精度分析需要的仿真数据，则读入干扰因素，进行步骤五，若否，则进行步骤六；

步骤五、读入干扰因素，包括电磁轨道炮初始射角、随机风、内弹道弹丸的质量损失；

步骤六、配置仿真步长与仿真终止条件；

步骤七、运行电磁轨道炮仿真子系统，进行仿真，获取电磁轨道炮仿真数据；

模型验证子系统实现的方法具体过程为：如图3，

步骤一、根据电磁轨道炮仿真子系统应用域及开发目的，确定电磁轨道炮仿真子系统需要验证的指标体系；

步骤二、根据电磁轨道炮仿真子系统组成，采用结构分解方法，建立验证指标体系；

步骤三、选择电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系中的第一个指标的仿真数据与参考数据，并导入模型验证子系统中；

步骤四、对导入模型验证子系统的数据进行分析，若与时间有关，则为动态数据，或称为时间序列，绘制时域曲线，分析其是否具有周期性的特点；若具有周期性，则称为周期性时间序列，若不具有周期性，则称为非周期性时间序列；

步骤五、对于非周期性时间序列，采用Theil不等式系数法或者灰色关联分析法进行分析；对于周期性时间序列，采用最大熵谱分析法或者给予D-S证据理论的时频域结合分析法进行分析；

步骤六、判断是否已完成电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系中所有指标的验证；若是，则执行步骤七，若否，则导入下一个指标的仿真数据与参考数据，执行步骤五；

步骤七、完成验证指标体系中所有指标的验证后，利用层次分析法对电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系进行指标综合，获得电磁轨道炮仿真子系统的验证结果，并综合电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系各个指标的验证结果及整体的验证结果，给出电磁轨道炮仿真子系统验证结论；

仿真优化子系统实现的方法具体过程为：如图4，

步骤一、确定优化目标，即电磁轨道炮弹丸炮口速度；

步骤二、确立优化约束条件，包括放电总电流约束及平稳度约束；

步骤三、选择优化变量及范围，包括脉冲功率电源放电时序的区间范围；

步骤四、根据约束条件及优化变量范围，利用改进粒子群优化算法对电磁轨道炮仿真子系统进行优化；

步骤五、判断是否达到优化目标确定的弹丸炮口速度，若是，则执行步骤八，若否，则执行步骤六；

步骤六、对于同一优化目标、约束条件、优化变量范围，若寻优次数及时间超过限制，则终止优化，执行步骤七，若否，则执行步骤四；

步骤七、修改优化目标、约束条件、优化变量范围，进行步骤四；

步骤八、绘制脉冲功率电源放电电流曲线及弹丸炮口速度与优化变量的散点图，实现电磁轨道炮仿真优化结果可视化；

试验设计子系统实现的方法具体过程为：如图5，

步骤一、建立仿真试验项目，包括试验建立时间、参与试验设计的人员、建立该仿真试验项目的目的；

步骤二、配置电磁轨道炮仿真子系统参数，包括弹丸模块的弹丸气动数据、外形、质量，目标模块的目标初始位置、运动速度，轨道模块的轨道材料、形状数据、电阻率，电枢模块的电枢形状数据、电阻，脉冲功率电源模块的脉冲功率电源个数、电容、电压、电感；

步骤三、设计试验因素集与水平，试验因素集包含影响电磁轨道炮射击精度的因素，包括干扰因素、电磁轨道炮结构参数、脉冲功率电源参数；水平是指正交试验设计或者均匀试验设计过程中每个因素出现的数值个数；

步骤四、选择合适的试验设计方法，当试验因素达到10-99个时，选择正交试验设计与均匀试验设计；当试验因素仅有1-19个或者希望能够要获得更为完整的试验设计方案时，选择蒙特卡洛试验设计；

步骤五、根据选择的试验设计，利用相应的试验设计模块生成试验设计方案；

步骤六、存储试验设计方案，将试验设计方案存储到数据库文件或者以XML格式保存；

射击精度分析与评估子系统包括射击精度分析与射击精度评估两个功能；

射击精度分析实现的方法具体过程为：如图6，

步骤一、对影响电磁轨道炮射击精度的各个因素进行单因素分析，采用回归分析方法，确定各个因素单独作用的情况下对射击精度的影响程度，各个因素为弹丸发射初始扰动和随机风；

步骤二、根据单因素分析结果，选择对电磁轨道炮射击精度影响程度显著的因素为射击精度分析因素集，对于回归分析方法，影响程度显著是指回归方程系数的绝对值超过阈值，阈值为事先给定；

步骤三、将射击精度分析因素集输入到试验设计子系统，生成电磁轨道炮仿真试验方案；

步骤四、将电磁轨道炮仿真试验方案导入电磁轨道炮仿真子系统，运行电磁轨道炮仿真，获得电磁轨道炮射击精度分析需要的仿真数据；

步骤五、利用数据归一化方法对仿真数据进行处理；

步骤六、选择合适的数据分析方法进行射击精度分析，若仿真数据通过正交试验或者均匀试验获得，采用方差分析法或者回归分析法；若仿真数据通过蒙特卡洛试验获得，则采用回归分析方法；采用回归分析法执行步骤七，采用方差分析法执行步骤九；

步骤七、选择合适的射击精度回归模型，包括线性模型、含平方项模型、含交叉项模型、含平方项或交叉项的模型；

步骤八、利用最小二乘法估计回归模型参数，执行步骤十；

步骤九、利用方差分析计算射击精度因素集中的因素对射击精度影响，射击精度因素集可通过步骤二获得，计算完成后，执行步骤十；

步骤十、利用柱状图定量反映射击精度因素集中的因素对电磁轨道炮射击精度的影响，射击精度因素集可通过步骤二获得；

射击精度评估实现的方法具体过程为：如图7，

步骤一、利用试验设计子系统设计试验方案，电磁轨道炮仿真子系统读取试验方案，运行仿真，获取电磁轨道炮弹着点仿真试验数据，对电磁轨道炮弹着点仿真试验数据进行奇异点剔除；

步骤二、对剔除奇异点的电磁轨道炮弹着点仿真试验数据进行正态性检验，验证数据是否符合正态分布；若符合正态分布，则执行步骤三；若不符合正态分布，则返回步骤一，重新设计试验方案，并运行仿真；

步骤三、在完成正态性检验后，对电磁轨道炮弹着点数据的射程方向与散布方向的相关性进行检验；

步骤四、对步骤三检验后的电磁轨道炮弹着点数据绘制电磁轨道炮弹丸落点的散点图；

步骤五、选择射击精度评估方法，即Bayes方法(贝叶斯分析方法)或国军标方法；对电磁轨道炮弹丸落点的散点图进行参数估计；对于国军标方法，利用预处理后的仿真数据，进行均值与方差的检验与估计，CEP估计与检验；

步骤六、对目标特性进行分析，包括目标形状、尺寸；

步骤七、结合目标特性分析与步骤五的参数估计结果，利用拉普拉斯积分法计算电磁轨道炮射击命中概率。

其它步骤及参数与具体实施方式八或九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本发明的电磁轨道炮综合仿真平台体系结构图如图1所示，电磁轨道炮综合仿真平台包括电磁轨道炮仿真子系统、模型验证子系统、仿真优化子系统、试验设计子系统、射击精度分析与评估子系统。其中，电磁轨道炮仿真子系统用于解算电磁轨道炮发射过程中弹丸在内弹道加速模型及在外弹道飞行模型，完成电磁轨道炮仿真任务。模型验证子系统用于计算仿真数据与参考数据的一致性性程度，作为检验电磁轨道炮仿真模型与真实系统是否相似的依据。仿真优化子系统用于对脉冲功率电源放电时序进行优化，实现电磁轨道炮最佳的发射性能。试验设计子系统用于根据仿真试验想定，设计试验方案，将试验设计方案提供给电磁轨道炮仿真子系统使用。射击精度分析与评估子系统用于分析不确定性因素的电磁轨道炮射击性能的影响分析及完成射击精度评估，包括射击精度参数估计与命中概率计算。

电磁轨道炮仿真子系统实现方式如图2所示，电磁轨道炮仿真子系统包含的仿真实体包括弹丸、轨道、脉冲功率电源、电枢、目标等，采用1976年美国标准大气环境进行仿真。首先，配置电磁轨道炮仿真模型的目标参数，包括位置、速度等信息；配置轨道、弹丸、电枢、气动及环境参数，配置脉冲功率电源参数。其次，若电磁轨道炮仿真子系统被仿真优化子系统调用，计算优化目标，则读入优化参数配置，对部分参数进行修改；若电磁轨道炮仿真子系统被试验设计子系统调用，则读入干扰因素设置，对初始扰动、随机风等进行配置。再次，配置仿真步长等参数。最后，运行电磁轨道炮仿真。磁轨道炮仿真子系统能够解算电磁轨道炮发射过程中弹丸在内弹道加速模型及在外弹道飞行模型，将电磁轨道炮仿真子系统各实体的状态信息保存在数据库中。

电磁轨道炮模型验证子系统实现方式如图3所示，电磁轨道炮模型验证子系统包括指标体系建立模块、数据管理模块、模型验证模块、指标综合模块等。在明确仿真模型验证目的的基础上，建立电磁轨道炮仿真模型验证指标体系；其次，配置并导入第一个指标的仿真数据与参考数据；再次，根据绘制的数据曲线图，对数据特点进行分析，选择合适的模型验证方法，配置相关参数，进行模型验证；接着，重复上述步骤，对下一个指标进行验证，直到完成所有指标验证为止；最后，利用层次分析法进行指标综合，得到电磁轨道炮仿真模型整体的验证结果，在评估专家参与的条件下，对电磁轨道炮仿真模型整体验证结果和各个指标的验证结果进行分析。

电磁轨道炮仿真优化子系统实现方式如图4所示，电磁轨道炮仿真优化子系统包括优化参数配置模块、优化模块模块、可视化显示模块等。首先，确定电磁轨道炮优化目标，可以选择弹丸出口速度作为优化目标；其次，确定优化的约束条件、优化变量及优化范围，约束主要是指最大放电电流，优化变量包括脉冲功率电源放电时序等。再次，利用改进粒子群等优化算法进行寻优，判断是否达到优化目标。若未达到优化目标，则判断是否达到优化终止条件，若未达到终止条件，则继续按照原有优化参数配置进行寻优；若达到优化终止条件，则修改优化目标、优化约束条件、优化变量及范围等，重新进行优化。若达到优化目标，则利用合适的图形显示仿真优化结果，优化终止。

电磁轨道炮试验设计子系统实现方式如图5所示，电磁轨道炮试验设计子系统包括仿真试验想定管理模块、试验因素与水平管理模块、试验设计模块、试验设计方案保存模块等。首先，建立电磁轨道炮试验设计任务，添加仿真试验想定；其次，设计电磁轨道炮仿真试验因素集与水平；再次，选择蒙特卡洛试验设计、正交试验设计或者均匀试验设计，生成试验设计方案；最后，将电磁轨道炮试验设计方案储存到数据库中或者以可扩展标记语言(XML)标准存储。试验设计子系统生成的试验设计方案可以提供给综合仿真平台的电磁轨道炮仿真子系统，进行仿真，进而得到相应的仿真试验运行结果。

电磁轨道炮射击精度分析与评估子系统包括射击精度分析模块、射击精度评估模块、数据管理模块、数据可视化模块等。电磁轨道炮射击精度分析过程如图6所示，首先，进行射击精度单因素分析，在大量因素中筛选对射击精度影响显著的因素，确立射击精度分析因素集。其次，利用试验设计子系统，设计仿真试验方案，利用电磁轨道炮仿真子系统进行仿真，得到仿真数据。再次，选择方差分析或者回归分析对仿真数据进行多因素分析，可以选择回归分析与方差分析方法。对于回归分析，确定射击精度回归模型，进行模型计算；对于方差分析，设置方法参数，对数据进行分析。最后，射击精度分析结果的可视化显示。电磁轨道炮射击精度评估过程如图7所示，首先，采用格拉布斯法等方法剔除仿真数据中的奇异点，进行正态性检验，检验射击精度数据的相关性；其次，绘制射击精度分析数据落点散点图。再次，选择合适的射击精度评估方法进行评估，可以选择国军标方法或者Bayes方法；对于国军标方法，对均值与方差进行估计与检验，然后计算CEP。最后，根据目标特性分析，计算命中概率。

电磁轨道炮综合仿真平台涉及大量的模型、算法、数据等仿真资源，同时由于平台的复杂性，需要较多的辅助支撑工具，因此有必要对综合仿真平台的体系结构进行设计。本发明的电磁轨道炮综合仿真平台体系结构图如图8所示。将电磁轨道炮综合仿真平台划分为应用层、工具层、资源层、支撑层组成。应用层展示了电磁轨道炮综合仿真平台能够实现的全弹道仿真、验证、优化、分析、评估功能，工具层给出了电磁轨道炮综合仿真平台的组成，包括电磁轨道炮仿真子系统、模型验证子系统、仿真优化子系统、试验设计子系统、射击精度分析与评估子系统。资源层能够对不同的仿真资源进行存储与管理，包括算法库、模型库、方安库、指标库、因素库、数据库等。支撑层是电磁轨道炮综合仿真平台运行所需要的软件环境，包括操作系统(Windows 7)、视景仿真工具(Creator、Vega)、微软办公软件(Word、Excel、Access)、计算与仿真软件(Matlab)、绘图软件(PE)、开发环境(Visual Studio2010)。电磁轨道炮综合仿真平台体系结构设计能够很好的辅助其实现，同时，分层设计使综合仿真平台具有很强的可扩展性和灵活性，能够更好的支撑电磁轨道炮仿真研究工作。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种电磁轨道炮综合仿真平台，其特征在于：所述的电磁轨道炮综合仿真平台包括电磁轨道炮仿真子系统、模型验证子系统、仿真优化子系统、试验设计子系统、射击精度分析与评估子系统；

电磁轨道炮仿真子系统用于解算电磁轨道炮发射过程中弹丸在内弹道加速模型及外弹道飞行模型；

模型验证子系统用于读取参考数据库中的参考数据及仿真数据库中的仿真数据，利用模型验证方法计算仿真数据与参考数据的一致性程度，作为检验电磁轨道炮仿真子系统的状态及输出能否达到仿真要求精度的依据；

仿真优化子系统用于在满足放电电流约束下，以最大炮口速度为优化目标，对脉冲功率电源放电时序进行优化，使放电电流保持平稳；

试验设计子系统用于针对电磁轨道炮射击精度仿真与分析任务，选择影响射击精度的不确定性因素，在此基础上，选择合适的试验设计方法，生成试验方案；

射击精度分析与评估子系统用于利用多种数据分析方法对电磁轨道炮射击精度进行分析，进而评估射击精度参数，并根据目标特性计算命中概率。

2.根据权利要求1所述的一种电磁轨道炮综合仿真平台，其特征在于：所述电磁轨道炮仿真子系统包括：

用于解算电磁轨道炮弹丸内弹道加速过程及外弹道飞行的弹丸模块；

用于解算轨道与电枢的力学关系及轨道与脉冲功率电源的电磁关系的轨道模块；

用于解算脉冲功率电源放电过程中电磁特性的脉冲功率电源模块；

用于解算电枢、弹丸、轨道三者之间力学关系的电枢模块；

用于解算目标运动模型的目标模块；

用于对电磁轨道炮仿真子系统的参数进行配置的参数配置模块；

用于控制电磁轨道炮仿真子系统运行的仿真过程管理模块；

用于记录与存储电磁轨道炮仿真过程中产生的仿真数据的数据记录模块。

3.根据权利要求1所述的一种电磁轨道炮综合仿真平台，其特征在于：所述模型验证子系统包括：

用于分析仿真数据与参考数据的距离的Theil不等式系数分析模块；

用于分析仿真数据与参考数据的形状相似性的灰色关联分析模块；

用于分析仿真数据与参考数据的频谱特征一致性的最大熵谱分析模块；

用于分析仿真数据与参考数据的时域与频域特征一致性的基于D-S证据理论的时频域结合验证模块。

4.根据权利要求1所述的一种电磁轨道炮综合仿真平台，其特征在于：所述仿真优化子系统包括：

用于优化变量选择及范围设定，优化目标及约束条件配置的优化参数配置模块；

用于对电磁轨道炮发射性能进行优化的改进粒子群优化模块。

5.根据权利要求1所述的一种电磁轨道炮综合仿真平台，其特征在于：所述试验设计子系统包括：

用于对电磁轨道炮系统仿真进行正交试验设计、均匀试验设计、蒙特卡洛试验设计的试验设计模块；

用于导出试验设计方案为数据库文件或者XML文件的试验方案生成模块。

6.根据权利要求1所述的一种电磁轨道炮综合仿真平台，其特征在于：所述射击精度分析与评估子系统包括：

用于对电磁轨道炮外弹道仿真数据进行奇异点剔除、正态性检验、相关性检验的数据预处理模块；

用于对电磁轨道炮外弹道仿真数据进行方差分析与回归分析的射击精度分析模块；

用于对电磁轨道炮射击参数估计与命中概率计算的射击精度评估模块。

7.一种电磁轨道炮综合仿真方法，其特征在于，电磁轨道炮综合仿真方法具体过程为：

电磁轨道炮仿真子系统的目标模块、弹丸模块、轨道模块、电枢模块、脉冲功率电源模块、仿真过程管理模块、参数配置模块、数据记录模块通过接口相互连接，仿真过程中产生的数据通过数据记录模块记录并存储到仿真数据库中；

电磁轨道炮仿真子系统读入仿真优化子系统的优化参数，利用仿真计算优化目标函数，将结果返回仿真优化子系统；电磁轨道炮仿真子系统还读入试验设计子系统生成的试验设计方案，根据试验方案，运行仿真，将数据存储至仿真数据库；

模型验证子系统读取电磁轨道炮仿真子系统存储至仿真数据库的仿真数据，同时读取真实电磁轨道炮试验获得的参考数据，验证电磁轨道炮仿真子系统是否有效；

射击精度分析与评估子系统读取仿真数据库中的弹丸弹着点数据，利用该数据对电磁轨道炮影响射击精度的因素进行分析，估计射击精度参数及计算命中概率。

8.根据权利要求7所述的电磁轨道炮综合仿真方法，其特征在于：电磁轨道炮综合仿真方法的仿真功能由电磁轨道炮仿真子系统与试验设计子系统实现，试验设计子系统生成试验方案，电磁轨道炮仿真子系统读取试验方案，运行仿真；

电磁轨道炮综合仿真方法的验证功能由电磁轨道炮仿真子系统与模型验证子系统实现，电磁轨道炮仿真子系统生成仿真数据，模型验证子系统根据仿真数据及真实电磁轨道炮试验获取的参考数据验证电磁轨道炮仿真子系统与模型验证子系统的有效性；

电磁轨道炮综合仿真方法的优化功能由电磁轨道炮仿真子系统与仿真优化子系统实现，仿真优化子系统配置优化参数，运行优化算法，进而调用电磁轨道炮仿真子系统计算优化目标函数；

电磁轨道炮综合仿真方法的分析、评估功能由电磁轨道炮仿真子系统、试验设计子系统与射击精度分析与评估子系统实现，试验设计子系统与电磁轨道炮仿真子系统生成仿真数据，射击精度分析与评估子系统利用方差分析、回归分析方法分析不确定性因素对射击精度的影响，不确定性因素包括弹丸发射初始扰动、随机风；对射击精度参数进行估计，根据目标特性，计算命中概率。

9.根据权利要求7或8所述的电磁轨道炮综合仿真方法，其特征在于：

电磁轨道炮仿真子系统实现的方法具体过程为：

步骤一、配置电磁轨道炮仿真子系统中弹丸模块、目标模块、轨道模块、电枢模块、脉冲功率电源模块、仿真过程管理模块、参数配置模块和数据记录模块的参数，包括弹丸模块的弹丸气动数据、外形、质量，目标模块的目标初始位置、运动速度，轨道模块的轨道材料、形状数据、电阻率，电枢模块的电枢形状数据、电阻，脉冲功率电源模块的脉冲功率电源个数、电容、电压、电感；

步骤二、若调用电磁轨道炮仿真子系统计算优化目标函数，则读入仿真优化参数，进行步骤三，若否，则进行步骤四；

步骤三、读入优化参数，包括脉冲功率电源放电时序；

步骤四、若调用电磁轨道炮仿真子系统进行仿真试验，生成射击精度分析需要的仿真数据，则读入干扰因素，进行步骤五，若否，则进行步骤六；

步骤五、读入干扰因素，包括电磁轨道炮初始射角、随机风、内弹道弹丸的质量损失；

步骤六、配置仿真步长与仿真终止条件；

步骤七、运行电磁轨道炮仿真子系统，进行仿真，获取电磁轨道炮仿真数据；

模型验证子系统实现的方法具体过程为：

步骤一、确定电磁轨道炮仿真子系统需要验证的指标体系；

步骤二、根据电磁轨道炮仿真子系统组成，采用结构分解方法，建立验证指标体系；

步骤三、选择电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系中的第一个指标的仿真数据与参考数据，并导入模型验证子系统中；

步骤四、对导入模型验证子系统的数据进行分析，若与时间有关，则为动态数据，或称为时间序列，绘制时域曲线，分析其是否具有周期性的特点；若具有周期性，则称为周期性时间序列，若不具有周期性，则称为非周期性时间序列；

步骤五、对于非周期性时间序列，采用Theil不等式系数法或者灰色关联分析法进行分析；对于周期性时间序列，采用最大熵谱分析法或者给予D-S证据理论的时频域结合分析法进行分析；

步骤六、判断是否已完成电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系中所有指标的验证；若是，则执行步骤七，若否，则导入下一个指标的仿真数据与参考数据，执行步骤四；

步骤七、完成验证指标体系中所有指标的验证后，利用层次分析法对电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系进行指标综合，获得电磁轨道炮仿真子系统的验证结果，并综合电磁轨道炮仿真子系统验证指标体系各个指标的验证结果及整体的验证结果，给出电磁轨道炮仿真子系统验证结论；

仿真优化子系统实现的方法具体过程为：

步骤一、确定优化目标，即电磁轨道炮弹丸炮口速度；

步骤二、确立优化约束条件，包括放电总电流约束及平稳度约束；

步骤三、选择优化变量及范围，包括脉冲功率电源放电时序的区间范围；

步骤四、根据约束条件及优化变量范围，利用改进粒子群优化算法对电磁轨道炮仿真子系统进行优化；

步骤五、判断是否达到优化目标确定的弹丸炮口速度，若是，则执行步骤八，若否，则执行步骤六；

步骤六、对于同一优化目标、约束条件、优化变量范围，若寻优次数及时间超过限制，则终止优化，执行步骤七，若否，则执行步骤四；

步骤七、修改优化目标、约束条件、优化变量范围，进行步骤四；

步骤八、绘制脉冲功率电源放电电流曲线及弹丸炮口速度与优化变量的散点图，实现电磁轨道炮仿真优化结果可视化；

试验设计子系统实现的方法具体过程为：

步骤一、建立仿真试验项目，包括试验建立时间、参与试验设计的人员、建立该仿真试验项目的目的；

步骤二、配置电磁轨道炮仿真子系统参数，包括弹丸模块的弹丸气动数据、外形、质量，目标模块的目标初始位置、运动速度，轨道模块的轨道材料、形状数据、电阻率，电枢模块的电枢形状数据、电阻，脉冲功率电源模块的脉冲功率电源个数、电容、电压、电感；

步骤三、设计试验因素集与水平，试验因素集包含影响电磁轨道炮射击精度的因素，包括干扰因素、电磁轨道炮结构参数、脉冲功率电源参数；水平是指正交试验设计或者均匀试验设计过程中每个因素出现的数值个数；

步骤四、选择试验设计方法，当试验因素达到10-99个时，选择正交试验设计与均匀试验设计；当试验因素仅有1-19个或要获得完整的试验设计方案时，选择蒙特卡洛试验设计；

步骤五、根据选择的试验设计，生成试验设计方案；

步骤六、存储试验设计方案，将试验设计方案存储到数据库文件或者以XML格式保存；

射击精度分析与评估子系统包括射击精度分析与射击精度评估两个功能；

射击精度分析实现的方法具体过程为：

步骤一、对影响电磁轨道炮射击精度的各个因素进行单因素分析，采用回归分析方法，确定各个因素单独作用的情况下对射击精度的影响程度，各个因素为弹丸发射初始扰动和随机风；

步骤二、根据单因素分析结果，选择对电磁轨道炮射击精度影响程度显著的因素为射击精度分析因素集，对于回归分析方法，影响程度显著是指回归方程系数的绝对值超过阈值，阈值为事先给定；

步骤三、将射击精度分析因素集输入到试验设计子系统，生成电磁轨道炮仿真试验方案；

步骤四、将电磁轨道炮仿真试验方案导入电磁轨道炮仿真子系统，运行电磁轨道炮仿真子系统，获得电磁轨道炮射击精度分析需要的仿真数据；

步骤五、利用数据归一化方法对仿真数据进行处理；

步骤六、若仿真数据通过正交试验或者均匀试验获得，采用方差分析法或者回归分析法；

若仿真数据通过蒙特卡洛试验获得，则采用回归分析方法；采用回归分析法执行步骤七，采用方差分析法执行步骤九；

步骤七、选择射击精度回归模型，包括线性模型、含平方项模型、含交叉项模型、含平方项或交叉项的模型；

步骤八、利用最小二乘法估计回归模型参数，执行步骤十；

步骤九、利用方差分析计算射击精度因素集中的因素对射击精度影响，射击精度因素集可通过步骤二获得，计算完成后，执行步骤十；

步骤十、利用柱状图定量反映射击精度因素集中的因素对电磁轨道炮射击精度的影响，射击精度因素集可通过步骤二获得；

射击精度评估实现的方法具体过程为：

步骤一、利用试验设计子系统设计试验方案，电磁轨道炮仿真子系统读取试验方案，运行仿真，获取电磁轨道炮弹着点仿真试验数据，对电磁轨道炮弹着点仿真试验数据进行奇异点剔除；

步骤二、对剔除奇异点的电磁轨道炮弹着点仿真试验数据进行正态性检验，验证数据是否符合正态分布；若符合正态分布，则执行步骤三；若不符合正态分布，则返回步骤一，重新设计试验方案，并运行仿真；

步骤三、在完成正态性检验后，对电磁轨道炮弹着点数据的射程方向与散布方向的相关性进行检验；

步骤四、对步骤三检验后的电磁轨道炮弹着点数据绘制电磁轨道炮弹丸落点的散点图；

步骤五、选择射击精度评估方法，即贝叶斯分析方法或国军标方法；对电磁轨道炮弹丸落点的散点图进行参数估计；

步骤六、对目标特性进行分析，包括目标形状、尺寸；

步骤七、结合目标特性分析与步骤五的参数估计结果，利用拉普拉斯积分法计算电磁轨道炮射击命中概率。