CN114492170A - 一种典型目标易损性毁伤评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种典型目标易损性毁伤评估方法及系统，包括步骤：确定地图环境模型、战斗部模型、目标易损性模型和弹目交汇条件；生成目标易损性模型的目标毁伤树；建立转换矩阵获取弹目交汇前后的相对位置关系；基于蒙特卡罗方法与圆概率偏差确定瞄准点坐标生成随机落点，计算弹目运动学参数和战斗部毁伤元静态威力场叠加的终点效应，并通过射线检测法确定毁伤效应场分布和零部件受载状态；根据毁伤判据、毁伤元类型进行目标部件物理毁伤分析，确定部件的毁伤概率；根据毁伤树最小割集理论确定目标整体毁伤率。本发明可展开不同武器类型、不同用药量对不同目标的毁伤等级、毁伤概率、耗弹量和打击方案的对比评估。
Description
技术领域
本发明涉及目标毁伤效果评估领域，具体涉及一种典型目标易损性毁伤评估方法及系统。
背景技术
随着计算机技术和仿真理论的发展，爆炸、侵彻、冲击等具有军事应用背景的高级仿真技术日趋成熟稳定。同时，在日益增长的实战化需求的驱动下，以精准建模仿真技术为基础的毁伤评估技术逐步成为主流趋势。毁伤评估技术由二战时期发展到现在，已经从以定性分析为主，进入到了以定量分析为主的阶段。目标毁伤效果的仿真评估方法研究，从简单的终点效应威力参数评估发展到实战毁伤威力的仿真模拟，评估目标也从简单的简化目标发展到复杂的三维目标，降低人为因素造成的毁伤评估结果的干扰，其智能化水平明显提高，并且应用在军事系统的多个方面。在和武器系统研制方面，毁伤效能分析与评估技术贯穿于的其全寿命周期。在模拟仿真训练方面，毁伤评估系统为参训人员提供敌我双方攻防武器的真实效能，大幅提升实战化训练水平和单兵实力，降低真实战场中的伤亡。国内对毁伤评估技术的起步晚，虽然在多种战斗部及目标的毁伤评估方面都运用了计算机建模仿真技术，但是这些仿真过于单一、分散和理想化，没有形成一个完整成熟的系统，与实际评估需求差距较大。目标毁伤效果评估系统的研究涉及包括武器毁伤学、弹道学、外延仿真建模等多个领域。将各领域中与毁伤效果评估相关的知识进行抽象、归纳，并最终应用到系统当中实现.还需要做很多工作，特别是实兵联合训练这种坏境复杂多变，参训武器种类繁多的系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种典型目标易损性毁伤评估方法及系统，解决不同武器类型、不同用药量对不同目标的毁伤等级、毁伤概率、耗弹量和打击方案的评估与效能分析，为目标防护设计、武器弹药研制和模拟训练仿真等方面提供仿真平台和技术支持。
实现本发明目的的技术方案为：
一种典型目标易损性毁伤评估方法，包括步骤：
确定地图环境模型、战斗部模型、目标易损性模型和弹目交汇条件；
基于目标的功能与物理毁伤的映射关系生成目标易损性模型的目标毁伤树；
建立弹体坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵，获取弹目交汇前后的相对位置关系；
基于蒙特卡罗方法与圆概率偏差确定瞄准点坐标生成随机落点，计算弹目运动学参数和战斗部毁伤元静态威力场叠加的终点效应，并通过射线检测法确定毁伤效应场分布和零部件受载状态；
根据毁伤判据、毁伤元类型进行目标部件物理毁伤分析，确定部件的毁伤概率；
根据毁伤树最小割集理论确定目标整体毁伤率，获取毁伤效能评估结论。
一种典型目标易损性毁伤评估系统，包括模型数据库模块、想定方案设计模块和视景仿真演示模块，其中：
所述模型数据库模块，用于地图环境模型、战斗部模型、目标易损性模型和弹目交汇条件参数的信息数据的存储、输入和编辑，并基于目标的功能与物理毁伤的映射关系生成目标易损性模型的目标毁伤树；
所述想定方案设计模块，用于目标毁伤评估的整合管理，包含目标毁伤评估想定方案的设计、可视化编辑以及仿真过程的想定修改，所述目标毁伤评估想定方案的设计包括：建立弹体坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵，获取弹目交汇前后的相对位置关系；进行毁伤效能分析，基于蒙特卡罗方法与圆概率偏差确定瞄准点坐标生成随机落点，计算弹目运动学参数和战斗部毁伤元静态威力场叠加的终点效应，并通过射线检测法确定毁伤效应场分布和零部件受载状态；根据毁伤判据、毁伤元类型进行目标部件物理毁伤分析，确定部件的毁伤概率；根据毁伤树最小割集理论确定目标整体毁伤率，获取毁伤效能评估结论；
所述视景仿真演示模块，用于目标毁伤评估仿真过程的运行控制、动态干预、评估过程的记录以及评估结果显示。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明战斗部种类涵盖聚能、破片、侵彻和爆轰四种，典型目标涵盖地面装甲、空中轻甲以及地面建筑三类，且预留接口用于其他类型目标的拓展，可展开不同武器类型、不同用药量对不同目标的毁伤等级、毁伤概率、耗弹量和打击方案的对比评估，提高了评估准确性，为目标防护设计、武器弹药研制和模拟训练仿真等方面提供平台和技术支持。
附图说明
图1为本发明毁伤评估系统组成图。
图2为本发明毁伤评估方法流程图。
图3为实施例中M级毁伤树图。
图4为实施例中弹目交会分析图。
图5为实施例中坦克目标易损性毁伤分析过程与评估的演示场景图。
图6为实施例中空中目标(直升机)易损性毁伤分析过程与评估的演示场景图。
图7为实施例中地面建筑模板易损性毁伤分析过程与评估的演示场景图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种典型目标易损性毁伤评估系统，包括模型数据库模块、想定方案设计模块和视景仿真演示模块。
所述的模型数据库模块，用于地图环境、战斗部毁伤元、目标易损性模型的信息数据的存储、输入和编辑；
所述的想定方案设计模块，用于典型目标易损性毁伤评估的整合管理，包含典型目标易损性毁伤评估想定方案的设计、评估模型的可视化编辑以及仿真过程的想定修改三个部分；
所述的视景仿真演示模块，用于典型目标易损性毁伤评估仿真过程的运行控制、动态干预、评估过程的记录以及评估结果显示。
进一步地，所述的模型数据库模块中地图环境模型主要包含典型目标与武器的交汇地形地貌以、周边环境和天气状态等模型信息。战斗部模型主要包含其战斗部/毁伤元的类型、几何特征、物理参数及毁伤能力，战斗部模型数据中预制聚能、侵彻、破片和爆轰四类毁伤模式的战斗部类型，并支持自定义战斗部类型输入与依托已有类型战斗部威力场性能修改。已有战斗部威力场性能可以编辑的参数包括聚能或侵彻类战斗部的侵彻深度，破片类战斗部的破片质量分布、空间飞散特性、初始速度以及速度衰减规律等，爆轰类战斗部的冲击波峰值超压函数。目标易损性模型库预制以地面装甲为代表的坦克车模型、以空中轻甲为代表的战斗机和武装直升机模型以及以地面建筑物为代表的坑道式指挥所模型。目标易损性模型由结构性的防护舱段和功能性的要害舱段组成，即易损性模型中包含目标的类型、几何特征、物理参数和功能部件特性及其相对关系。在目标模型可视化编辑，支持调用或编辑系统预制目标易损性模型，同时支持通用几何模型格式(*.stp/*.fbx)文件的导入与编辑，即根据导入几何模型信息拾取目标防护舱段，定义防护装甲厚度和材料强度等参数，通过建立基本几何体(如长方体、圆柱体、圆台体及圆锥体等)定义要害舱段(如火控计算机等功能性设备部件)的位置、尺寸和等效强度等信息，并且利用数据库技术完成目标模型数据的整合，建立目标数据表、毁伤等级数据表、毁伤树数据表、等效三维功能性模型数据表、部件材料特性数据表以及毁伤判据数据表。
进一步地，所述的想定方案设计模块的想定方案设置包括毁伤评估工况的整合管理，即确定弹型、目标易损性模型(含毁伤树)、场景(地形、气候等环节因素)及弹目交汇条件(如弹目运行轨迹、攻击位置、角度等)等。毁伤效能分析的功能是基于想定方案输入评估目标在典型战斗部打击下的毁伤评估，得到目标在不同毁伤等级下的耗弹量、不同武器类型、不同数量、不同攻击参数下的打击方案比较评估。仿真想定修改功能是对已建立的评估工况的编辑和补充。
进一步地，所述的视景仿真演示模块的仿真运行控制功能主要通过暂停、继续、切换、结束、变速等运行控制操作控制仿真进程。动态干预功能是能够在仿真运行过程中根据实际需求临时实施各类干预活动，如力量增减、命令下达、位置调整和实时攻击等。
如图2所示，该系统进行典型目标易损性毁伤评估的实施步骤：
步骤1：选择或编辑需要打击目标的武器战斗部的相关参数；导入或编辑需评估的目标模型，建立目标易损性模型与基于目标的功能与物理毁伤的映射关系生成目标毁伤树；
步骤2：启动想定方案设计模块，整合管理待评估目标的毁伤分析工况，包括设置确定选择弹型、目标易损性模型(含毁伤树)、场景(地形、气候等环节因素)及弹目交汇条件(如弹目运行轨迹、攻击位置、角度等)等；
步骤3：调用毁伤效能分析，主要包括调用步骤2的分析工况场景与模型参数，基于蒙特卡罗方法与圆概率偏差确定瞄准点坐标生成随机落点，计算弹目运动学参数和战斗部毁伤元静态威力场叠加的终点效应，并射线检测法给出毁伤效应场分布和零部件受载状态；
步骤4：依据毁伤判据、毁伤元类型展开目标部件物理毁伤分析，然后计算目标整体毁伤律，得出毁伤效能评估结论；
步骤5：根据毁伤树最小割集理论，计算目标整体毁伤律，得出毁伤效能评估结论；
步骤6：将评估过程与评估结论通过可视化模块进行虚拟演示。
实施例1
基于聚能破甲战斗部对地面装甲目标毁伤评估的实施过程。
步骤1，在模型数据库中选择聚能类战斗部并输入战斗部毁伤能力的相关参数，具体参数见表1。
表1战斗部参数
选择地面装甲目标坦克模型，进入目标可视化编辑模块，编辑和修改坦克目标易损性模型参数；由于坦克部件的材料组成十分复杂，本系统方法是将其实际结构实际材料强度和厚度与均质钢板等效，等效公式为：
其中，δ'为目标材料的等效厚度，δ为原材料厚度；σm为原材料的屈服强度，σt为等效材料的屈服强度。坦克目标易损性模型的防护舱段参数如所示表2；
表2坦克目标信息表
根据坦克目标易损性模型要害舱段特性、位置、尺寸和强度等信息，采用基本几何体建立其功能性部件的易损性参数信息。利用数据库技术建立目标轮廓、毁伤等级、等效三维功能、部件材料特性及功能毁伤与物理毁伤映射等信息数据表，完成目标易损性模型毁伤树的建立。
本实施例中，坦克毁伤级别分为M、F和K三级，其中M级表示目标无法完成与移动相关作战任务；F级表示无法来完成进攻类作战任务，K级表示目标灾难性毁伤。坦克目标易损性模型信息如表2和表3所示，M级毁伤树见图3。
表3坦克目标表
步骤2，启动想定方案设计模块，确定已完成修订的聚能战斗部模型、坦克目标易损性模型和沙漠地形图、“弹目”交会条件设置等信息。其中“弹目”交会条件如图4所示，
设弹体坐标系O1-x1y1z1和坦克目标坐标系O-xyz，其中点C(x0,y0,z0)为射弹飞行面落点，A点为弹在目标平面上的投影点，即弹侵入目标落点，设弹在坦克车体附近爆炸，此时弹的随机弹道与z1平行，则z1与z的夹角θ为弹随机弹道的入射角；同时，OB为z1轴在目标坐标系xyz面上的投影，此时OB与x轴之间的夹角γ即为射弹随机弹道的方位角；进行方位角和入射角两次旋转将射弹飞行面旋转至坦克目标平面，将飞行平面绕z1轴旋转γ角度，此时可得到如下式子：
其中，(x'1,y'1,z'1)为两次旋转变换之间的过渡坐标。然后，再将旋转后的坐标系绕轴旋转θ角度，则：
即得到弹体坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵N为，由此建立弹目交汇前后的相对位置关系。
步骤3，调用毁伤效能分析，常规导弹的落点散布服从二维正态分布。一般情况下纵向散布标准差σx与横向的散布标准差σy相差不大。弹着点散布精度通常用圆概率误差CEP来表述，如果导弹的瞄准点坐标为(X0,Y0),则单发射击时，弹的随机落点计算公式为：
式中，CEP为导弹落点散步的圆概率偏差，r1和r2为服从[0,1]分布的随机数。经过多次抽样计算弹着点获得部件毁伤概率。
步骤4、聚能类战斗部毁伤装甲类目标采用侵彻深度或剩余厚度来描述毁伤律，未考虑侵彻过程中的高温对坦克部件和乘员的危害采取的部件毁伤概率计算公式为：
Pb-jn＝Pj×Ps
式中：Pj为侵彻深度的概率，Ps为部件被击穿后失效的概率。其中侵彻深度的概率Pj服从正态分布
为侵彻深度均值，σ为标准差(
σ为战斗部毁伤元特性参数，根据可用户自定义或预制)。则要害舱段毁伤准则为防护舱段剩余厚度小于零即为失效，其部件被击穿后失效的概率为：
步骤5、根据毁伤树最小割集概率决定目标毁伤级别发生的概率，如果最小割集间相互独立，设最小割集Cj中包含m个底事件，毁伤概率分布为Pbi,(Pbi为第i个部件受到毁伤元打击的概率)，因为Cj是底事件的积事件，故最小割集Cj的概率为：
而顶事件T又是n个最小割集的和事件，则顶事件概率为：
若各最小割集间因含有相同底事件等原因并不相互独立，则采取容斥原理计算，即：
步骤6，将目标毁伤分析过程与评估结果通过视景仿真模块进行虚拟演示，演示画面如图5所示。
实施例2
基于破片战斗部对空中目标(直升机)毁伤评估的实施过程。其中，步骤1、2、3、5操作、理论和程序内核基本一致，不在赘述；
步骤4；破片类战斗部击穿目标防护装甲采用破片比动能Eb衡量，破片的比动能关系式可表示为：
其中，
S为破片展现面积(或称破片迎风面积)；且mf为破片碰靶时的质量；vb为破片碰靶时的速度；φ为破片形状系数，bAl为等效铝厚度，
σAL为硬铝材料屈服强度，σb原材料屈服强度，b0为部件原材料厚度，钢质破片形状系数φ的取值如表4所示。
表4钢质破片形状系数φ值
单枚破片击穿概率pjc与Eb的关系为：
在不计多枚破片对目标的损伤积累即每枚破片杀伤目标为独立事件时，假设部件的第i个面上命中有m个破片，则根据独立事件的和事件概率计算原则，该面上命中的破片对部件的杀伤概率为：
综合考虑部件模型的六个面，不同破片可能会击中不同的面，则该部件的杀伤概率为：
在破片机械贯穿中因热效应引起易燃材料发生燃烧，导致部件毁伤。破片撞击对燃料箱的引燃概率与目标飞行高度有关，随着高度的增加，周围环境的温度和压力降低，引燃概率降低。在高度H上破片撞击引燃燃料箱的概率近似为:
式中:
为在地面破片撞击对燃料箱的引燃概率；H为飞机飞行高度；F(H)为高度对引燃概率的影响函数。引燃概率：
破片的引爆毁伤是指破片在击穿目标战斗部壳体后引起装炸药发生爆炸。破片引爆弹药战斗部的概率为
式中，
ρd为弹药战斗部炸药装药密度；ρt为弹药战斗部壳体材料密度；hz为弹药战斗部壳体等效硬铝厚度，m为破片质量。
步骤6，将目标毁伤分析过程与评估结果通过视景仿真模块进行虚拟演示，演示画面如图6所示。
实施例3
基于爆轰类战斗部对地面建筑物(坑道式指挥所)毁伤评估的实施过程。其中，步骤1、2、3、5操作、理论和程序内核基本一致，不在赘述；
爆轰类战斗部对建筑类目标毁伤采用冲击波超压衡量。考虑战斗部装药驱动弹壳体产生的破片飞散所消耗的能量，取爆轰后冲击波的压力变小为原来的一半左右。
冲击波超压：
杀伤概率：
式中，w为主装炸药TNT当量值，R为目标距离爆心的距离，△pf和△pcr为冲击波场杀伤目标的超压的有效范围。对于飞机类目标，一般取△pcr＝0.05Mpa、△pf＝0.20MPa。
混凝土结构在爆炸载荷作用下形成剥落和贯穿破坏的阈值，用于分析和评估装药和战斗部爆炸对混凝土结构的破坏，
剥落的阈值为：
a＝-0.02511,b＝0.01004,c＝0.13613
贯穿破坏的阈值为：
其中：T混凝土结构厚度(ft)；R混凝土板距离装药重心距离(ft)；fc为混凝土压缩强度(psi)；Wadj＝0.5*W，其中W为等效TNT装药质量(lb)。
步骤6，将目标毁伤分析过程与评估结果通过视景仿真模块进行虚拟演示，演示画面如图7所示。
本系统战斗部种类涵盖聚能、破片、侵彻和爆轰四种，典型目标涵盖地面装甲、空中轻甲以及地面建筑三类，且预留接口用于其他类型目标的拓展，可展开不同武器类型、不同用药量对不同目标的毁伤等级、毁伤概率、耗弹量和打击方案的对比评估。为目标防护设计、武器弹药研制和模拟训练仿真等方面提供平台和技术支持。
Claims (10)
1.一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，包括步骤：
确定地图环境模型、战斗部模型、目标易损性模型和弹目交汇条件；
基于目标的功能与物理毁伤的映射关系生成目标易损性模型的目标毁伤树；
建立弹体坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵，获取弹目交汇前后的相对位置关系；
基于蒙特卡罗方法与圆概率偏差确定瞄准点坐标生成随机落点，计算弹目运动学参数和战斗部毁伤元静态威力场叠加的终点效应，并通过射线检测法确定毁伤效应场分布和零部件受载状态；
根据毁伤判据、毁伤元类型进行目标部件物理毁伤分析，确定部件的毁伤概率；
根据毁伤树最小割集理论确定目标整体毁伤率，获取毁伤效能评估结论。
2.根据权利要求1所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，所述建立弹体坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵具体包括：
设弹体坐标系O1-x1y1z1和坦克目标坐标系O-xyz，另点C(x0，y0，z0)为射弹飞行面落点，A点为弹在目标平面上的投影点，即弹侵入目标落点，设弹爆炸时，弹的随机弹道与z1轴平行，则z1轴与z轴的夹角θ为弹随机弹道的入射角；另OB为z1轴在目标坐标系O-xyz面上的投影，OB与x轴之间的夹角γ为射弹随机弹道的方位角；将飞行平面绕z1轴旋转γ角度，此时可得到C点坐标为：
将旋转后的坐标系绕轴旋转θ角度，则C点坐标为：
得到弹体坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵N为：
3.根据权利要求1所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，所述随机落点为：
式中，(X0，Y0)为瞄准点坐标，(X、Y)为随机落点坐标，σx为纵向散布标准差，σy横向的散布标准差，CEP为导弹落点散步的圆概率偏差，r1和r2为服从[0，1]分布的随机数。
4.根据权利要求1所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，所述根据毁伤树最小割集理论确定目标整体毁伤率为：
式中，m表示最小割集Cj中包含底事件的个数，Pbi为毁伤概率分布，n为最割集的个数，顶事件T是n个最小割集的和事件，P(T)为顶事件概率，即目标整体毁伤率。
5.根据权利要求1所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，所述战斗部为选择聚能类战斗部，目标为装甲类目标，地图环境为沙漠，聚能类战斗部毁伤装甲类目标采用侵彻深度或剩余厚度来描述毁伤律，部件毁伤概率为：
Pb-jn＝Pj×Ps
式中，Pj为侵彻深度的概率，Ps为部件被击穿后失效的概率，其中侵彻深度的概率Pj服从正态分布
为侵彻深度均值，σ为标准差，部件被击穿后失效的概率为：
式中，x为实际侵彻深度。
6.根据权利要求1所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，所述战斗部为破片战斗部，目标为空中目标，破片类战斗部击穿目标防护装甲采用破片比动能Eb衡量，破片比动能Eb为：
其中，
S为破片展现面积；mf为破片碰靶时的质量；vb为破片碰靶时的速度；φ为破片形状系数，bAl为等效铝厚度，
σAL为硬铝材料屈服强度，σb原材料屈服强度，b0为部件原材料厚度；
单枚破片击穿概率pjc与Eb的关系为：
部件的杀伤概率为：
其中，i、m表示第i个面上命中有m个破片；
空中目标引燃燃料箱的引燃概率为：
破片引爆弹药战斗部的概率为：
式中，
ρd为弹药战斗部炸药装药密度；ρt为弹药战斗部壳体材料密度；hz为弹药战斗部壳体等效硬铝厚度，m为破片质量。
7.根据权利要求1所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，所述战斗部为爆轰类战斗部，目标为地面建筑物，杀伤概率为：
式中，Δpcjb为冲击波超压，w为主装炸药TNT当量值，R为目标距离爆心的距离，Δpf和Δpcr为冲击波场杀伤目标的超压的有效范围；
地面建筑物的混凝土结构在爆炸载荷作用下形成的剥落和贯穿破坏的阈值为：
剥落阈值为：
a＝-0.02511，b＝0.01004，c＝0.13613
贯穿破坏阈值为：
a＝0.028205，b＝0.144308，c＝0.049265
式中，T混凝土结构厚度；R混凝土板距离装药重心距离；fc为混凝土压缩强度；Wadj＝0.5*E，W为等效TNT装药质量。
8.根据权利要求7所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，所述目标为飞机类目标，Δpcr＝0.05Mpa、Δpf＝0.20MPa。
9.根据权利要求1～8任一所述的一种典型目标易损性毁伤评估方法，其特征在于，还包括步骤：将评估过程与评估结论进行可视化虚拟演示。
10.一种典型目标易损性毁伤评估系统，其特征在于，包括模型数据库模块、想定方案设计模块和视景仿真演示模块，其中：
所述模型数据库模块，用于地图环境模型、战斗部模型、目标易损性模型和弹目交汇条件参数的信息数据的存储、输入和编辑，并基于目标的功能与物理毁伤的映射关系生成目标易损性模型的目标毁伤树；
所述想定方案设计模块，用于目标毁伤评估的整合管理，包含目标毁伤评估想定方案的设计、可视化编辑以及仿真过程的想定修改，所述目标毁伤评估想定方案的设计包括：建立弹体坐标系与目标坐标系之间的转换矩阵，获取弹目交汇前后的相对位置关系；进行毁伤效能分析，基于蒙特卡罗方法与圆概率偏差确定瞄准点坐标生成随机落点，计算弹目运动学参数和战斗部毁伤元静态威力场叠加的终点效应，并通过射线检测法确定毁伤效应场分布和零部件受载状态；根据毁伤判据、毁伤元类型进行目标部件物理毁伤分析，确定部件的毁伤概率；根据毁伤树最小割集理论确定目标整体毁伤率，获取毁伤效能评估结论；
所述视景仿真演示模块，用于目标毁伤评估仿真过程的运行控制、动态干预、评估过程的记录以及评估结果显示。
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