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        近程高射速反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)大閉環(huán)校射新方法

        2011-03-07 06:21:06黃義汪德虎黃景德孫續(xù)文
        艦船科學(xué)技術(shù) 2011年4期
        關(guān)鍵詞:射速近程艦炮

        黃義,汪德虎,黃景德,孫續(xù)文

        (海軍大連艦艇學(xué)院導(dǎo)彈與艦炮系,遼寧大連 116018)

        0 引言

        現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈的突防能力進(jìn)一步增強(qiáng),對(duì)水面艦艇構(gòu)成了致命威脅。為了有效抗擊反艦導(dǎo)彈,提高水面艦艇戰(zhàn)場(chǎng)生存能力,各國海軍都極為重視艦艇防空體系建設(shè),大力發(fā)展遠(yuǎn)、中、近全域覆蓋的防空反導(dǎo)體系。近程反導(dǎo)任務(wù)由高射速小口徑艦炮承擔(dān),高射速小口徑艦炮主要靠密集的彈幕反導(dǎo),射擊諸元精度一定的情況下,射速越高,彈幕越密,反導(dǎo)效果越好。另一方面,繼美國研制的“密集陣”近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)首次采用大閉環(huán)校射來提高射擊精度以來,近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)多采用閉環(huán)校射技術(shù)來提高反導(dǎo)效能。但是,射速提高到一定程度后,觀測(cè)跟蹤器不能逐發(fā)測(cè)量彈丸脫靶量,而現(xiàn)行的閉環(huán)火控系統(tǒng)校正量模型是基于逐發(fā)測(cè)量彈丸脫靶量的,致使閉環(huán)校射無法實(shí)施,射擊諸元精度和反導(dǎo)效果均降低。本文探討近程高射速反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)基于非逐發(fā)測(cè)量脫靶量進(jìn)行閉環(huán)校射的新方法。

        1 新方法的提出

        大閉環(huán)校射的基本原理是:利用在連續(xù)射擊過程中彈與彈之間脫靶量的相關(guān)性,由先前發(fā)射的彈丸的脫靶量,根據(jù)相關(guān)性,預(yù)測(cè)即將發(fā)射的彈丸的脫靶量,從而將其校正[1]。目前,近程反導(dǎo)艦炮大閉環(huán)校射火控系統(tǒng)要求逐發(fā)測(cè)量彈丸脫靶量,進(jìn)行彈丸與目標(biāo)的分離和彈丸與彈丸的分離。雖然艦炮射速提高到一定程度后,臨近彈丸在空間的位置縮小,觀測(cè)跟蹤器無法逐發(fā)測(cè)量彈丸脫靶量,但是,近程高射速反導(dǎo)艦炮連續(xù)射擊過程中彈與彈之間脫靶量的相關(guān)性強(qiáng),可以采用基于非逐發(fā)測(cè)量彈丸脫靶量進(jìn)行校正的方法,對(duì)觀測(cè)跟蹤器按時(shí)間先后實(shí)際測(cè)量的脫靶量進(jìn)行濾波,預(yù)測(cè)未來的脫靶量實(shí)施閉環(huán)校正。

        2 脫靶量的測(cè)量與處理

        2.1 脫靶量的測(cè)量

        近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)利用單脈沖炮瞄雷達(dá)跟蹤目標(biāo)并采用波門測(cè)偏法測(cè)量彈丸脫靶量,艦炮射速提高到一定程度后,測(cè)偏波門內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多發(fā)彈丸,由于隨機(jī)誤差,測(cè)偏波門內(nèi)多發(fā)彈丸相對(duì)電軸的偏差是不同的[2],離電軸近的彈丸回波信號(hào)強(qiáng),離電軸遠(yuǎn)的彈丸回波信號(hào)弱,根據(jù)單脈沖炮瞄雷達(dá)信號(hào)處理原理,此時(shí)可以測(cè)多發(fā)彈丸合成的脫靶量,測(cè)量誤差會(huì)因彈丸回波的相互影響而增大。

        2.2 脫靶量的綜合處理

        現(xiàn)行的近程反導(dǎo)艦炮閉環(huán)火控系統(tǒng)采用逐發(fā)測(cè)量彈丸脫靶量,利用等距離點(diǎn)脫靶量和tf時(shí)刻脫靶量,按誤差源將機(jī)動(dòng)誤差引起的脫靶量和外部誤差引起的脫靶量進(jìn)行分離,對(duì)分離的脫靶量分別進(jìn)行預(yù)測(cè)和校正[3]。這種方法要求對(duì)脫靶量誤差分量的變化規(guī)律要有所了解,即要能給出各誤差分量的隨機(jī)差分方程,并已知其統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)[4]。從理論上說這是一種好方法,但在高射速近程反導(dǎo)艦炮閉環(huán)校射中由于不能逐發(fā)測(cè)量脫靶量,各誤差分量的數(shù)字特征也難以預(yù)先獲得,采用此方法校射效果并不好,甚至使射擊效果變差。由于彈丸的脫靶量是武器系統(tǒng)射擊各種誤差引起的綜合結(jié)果,在實(shí)際建模時(shí)不可能將所有誤差都予以考慮,因此,使用等效原理綜合處理脫靶量數(shù)據(jù)[5]。由彈道學(xué)知識(shí)以及大量仿真計(jì)算表明,可以將引起方位脫靶量因素等效為橫風(fēng)偏差,高低脫靶量因素等效為彈丸初速偏差。

        2.3 脫靶量的濾波方式

        1次連射過程包括開環(huán)射擊階段和閉環(huán)射擊階段,如圖1所示。

        圖1 閉環(huán)校射射擊過程Fig.1Firing proccss of closcd-loop spotting

        獲得脫靶量之后,需要對(duì)脫靶量進(jìn)行濾波,預(yù)測(cè)校正量。根據(jù)濾波所用脫靶量的開閉環(huán)性質(zhì)不同,可分為開環(huán)脫靶量濾波和閉環(huán)脫靶量濾波[4]。開環(huán)脫靶量濾波有2層含義:一是對(duì)開環(huán)射擊階段發(fā)射彈丸的脫靶量進(jìn)行濾波;二是在閉環(huán)脫靶量觀測(cè)階段,將閉環(huán)脫靶量變換為開環(huán)脫靶量進(jìn)行濾波。閉環(huán)脫靶量濾波是指對(duì)測(cè)得的閉環(huán)脫靶量不進(jìn)行變換,直接用來濾波。由于閉環(huán)脫靶量中含有校正量,閉環(huán)脫靶量濾波的復(fù)雜性因此而增加,使閉環(huán)脫靶量濾波的軟件變得復(fù)雜。所以,選擇開環(huán)脫靶量濾波。

        3 校正量模型

        3.1 校正量表示

        閉環(huán)校射的目的是消除脫靶量,因此校正量為脫靶量預(yù)測(cè)估計(jì)值的負(fù)值。設(shè)Xo(k)為第k個(gè)實(shí)際測(cè)量的開環(huán)脫靶量,X^o(k)為最佳估計(jì),Uo(k)為校正量,則

        其中,p為預(yù)測(cè)超前的脫靶量。閉環(huán)脫靶量是開環(huán)系統(tǒng)加上開環(huán)校正量后得到的彈丸脫靶量,設(shè)Xc(k)為閉環(huán)脫靶量,則

        由測(cè)量的閉環(huán)脫靶量轉(zhuǎn)換為開環(huán)脫靶量的方法是:在指揮儀內(nèi)部存貯多發(fā)彈的開環(huán)校正量,當(dāng)獲得第k發(fā)彈的閉環(huán)脫靶量時(shí),按式(2)求出該發(fā)彈的開環(huán)脫靶量。

        3.2 校正量計(jì)算

        高射速近程反導(dǎo)艦炮射距近、彈道低伸平直,彈丸飛行時(shí)間短,彈丸脫靶量之間的相關(guān)性強(qiáng),假設(shè)脫靶量表示為:

        將脫靶量數(shù)據(jù)[ki,Xo(ki)](i=1,2,…,n)代入式(3)得:

        4 仿真計(jì)算

        假設(shè)來襲導(dǎo)彈以零勾徑、速度Vm=680 m/s、距炮口水平面高度為0,向水面艦艇攻擊,導(dǎo)彈直徑0.5 m,近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)開始抗擊距離1 500 m (指提前點(diǎn)或命中點(diǎn)距離),射速150發(fā)/s。以方向?yàn)槔?,假設(shè)在前100發(fā)開環(huán)射彈中按時(shí)間先后測(cè)得50個(gè)脫靶量數(shù)據(jù),分別對(duì)射擊方向角初始偏差3.0 mrad、射彈散布標(biāo)準(zhǔn)差1.2 mrad和方向角初始偏差5.0 mrad、射彈散布標(biāo)準(zhǔn)差1.2 mrad兩種情況,采用一次、二次、三次多項(xiàng)式模型擬和脫靶量進(jìn)行閉環(huán)校射,采用Matlab軟件模擬10 000次航路,圖1中所示閉環(huán)脫靶量觀測(cè)階段的命中彈數(shù)如表1所示。

        分析表1中數(shù)據(jù)可知:

        1)射擊方位角初始偏差不同的2種情況下,采用同次數(shù)的多項(xiàng)式擬和閉環(huán)校射的效果大致相同。比如,采用二次多項(xiàng)式擬和閉環(huán)校射時(shí),第1種情況下的平均命中彈數(shù)為3.373 4,至少命中1發(fā)的航次為4 320;第2種情況下的平均命中彈數(shù)為3.294 9,至少命中1發(fā)的航次為4 269。說明采用本文的方法閉環(huán)校射可以提高射擊精度。

        2)射擊方位角初始偏差不同的2種情況下,采用一次多項(xiàng)式擬和閉環(huán)校射的效果均好于采用二次或三次多項(xiàng)式擬和閉環(huán)校射。比如,第1種情況下,一次校射的平均命中彈數(shù)為12.550 0,至少命中1發(fā)的航次為9 956;二次校射的平均命中彈數(shù)為3.3734,至少命中一發(fā)的航次為4 320。

        假設(shè)在前100發(fā)開環(huán)射彈中僅測(cè)得30個(gè)脫靶量數(shù)據(jù),其余條件相同,閉環(huán)脫靶量觀測(cè)階段的命中彈數(shù)如表2所示。

        比較表1和表2得出:若測(cè)得開環(huán)階段脫靶量的數(shù)據(jù)減少,閉環(huán)脫靶量觀測(cè)階段的命中彈數(shù)的均值和至少命中1發(fā)的航路次數(shù)均減少。假設(shè)在前100發(fā)開環(huán)射彈中僅測(cè)得10個(gè)脫靶量數(shù)據(jù),其余條件相同,仿真得出閉環(huán)脫靶量觀測(cè)階段命中彈數(shù)的均值和至少命中1發(fā)的航路次數(shù)進(jìn)一步減少。實(shí)際使用中,根據(jù)作戰(zhàn)效能的要求和裝備戰(zhàn)技性能實(shí)際數(shù)據(jù),仿真計(jì)算出需要測(cè)得開環(huán)階段脫靶量數(shù)據(jù)的最小個(gè)數(shù)。

        用圖來顯示表1中的命中彈數(shù)。由于模擬航路次數(shù)較多,人眼無法辨認(rèn)。為此,模擬100次航路,開環(huán)射擊、一次校射、二次校射的命中彈數(shù)如圖2所示。從圖2可以看出,采用本文的校射方法可以提高命中彈數(shù)。

        5 結(jié)語

        本文針對(duì)近程反導(dǎo)艦炮射速提高到一定程度后,觀測(cè)跟蹤器不能逐發(fā)測(cè)量彈丸脫靶量,現(xiàn)行的閉環(huán)校射方法無法實(shí)施的問題,提出近程高射速反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)閉環(huán)校射的一種新方法。仿真結(jié)果表明,本文提出的閉環(huán)校射方法可以提高命中彈數(shù)的均值和至少命中1發(fā)的概率,從而提高反導(dǎo)效能。

        [1]戴自立.現(xiàn)代艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1999.

        DAI Zi-li.Combat system of modern naval vessels[M].Beijing:National Defense Industry Press,1999

        [2]汪德虎.艦炮火控原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.90-103.

        WANG De-hu.Theory of naval gun fire control[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009.90-103.

        [3]黃義.近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)閉環(huán)校射研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2008,(4):25-28.

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