黃俊添 蓋 強(qiáng) 余家祥

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018)

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艦炮指揮儀自動(dòng)工作方式誤差分析*

黃俊添1蓋 強(qiáng)2余家祥2

(1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018)(2.海軍大連艦艇學(xué)院艦炮系 大連 116018)

火控指揮儀一直以來(lái)是艦炮工作中最重要的系統(tǒng)之一,它的精度很大程度上決定了艦炮射擊效果。新型火控系統(tǒng)工作方式取消了速度自動(dòng)和速度距離自動(dòng),保留了原有的按觀測(cè)諸元和全自動(dòng)工作方式。論文將對(duì)速度自動(dòng)和速度距離自動(dòng)方式進(jìn)行仿真分析,通過(guò)比較不同射擊距離下的射擊誤差,得出兩種工作方式下的諸元誤差,為進(jìn)一步驗(yàn)證新型火控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性提供依據(jù)。

艦炮; 火控系統(tǒng); 自動(dòng)工作方式; 誤差分析

Class Number TJ391

1 引言

艦炮武器系統(tǒng)一直是海上作戰(zhàn)的重要武器。為了提高艦炮射擊穩(wěn)定性,從而提高射擊效果,傳統(tǒng)的火控系統(tǒng)設(shè)置了按觀測(cè)諸元、速度自動(dòng)、速度距離自動(dòng)和全自動(dòng)等四種自動(dòng)工作方式。某新型火控系統(tǒng)取消了原有的速度自動(dòng)和速度距離自動(dòng)兩種工作方式,為了驗(yàn)證其合理性,提高艦炮射擊效果,對(duì)海軍未來(lái)裝備發(fā)展提供有力依據(jù),本文將艦炮速度自動(dòng)、速度距離自動(dòng)工作方式原理加入艦炮射擊諸元計(jì)算,通過(guò)誤差分析和定量計(jì)算,最終對(duì)火控工作方式進(jìn)行評(píng)估,為進(jìn)一步對(duì)新型火控工作方式作戰(zhàn)效率進(jìn)行評(píng)估提供理論依據(jù)。

2 艦炮火控工作方式

傳統(tǒng)上,對(duì)海上目標(biāo)射擊計(jì)算過(guò)程中,艦炮火控工作方式有四種,即按觀測(cè)諸元方式、速度自動(dòng)(VA)、速度距離自動(dòng)(VDA)和全自動(dòng)(FA)[1～2]。幾種工作方式在射擊解算諸元時(shí),VA方式僅采用速度取常量,目標(biāo)距離使用平滑值;VDA方式除速度取常值外,還要推算目標(biāo)距離d,而目標(biāo)的我艦舷角qw使用觀測(cè)值;FA方式下不僅目標(biāo)速度取常量,目標(biāo)的坐標(biāo)及舷角也采用自動(dòng)推算值。

如圖1所示,艦炮對(duì)海作戰(zhàn)使用過(guò)程中,火控臺(tái)進(jìn)行目標(biāo)參數(shù)濾波,系統(tǒng)首先進(jìn)入按觀測(cè)諸元工作方式。當(dāng)目標(biāo)航速航向穩(wěn)定,且采用混合觀測(cè)或者雷達(dá)觀測(cè)時(shí),常采用VA方式;當(dāng)目標(biāo)航速航向穩(wěn)定且采用光學(xué)觀測(cè)時(shí),系統(tǒng)選擇VDA方式。當(dāng)目標(biāo)丟失、測(cè)量角度距離均存在較大誤差或角度距離測(cè)量數(shù)據(jù)不完整時(shí),系統(tǒng)采用FA方式[3～5]。

圖1 對(duì)海工作方式選擇

為了驗(yàn)證累計(jì)誤差大小是否在作戰(zhàn)使用允許范圍之內(nèi),本文將對(duì)VA方式和VDA方式下諸元解算誤差進(jìn)行仿真分析,以得出結(jié)論為今后對(duì)FA工作方式在艦炮使用方面效率評(píng)估做出參考依據(jù)。

3 計(jì)算模型

3.1 VA工作方式

在諸元計(jì)算中,VA工作方式下目標(biāo)速度取轉(zhuǎn)入速度自動(dòng)時(shí)刻大觀察時(shí)間平滑值,其余各量與“按觀測(cè)諸元”方式相同。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為[6～8]

(1)

而目標(biāo)航速Vm0和航向Km0為

(2)

速度自動(dòng)過(guò)程中,需要不斷計(jì)算自動(dòng)目標(biāo)航速航向與觀測(cè)值之差:

(3)

3.2 VDA工作方式

當(dāng)海上目標(biāo)作等速運(yùn)動(dòng)且使用光學(xué)測(cè)距儀測(cè)距是,指揮儀工作在VDA方式下,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

1) 目標(biāo)速度取常量,如式(1)所示。

2) 自動(dòng)推算距離dt。

為推算目標(biāo)距離dt,首先要推算目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)坐標(biāo)Xti、Yti:

(4)

式中:Vmxt、Vmyt為速度距離自動(dòng)的自動(dòng)速度;ΔT為機(jī)器計(jì)算周期;ΔSwxi-1、ΔSwyi-1為i-1點(diǎn)至i點(diǎn)時(shí)間內(nèi)我艦航程在X和Y軸上的分量:

(5)

(6)

計(jì)算dt、qwt:

(7)

4) 我艦舷角采用觀測(cè)值qwi,用輸入的qwi和Kwi分解dti作為解相遇的目標(biāo)現(xiàn)在坐標(biāo)。

(8)

式中:βi=Kwi+qwi

5) 計(jì)算Δdi、Δqwi:

(9)

4 仿真算例

4.1 參數(shù)假設(shè)

1) 我艦和目標(biāo)均做勻速直線運(yùn)動(dòng),我艦航速v0=20kn,我艦航向C0=70°;目標(biāo)航速Vt=24kn,目標(biāo)航向Ct=230°;初始位置d1=5km,d2=10km;根據(jù)文獻(xiàn)[7]中假設(shè)數(shù)據(jù),光學(xué)測(cè)距誤差取σr=7m(射距在9.2km～16.5km,采用激光測(cè)距),雷達(dá)測(cè)距誤差取σr=30m(射距在9.2km～16.5km時(shí),使用雷達(dá)測(cè)距)。

2) 彈道氣象條件:v0=855m/s,σv0=5%v0,σρ=5%ρ0,σvw=10m/s。

3) 雷達(dá)數(shù)據(jù)采集率為50Hz,對(duì)海射擊觀察時(shí)間設(shè)置為120s。

4.2 參數(shù)計(jì)算

圖2為敵我態(tài)勢(shì)圖,其中p點(diǎn)表示提前點(diǎn),w1、m1分別表示彈丸命中時(shí)我艦及目標(biāo)位置。

圖2 敵我態(tài)勢(shì)圖

對(duì)大觀察時(shí)間內(nèi)目標(biāo)位置坐標(biāo)進(jìn)行一次濾波[8],得出濾波誤差圖,如圖3所示。

圖3 現(xiàn)在點(diǎn)濾波誤差

序號(hào)X(m)Y(m)d(m)Δd(m)σΔd(m)13500120037000．8547-0．446621200350037000．8530-0．46483356800080080．9863-0．60644981029098141．8899-0．90745100008000128062．5683-1．0031

表2 VDA工作方式下射擊諸元誤差

通過(guò)對(duì)VA方式及VDA方式下射擊諸元進(jìn)行數(shù)值解算,將結(jié)算結(jié)果與按觀測(cè)諸元方式下結(jié)果進(jìn)行比較,得出表1和表2。其中,表1表示VA工作方式相較于按觀測(cè)諸元工作方式的距離誤差及均方差;表2表示VDA工作方式下相對(duì)于按觀測(cè)諸元港式的距離誤差及均方差。

5 誤差分析

從表1可知,隨著射擊距離增大,射擊諸元誤差增大。比較第1、2組數(shù)據(jù)可以看出,按觀測(cè)諸元工作方式和VA方式下射擊諸元誤差與X和Y坐標(biāo)無(wú)關(guān),只與速度大小和目標(biāo)距離有關(guān)。VA工作方式下相較于按觀測(cè)諸元方式,諸元誤差較大,存在誤差積累。

從表1～表3中可知,VDA工作模式下,隨著射擊距離增大,諸元誤差變化率增加,通過(guò)比較1、2組數(shù)據(jù)可知,在VDA工作模式下,目標(biāo)方位對(duì)射擊諸元影響較大。對(duì)于艦炮射擊精度要求來(lái)說(shuō),VDA方式累計(jì)誤差隨距離增大較為明顯,因?yàn)榫嚯x和方位上同時(shí)存在自動(dòng)推算,所以誤差積累速度大,對(duì)射擊結(jié)果影響較大。

基于上述分析可知,VA工作方式和VDA工作方式在精度上劣于“按觀測(cè)諸元”方式,但是VA和VDA工作方式穩(wěn)定性強(qiáng)于“按諸元觀測(cè)方式”。相較于VDA工作方式,VA工作方式受到條件限制相對(duì)較大,但是諸元誤差較小。因此,在對(duì)海射擊時(shí),依據(jù)目標(biāo)特性進(jìn)行合理的工作方式選擇是有必要的。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,對(duì)海射擊過(guò)程中,VA工作方式及VDA工作方式能提高艦炮射擊穩(wěn)定性,由于存在誤差累計(jì),所以射擊誤差增大。VDA方式加入位置自動(dòng)推算后,誤差明顯提高,但是穩(wěn)定性提高射擊精度。VDA工作方式下,由于加入目標(biāo)距離自動(dòng)推算,所以射擊諸元求取誤差累計(jì)相較于VA方式更大。自動(dòng)工作方式加入的自動(dòng)推算量越多,誤差累計(jì)是否越大,需要進(jìn)一步進(jìn)行論證。結(jié)合艦炮對(duì)海作戰(zhàn)使用,合理的選擇指揮儀自動(dòng)工作方式是提高艦炮作戰(zhàn)效率的合理保證。

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Error Analysis of Naval Gun Control System on Automatic Mode

HUANG Juntian1GAI Qiang2YU Jiaxiang2

(1. Department of Graduate Management, Dalian Naval Academy, Dalian 116018) (2. Department of Naval Gun, Dalian Naval Academy, Dalian 116018)

Naval fire control system has been one of the most important systems in naval gun firing system. The accuracy of control system greatly affects the firing effect. The new fire control system cancels the mode of working within automatic speed and automatic speed & distance, and retains the original elements according to the observation and fully automatic working. In order to verify the rationality of design, in this paper, it can analyze the effect of the working mode within automatic speed or automatic speed & distance by computer simulation. The shooting error is calculated through the comparison of different firing distance and the data error of the two kinds of working mode are obtained. It lays foundation for the verification of the rationality of design of the new fire control system.

naval gun, fire control system, automatic mode, error analysis

2015年3月11日,

2015年4月26日

黃俊添,男,碩士研究生,研究方向:艦載武器系統(tǒng)仿真。蓋強(qiáng),男,博士后,教授,研究方向:非平穩(wěn)信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)與故障診斷和作戰(zhàn)模擬訓(xùn)練等。余家祥,男,博士,副教授,研究方向:控制理論與應(yīng)用、艦載武器、無(wú)人機(jī)應(yīng)用等。

TJ391

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.037