馮穎龍，王振明，王屹華，許耀峰，王曉冬

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著武器裝備自動化、信息化水平不斷提高,現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)方式產(chǎn)生巨大變化,要求武器裝備快打快撤、縮短武器系統(tǒng)反應時間。武器系統(tǒng)反應時間[1]是武器系統(tǒng)重要性能指標,反映武器裝備火力反應速度?？s短系統(tǒng)反應時間可以減少火力周轉時間,使其迅速完成火力打擊并轉移陣地,快打快撤,進而攻擊下一批次目標?？s短反應時間還可以減少敵方作規(guī)避動作的時間,提高武器裝備快速反應能力和戰(zhàn)場生存能力。

傳統(tǒng)大口徑加榴炮需要炮長、輸彈手、裝藥手、瞄準手等戰(zhàn)斗人員人工操作[2],系統(tǒng)反應時間遠大于1 min。為了調炮準確,需要戰(zhàn)士多次瞄準并采用儀器仔細查驗瞄準精度是否符合要求;彈藥裝填時,需要戰(zhàn)士將大于50 kg的彈藥運送到裝彈位,進行手動推彈、推藥等動作,消耗體力和花費時間明顯,系統(tǒng)反應時間較大。

自動化是縮短武器響應時間的有效手段。采用自動化設備將動作中勞動強度大、計算難度高、重復性強的工作進行替代,可以減少戰(zhàn)士體力消耗和腦力消耗,并且有效減小反應時間?，F(xiàn)有的自動化多關注于片段的流程,而未對總體流程綜合考量。

張祥林[3]對高炮武器系統(tǒng)反應時間進行了研究,提出了高炮武器系統(tǒng)反應時間縮小的方法。涂二看見等[4]將語音識別技術引入高炮的系統(tǒng)反應時間的測試方法中,以解決不同試驗條件下的系統(tǒng)反應時間測試需求。許俊飛等[5-6]對艦炮作戰(zhàn)能力進行分析,構建了艦炮的系統(tǒng)反應時間模型。陳健等[7]從人機交互的角度對艦載指揮的反應時間進行分析并提出提高人機交互效率的建議。上述文獻研究對象分別是高炮和艦炮,未對自行加榴炮進行研究。劉愛峰等[8-9]針對某中小口徑自行加榴炮,設計自動直瞄模型,采用自動直瞄替代傳統(tǒng)直瞄,有效提高直瞄反應時間。但是該研究只關注于直瞄時彈道解算至調炮到位過程,忽略了大口徑加榴炮彈藥裝填動作對系統(tǒng)反應時間的影響。

針對減少某大口徑自行加榴炮系統(tǒng)反應時間的問題,將彈藥裝填動作納入系統(tǒng)反應時間內統(tǒng)一考量,采用操瞄調炮模型,優(yōu)化調炮與彈藥裝填動作工作流程,同步調炮動作與彈藥裝填中選彈、輸彈動作。有效減小某大口徑自行加榴炮系統(tǒng)反應時間,顯著提升其自動化水平和作戰(zhàn)效率。

1 武器系統(tǒng)反應時間

武器系統(tǒng)反應時間包括諸元解算時間、操瞄調炮時間、彈藥裝填時間以及信息傳輸時延,如圖1所示。

1)諸元解算時間(tjs)是指根據(jù)射擊開始諸元(表尺、方位)求取調炮諸元(高低角、方位角)所用的時間,即操瞄解算模型運行時間。

2)操瞄調炮時間(tdp)是指利用慣導數(shù)據(jù)執(zhí)行操瞄解算,將表尺和方位轉換至炮塔坐標系下,并調炮到目標高低、方位所需時間。

3)彈藥裝填時間(tzt)是指從接到裝填指令開始到彈藥全部進入炮膛內所用時間。彈藥裝填動作組包括彈線循環(huán)動作和藥線循環(huán)動作,如圖2所示。

4)傳輸時延(Δτ)是指發(fā)送指令至各分系統(tǒng)接受到指令所需要的通信時間。

諸元計算、操瞄調炮、彈藥裝填這3個動作對武器系統(tǒng)反應時間具有較大影響。采用自動化手段分別縮短操瞄解算時間、調炮時間、裝填時間,并且綜合考慮各動作的互不干涉性,進一步壓縮各動作組合在對整體時間的消耗,從而縮短系統(tǒng)反應時間。

2 操瞄解算模型

操瞄解算模型為求解大地坐標系下的空間點在炮塔坐標系下的坐標,從而得到調炮諸元(表尺β2和方向ε2)。

定義坐標系和各參數(shù)符號如下：

1)大地坐標系{OXdYdHd}：O為炮塔回轉中心,OXd、OYd分別指向大地正北方向和正東方向,OHd鉛錘向上,如圖3所示。

2)炮塔水平坐標系{OXpYpHp}：O為炮塔回轉中心,令火炮高低角為零(ε=0)和方位角為零(β=0),OXp身管軸線方向,OYp、OHp按左手準則分別與OXp兩兩垂直。

3)炮塔坐標系{OXepYepHep}：O為炮塔回轉中心,在炮塔水平坐標系下,定義θx為橫傾角,θy為縱傾角,θh為定向角,令橫傾角與縱傾角分別為0,此時的坐標系即炮塔坐標系,其中OXep軸為當前狀態(tài)下的身管軸線方向。

根據(jù)剛體空間坐標變換關系[10],取大地坐標系中諸元單位方向為e,表尺為ε1,方向為β1,則大地坐標下空間點P的坐標表達式為

(1)

基于搭載于炮塔上的慣性導航裝置得到的炮塔姿態(tài)角(θx,θy,θh),將空間點變換至炮塔坐標系下,可得點P的坐標表達式為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Rx(θx)為左手坐標系中,繞大地坐標系X軸旋轉θx的變換矩陣;Ry(θy)為繞大地坐標系Y軸旋轉θy變換矩陣;Rh(θh)為繞大地坐標系H軸旋轉θh變換矩陣。

操瞄解算出的炮塔坐標系下方位角β2和高低角ε2的定義式為

(6)

將式(1)、(2)代入式(6),可得式(7)中的諸元(β2,ε2)。完成操瞄解算后,隨動系統(tǒng)根據(jù)解算出的諸元(β2,ε2)執(zhí)行操瞄調炮動作。

(7)

3 系統(tǒng)聯(lián)動的分步并行方法

3.1 傳統(tǒng)方法

某型自行加榴炮系統(tǒng)聯(lián)動時,傳統(tǒng)方法采用串聯(lián)方式,如上文圖1所示,即串接操瞄解算過程、調炮動作和裝填機構動作,3個動作組按照時間序列依次完成,每個動作完成后,方可開始下一個動作。系統(tǒng)反應時間為

(8)

傳統(tǒng)的串聯(lián)方法對各部分動作解耦,可以最大程度避免調炮動作與裝填動作的干涉。但串聯(lián)動作時,一段時間內只能完成1個動作,時間利用效率不高。

3.2 分步并行方法

根據(jù)對某大口徑自行加榴炮機構動作的研究,發(fā)現(xiàn)操瞄調炮動作與裝填動作組中選彈、推彈、交彈、接彈等動作互不干涉,可以同步進行。其他動作需要調炮完成后方可執(zhí)行,否則會在機構動作時發(fā)生碰撞,產(chǎn)生機械形變,引發(fā)故障。因此,對裝填動作組進行分解,將子動作中不影響調炮動作的機構動作分為A組,將子動作中干涉調炮動作的部分列為B組。裝填動作A組在諸元解算完成后,與調炮動作同時開始。裝填動作B組等待調炮完成信號,在調炮完成后執(zhí)行。此外,令裝填的“輸藥機移出”動作與“關閂”動作同步操作,如圖4所示。

分步并行方法的系統(tǒng)反應時間為

(9)

相較于式(8)中的傳統(tǒng)方法,分步并行方法系統(tǒng)反應時間減少了Δt：

Δt=tc-tb=tdp+tgs+τ2.

(10)

4 試驗與分析

4.1 試驗條件

試驗基于某大口徑自行加榴炮,在調試工房進行。參試人員2名：一名為駕駛員,負責啟動發(fā)動機為全炮電氣供電;另一名為炮長,負責操作炮長終端和電氣操作面板。

調炮范圍為方位300 mil、高低300 mil。采用操瞄解算模型解算火炮在炮塔坐標系下的方位角和高低角,使用隨動系統(tǒng)進行自動調炮。平均調炮速度為3(°)/s,裝填次數(shù)為1次。

便捷式計算機與控制箱之間采用USB連接,使用標準CAN數(shù)據(jù)采集設備采集總線中CAN數(shù)據(jù)?；赑ython語言編寫數(shù)據(jù)分析腳本,對接收的報文進行ID號解析,自動統(tǒng)計系統(tǒng)反應時間。

4.2 試驗結果分析

在某大口徑自行加榴炮試驗平臺上分別采用傳統(tǒng)方法和分步并行方法進行試驗,過程如下：

步驟1人工為彈倉、藥倉補給彈藥。

步驟2模擬本炮坐標、目標坐標、氣象條件等信息,通過炮長終端裝定諸元信息。

步驟3駕駛員啟動發(fā)動機,使底盤為全炮供電。

步驟4炮長點擊炮長終端“開始”按鈕,啟動系統(tǒng)反應時間測試指令;

步驟5炮長終端軟件自行控制各機構動作。

步驟6待所有動作結束后,導出CAN數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)分析軟件統(tǒng)計各動作時間及系統(tǒng)反應時間。

進行6次試驗,測試得到的反應時間如表1所示。

表1 武器系統(tǒng)反應時間對比試驗結果

采用傳統(tǒng)方法進行操瞄調炮和裝填動作時,平均系統(tǒng)反應時間為21.75 s。采用分步并行方法時,在操瞄模型解算完成后,同時進行操瞄調炮和裝填動作,平均系統(tǒng)反應時間為14.73 s,減少了7.02 s。表1中傳統(tǒng)方法和分布并行方法的標準差分別為0.48 s和0.69 s,表明6組試驗系統(tǒng)反應時間在均值附近波動較小,試驗數(shù)據(jù)一致性較好,如圖5所示。

分步并行方法的系統(tǒng)反應時間標準差略大于傳統(tǒng)方法,原因在于分布并行方法的第1、3、4、5、6組試驗中,彈筒初始位置位于出彈口,但第2組試驗中,彈筒初始位置距離出彈口較遠,選彈動作行程更長,該動作耗時較多,導致此次系統(tǒng)反應時間較長,最終使得標準差略高。對第2組試驗各分步動作時間進行記錄,如表2所示。將傳統(tǒng)方法中的調炮時間tdp、傳輸時延τ2、關閂時間tgs代入式(10)中,計算得Δt為6.19 s。即該傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)反應時間具有減少6.19 s的可能性。在實際試驗中,分步并行方法的系統(tǒng)反應時間為16.12 s,比傳統(tǒng)方法的22.64 s減少了6.52 s,與預測減少的時間(Δt=6.19 s)基本一致。

表2 第2組試驗反應時間結果 s

綜上所述,通過筆者提出的操瞄解算模型進行解算,分解裝填動作組,優(yōu)化調炮動作與裝填動作,系統(tǒng)反應時間較傳統(tǒng)方法顯著減少。

5 結束語

筆者以某大口徑自行加榴炮為研究對象,針對傳統(tǒng)自行加榴炮系統(tǒng)反應時間過長,自動化水平較低的問題,設計了分步并行方法,推導了其操瞄解算模型,應用于操瞄調炮的解算過程中;考慮了裝填動作對武器系統(tǒng)反應時間的影響,優(yōu)化操瞄調炮與裝填動作時序。試驗表明,采用分步并行方法優(yōu)化后的系統(tǒng)反應時間為14.73 s,較傳統(tǒng)方法(21.75 s)提升32.3%。該方法較傳統(tǒng)方法作戰(zhàn)效率更高,能夠滿足軍事中對首群覆蓋的時間要求,具有較高的工程應用價值。