舰炮指挥仪自动工作方式误差分析*

黄俊添 盖 强 余家祥

(1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院舰炮系 大连 116018)



舰炮指挥仪自动工作方式误差分析*

黄俊添1盖 强2余家祥2

(1.海军大连舰艇学院研究生管理大队 大连 116018)(2.海军大连舰艇学院舰炮系 大连 116018)

火控指挥仪一直以来是舰炮工作中最重要的系统之一,它的精度很大程度上决定了舰炮射击效果。新型火控系统工作方式取消了速度自动和速度距离自动,保留了原有的按观测诸元和全自动工作方式。论文将对速度自动和速度距离自动方式进行仿真分析,通过比较不同射击距离下的射击误差,得出两种工作方式下的诸元误差,为进一步验证新型火控系统的设计合理性提供依据。

舰炮; 火控系统; 自动工作方式; 误差分析

Class Number TJ391

1 引言

舰炮武器系统一直是海上作战的重要武器。为了提高舰炮射击稳定性,从而提高射击效果,传统的火控系统设置了按观测诸元、速度自动、速度距离自动和全自动等四种自动工作方式。某新型火控系统取消了原有的速度自动和速度距离自动两种工作方式,为了验证其合理性,提高舰炮射击效果,对海军未来装备发展提供有力依据,本文将舰炮速度自动、速度距离自动工作方式原理加入舰炮射击诸元计算,通过误差分析和定量计算,最终对火控工作方式进行评估,为进一步对新型火控工作方式作战效率进行评估提供理论依据。

2 舰炮火控工作方式

传统上,对海上目标射击计算过程中,舰炮火控工作方式有四种,即按观测诸元方式、速度自动(VA)、速度距离自动(VDA)和全自动(FA)[1～2]。几种工作方式在射击解算诸元时,VA方式仅采用速度取常量,目标距离使用平滑值;VDA方式除速度取常值外,还要推算目标距离d,而目标的我舰舷角qw使用观测值;FA方式下不仅目标速度取常量,目标的坐标及舷角也采用自动推算值。

如图1所示,舰炮对海作战使用过程中,火控台进行目标参数滤波,系统首先进入按观测诸元工作方式。当目标航速航向稳定,且采用混合观测或者雷达观测时,常采用VA方式;当目标航速航向稳定且采用光学观测时,系统选择VDA方式。当目标丢失、测量角度距离均存在较大误差或角度距离测量数据不完整时,系统采用FA方式[3～5]。

图1 对海工作方式选择

为了验证累计误差大小是否在作战使用允许范围之内,本文将对VA方式和VDA方式下诸元解算误差进行仿真分析,以得出结论为今后对FA工作方式在舰炮使用方面效率评估做出参考依据。

3 计算模型

3.1 VA工作方式

在诸元计算中,VA工作方式下目标速度取转入速度自动时刻大观察时间平滑值,其余各量与“按观测诸元”方式相同。其数学表达式为[6～8]

(1)

而目标航速Vm0和航向Km0为

(2)

速度自动过程中,需要不断计算自动目标航速航向与观测值之差:

(3)

3.2 VDA工作方式

当海上目标作等速运动且使用光学测距仪测距是,指挥仪工作在VDA方式下,其数学表达式如下:

1) 目标速度取常量,如式(1)所示。

2) 自动推算距离dt。

为推算目标距离dt,首先要推算目标现在点坐标Xti、Yti:

(4)

式中:Vmxt、Vmyt为速度距离自动的自动速度;ΔT为机器计算周期;ΔSwxi-1、ΔSwyi-1为i-1点至i点时间内我舰航程在X和Y轴上的分量:

(5)

(6)

计算dt、qwt:

(7)

4) 我舰舷角采用观测值qwi,用输入的qwi和Kwi分解dti作为解相遇的目标现在坐标。

(8)

式中:βi=Kwi+qwi

5) 计算Δdi、Δqwi:

(9)

4 仿真算例

4.1 参数假设

1) 我舰和目标均做匀速直线运动,我舰航速v0=20kn,我舰航向C0=70°;目标航速Vt=24kn,目标航向Ct=230°;初始位置d1=5km,d2=10km;根据文献[7]中假设数据,光学测距误差取σr=7m(射距在9.2km～16.5km,采用激光测距),雷达测距误差取σr=30m(射距在9.2km～16.5km时,使用雷达测距)。

2) 弹道气象条件:v0=855m/s,σv0=5%v0,σρ=5%ρ0,σvw=10m/s。

3) 雷达数据采集率为50Hz,对海射击观察时间设置为120s。

4.2 参数计算

图2为敌我态势图,其中p点表示提前点,w1、m1分别表示弹丸命中时我舰及目标位置。

图2 敌我态势图

对大观察时间内目标位置坐标进行一次滤波[8],得出滤波误差图,如图3所示。

图3 现在点滤波误差

序号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工作方式下射击诸元误差

通过对VA方式及VDA方式下射击诸元进行数值解算,将结算结果与按观测诸元方式下结果进行比较,得出表1和表2。其中,表1表示VA工作方式相较于按观测诸元工作方式的距离误差及均方差;表2表示VDA工作方式下相对于按观测诸元港式的距离误差及均方差。

5 误差分析

从表1可知,随着射击距离增大,射击诸元误差增大。比较第1、2组数据可以看出,按观测诸元工作方式和VA方式下射击诸元误差与X和Y坐标无关,只与速度大小和目标距离有关。VA工作方式下相较于按观测诸元方式,诸元误差较大,存在误差积累。

从表1～表3中可知,VDA工作模式下,随着射击距离增大,诸元误差变化率增加,通过比较1、2组数据可知,在VDA工作模式下,目标方位对射击诸元影响较大。对于舰炮射击精度要求来说,VDA方式累计误差随距离增大较为明显,因为距离和方位上同时存在自动推算,所以误差积累速度大,对射击结果影响较大。

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“按观测诸元”方式,但是VA和VDA工作方式稳定性强于“按诸元观测方式”。相较于VDA工作方式,VA工作方式受到条件限制相对较大,但是诸元误差较小。因此,在对海射击时,依据目标特性进行合理的工作方式选择是有必要的。

6 结语

综上所述,对海射击过程中,VA工作方式及VDA工作方式能提高舰炮射击稳定性,由于存在误差累计,所以射击误差增大。VDA方式加入位置自动推算后,误差明显提高,但是稳定性提高射击精度。VDA工作方式下,由于加入目标距离自动推算,所以射击诸元求取误差累计相较于VA方式更大。自动工作方式加入的自动推算量越多,误差累计是否越大,需要进一步进行论证。结合舰炮对海作战使用,合理的选择指挥仪自动工作方式是提高舰炮作战效率的合理保证。

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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

黄俊添,男,硕士研究生,研究方向:舰载武器系统仿真。盖强,男,博士后,教授,研究方向:非平稳信号处理、数字图像处理、现代测控系统与故障诊断和作战模拟训练等。余家祥,男,博士,副教授,研究方向:控制理论与应用、舰载武器、无人机应用等。

TJ391

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.037