新弹种射击诸元精度检验系统设计与实现

段菖蒲，张志远，刘玉文，李　俊

(陆军军官学院 炮兵系炮兵教研室，合肥　230031)



新弹种射击诸元精度检验系统设计与实现

段菖蒲，张志远，刘玉文，李俊

(陆军军官学院 炮兵系炮兵教研室，合肥230031)

摘要：针对传统检验方法的不足，设计了射击诸元精度检验系统。采用建立射击规则库、气温气压分布定律和正态分布函数三级约束方法，设计了数据库通信算法及诸元精度检验算法，解决了射击条件生成、数据库构建、大批量数据传送及诸元精度检验等关键问题，实现了对新弹种射击诸元精度的快速检验。

关键词：射击诸元;正态分布;数据模型;TCP;UDP

随着大批新弹种经靶场试验后，射表编拟已完成并陆续配发部队。为了使这些新弹种尽快形成战斗力，在现役的指火控系统中增加了新弹种的诸元解算软件，以快速决定射击诸元。但新弹种种类多，而且工作机理不同、弹道特征和弹道解算复杂[1-2]，新开发出的诸元解算软件解算结果是否正确、可靠，需要进行检验。传统的检验方法通常是进行人工检验，存在检验效率低、检验范围不全面等缺点。而本系统的设计开发，可以快速生成各种符合作战实际、数据分布合理的射击条件，对诸元解算软件进行全面、科学、合理的检验，实际检验结果表明对新弹种的诸元解算结果满足射击精度需要。

1系统总体结构和功能设计

1.1系统总体结构设计

本系统主要由射击条件生成子系统、诸元精度检验子系统和数据库管理子系统组成，总体结构如图1所示。系统总体结构采用C/S框架结构，如图2所示。

数据库管理子系统作为服务端，为射击条件生成子系统、诸元精度检验子系统提供各种请求服务。射击条件生成子系统，主要生成符合作战实际、符合气象实际、分布密度合理的射击条件，供诸元解算软件进行诸元计算；诸元精度检验子系统，主要进行诸元计算、数据通信和诸元结果对比，计算中间误差，给出精度评估结果。

图1　系统总体系结构

图2　C/S框架结构

1.2系统的主要功能

本系统主要完成以下功能：

1)实现标准射击条件下射表基本诸元的生成与计算；

2)实现射表修正诸元的生成与计算；

3)实现诸元解算结果对比功能；

4)实现诸元解算精度评估功能。

2关键技术实现

2.1射击条件的随机生成算法

射击条件的随机生成，不是随机函数的简单调用，而是要生成符合作战实际的射击条件，否则诸元解算软件无法使用。生成的射击条件包括阵地纬度、基准射向、气温、气压、风速、风向、药温、初速、弹重、炮目距离、炮目方向、炮目高差、阵地高程、炸点参数等等。本系统采用建立射击规则库模型，气温气压标准分布定律[3]和正态分布函数三级约束模式，使生成的所有射击条件既符合气象实际，作战实际，又分布密度合理。

1)随机生成符合作战实际的射击条件

为了使生成的炮目距离、炮目方向、炸点参数等符合作战实际，本文通过建立射击规则库数据模型加以约束。射击规则库是根据《炮兵射击教程》的相关规定以及炮种、弹种、装药等参数的战技术指标而建立的，包括规则编号ID、炮种(PZ)、弹种(DZ)、装药(ZY)、最高射界(MAXSJ)、最低射界(MINSJ)、左射界(LSJ)、右射界(RSJ)、最大射程(MAXSC)、最小射程(MINSC)等。采用E-R(实体-关系模型)模型[4]进行建模，如图3所示。

图3　规则实体的E-R模型

图4　规范化后的规则库关系模型

图3中共有5个实体，分别是规则约束、炮种、弹种、装药和射界。其中，规则约束和炮种、炮种和射界、炮种和射程、弹种和射程、装药和射程之间是1对1的关系；炮种和弹种、弹种和装药之间是多对多的关系。根据数据库规范化理论[4](三范式理论)，可将图3的E-R模型拆分为7个关系模型。规范后的数据模型如图4所示。

图4中，由于炮种与弹种、弹种与装药间的多对多关系，在它们中间增加了一张映射表(TablePZ_DZ_ZY)，通过PZID、DZID和ZYID三个字段将TablePZ、TableDZ、TableZY相关联；规则库总表Table_ID_PZ_DZ通过PZID、DZID和ZYID字段，与射界表(Table_SJ)和射程表(Table_SC)相关联。这样，可以消除上述的数据冗余、插入异常、删除异常等问题。本系统的射击条件数据库、诸元计算结果数据库以及射表数据库都是根据上述方法进行数据建模，不再赘述。

2)随机生成符合气象实际的射击条件

生成的气象条件，包括气温、气压、风速、风向等。而气温、气压条件的生成，要符合实际的气象条件。比如气温与阵地纬度、阵地高程有关，气压与气温、阵地高程有关。假设生成阵地纬度5°、阵地高程100m、气温-20°等射击条件，显然不符合实际的气象条件。所以本系统利用气温、气压和空气密度标准定律，再根据我国气温随纬度的变化情况[5]，生成符合实际情况的气象条件。

我国炮兵使用的气温标准定律(气温TV随高度y的变化规律)：

(1)

式中：G=6.328×10-3K/m；A=230.0 K；B=1.172×10-6K/m；y为弹道高；Tvon为海拔0 m的标准气温，当地面气温TV0≠Tvon时，气温随高度的变化规律与式(1)的规律相同，此时为气温的标准分布。

我国炮兵使用的气压标准定律

(2)

式中：G=9.8 (m/s2)；r=8.314 (J/mol·K)；

系统首先随机生成阵地纬度和气温(气温受阵地纬度约束)，再根据炮兵标准气象条件[6]，在标准气压上下30%的范围内随机生成海拔0 m的气压，然后根据式(1)、式(2)，生成相应的气温、气压、药温，并在此基础上加上一定范围的随机数，即可得到符合实际情况的气温、气压、药温等射击条件。

3)随机生成分布密度合理的射击条件

为确保对诸元解算软件的全面检验，要求随机生成的射击条件既要覆盖所有范围，又要有所侧重。本系统采用正态分布随机数生成算法，正态分布的概率密度函数如式(3)所示，随机变量落在以σ为单位区间内的概率分布如图5所示。

(3)

图5　以σ为单位区间的概率分布图

由图5易知，服从正态分布的随机变量出现的范围通常在±3σ区间内[7]。

炮兵射击中，常用中间误差E(E=0.674 5σ)表示随机变量的离散程度，此时式(3)可转化为式(4)所示，随机变量落在以E为单位区间内的概率分布如图6所示。

(4)

采用中间误差，随机变量出现的范围通常在±4E区间内[8]。根据图6所示的分布规律，通过设定期望值μ和中间误差E，生成需要的射击条件。比如诸元解算软件要求的气温范围是[-40°，50°]，要求生成的气温参数在覆盖整个区间的条件下，20°左右的气温占80%左右。设定μ为20，E为15，再通过线性约束，即可生成在20°附近密集、在区间两端稀疏的服从正态分布的射击条件，满足诸元解算软件的需求。

图6　以σ为单位区间内的概率分布图

2.2诸元精度检验算法

对诸元解算软件的解算精度进行科学合理地评估，需要解决诸元精度检验方法的确定、大容量数据传输和诸元结果对比评估等关键问题。

1)诸元精度检验方法

射击诸元是炮兵、防空兵等指火控系统通过系统计算得出的对目标射击时的表尺、方向分划及引信时间等射击装定数据[6]。射击诸元计算过程非常复杂，其计算结果受炮目距离、炮目高差、风速、风向、气温、气压、药温、初速偏差、地球自转、弹重等多种因素的影响，计算结果的准确与否，直接决定了射击效果的优劣[9]。诸元计算精度是各级炮兵、防空兵指火控系统最基本的设计指标之一[10]。

射表通过弹道模型理论结果与实弹射击实践数据符合归纳而成的[11-12]，一直以来都被认为是炮兵射击的准则，是标准。所以，本系统以射表为标准对诸元解算软件进行精度检验。具体分两个步骤：① 进行射表基本诸元检验；② 进行射表修正诸元检验。

2)数据库通信算法

进行诸元精度检验的前提是将生成的射击条件发送给诸元解算软件进行计算。目前常用的数据传递方式主要有TCP和UDP通信[13]。

TCP通信是面向连接的可靠的网络通信协议。通过“三次握手”过程建立可靠连接，而且采用超时和重传机制，确保报文按序发送，可靠性高但占用资源多，传送效率低。

UDP通信是面向无连接的、不可靠的网络传输协议。不需要事先建立连接，不提供报文确认机制，传送效率高，占用资源少，但可靠性低。

本系统数据通信的特点：一是数据传输量大，且对数据的完整性要求高。为全面检验诸元解算软件的可靠性和正确性，需要提供大样本的射击条件数据，并且对数据完整性要求高，否则诸元解算软件无法运行。二是内存资源非常有限。诸元解算软件要嵌入到目前使用的炮兵指火控系统中，而指火控系统都是嵌入式系统，内存资源有限。针对这两个特点，利用TCP和UDP协议进行网络数据传送都不适合。

本系统提出了一种新的数据通信算法-数据库通信算法。其基本思想是利用数据索引表进行数据传送。数据索引表结构如表1所示。

表1　数据索引表

其中：字段“ID”是数据索引表的序号，也是该表的主键，系统可以通过该字段，唯一确定索引表的一条记录。

字段“数据类型”是指射击条件类型，包括射表基本诸元、射表修正诸元、精密法、简易法、成果法和优补法类型。

字段“序号”和“数据类型”是复合键，作为数据索引表的外键，将数据索引表与数据类型数据表相关联，就能够使系统接收到指定的数据。

字段“标识符”用于指示该条记录是否已被诸元解算软件提取。“0”表示未被诸元解算软件提取；“1”表示已被诸元解算软件提取。

具体算法流程如图7、图8所示。

图7　检验检测环境生成系统发送数据算法流程

图8　诸元解算软件接收数据算法流程

数据库通信的优点在于：① 发送端与接收端相互独立，互不影响；② 编程简单，只需要通过SQL语句查询、更新数据表即可实现数据传递；③ 占用资源少。发送端和接收端不需要建立连接，而且诸元解算软件在接收数据时，只需要发送一个服务请求，其他所有操作均在发送端主机上完成，这种方式大大降低了诸元解算软件所在主机的负载，从而确保检验工作正常顺利完成。④ 异步通信，不阻塞等待。发送端和接收端自主定时轮巡发送和接收数据，除了“标识符”协议之外，相互之间不再需要其他协议，不需要阻塞等待，实现简单，节省资源。

3)诸元精度评估算法

根据诸元精度检验方法，精度评估算法分两种情况：一是进行射表基本诸元精度检验，精度指标E≤0.01(E指全射程误差的中间误差)；二是进行射表修正诸元精度检验，精度指标E≤0.05(上述指标是通过部队调研和咨询相关射击专家而定)。精度检验算法流程如图9所示。下面对某型火炮某弹种海拔0 m全装药诸元精度分别进行了射表基本诸元检验和修正诸元检验(因篇幅所限，本文只给出部分检验结果)。射表基本诸元检验(标准射击条件)结果如表2所示，结果对比如图10、图11所示。

表2　射表基本诸元精度中间误差

图9　精度检验算法流程

图10　射表基本诸元对比(飞行时间、偏流)

图11　射表基本诸元对比(表尺、最大弹道高)

下面，分别在气压766 mmHg，药温24.6℃,风向坐标方位角αW=26-00,基准射向(炮目方向)Aj=48-00，风速W=8 m/s等射击条件下，对某型火炮某弹种海拔0 m全装药的修正诸元进行了精度检验，中间误差计算结果如表3所示，结果对比如图12、图13、图14所示。

表3　修正诸元精度中间误差

图12　距离修正量对比(气温、药温)

图13　距离修正量对比(气压、纵风)

图14　方向修正量对比(横风)

从射表基本诸元和修正诸元精度检验结果可以看出，指火控系统对新弹种的诸元解算结果与射表结果几乎完全吻合，中间误差完全能够满足指标要求。可以说明指火控系统对新弹种射击诸元解算是准确、可靠的，能够满足精度指标要求。

3结束语

新弹种射击诸元精度检验系统的设计与开发，给指火控系统诸元解算软件提供了一个友好、简便的检验平台。生成的射击条件，符合诸元解算软件的要求；数据模型的设计能够为射击条件的生成、诸元计算提供方便、快速、正确的数据服务；基于数据库通信算法，能够满足大批量数据的快速传送。诸元精度检验算法，能够快速对诸元结果进行对比显示并给出评估结果。经系统测试，本系统能够满足实际需求，根据精度指标，可以实现对诸元解算结果的精度检验。

参考文献：

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[4]李春葆，曾平.数据库原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

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[11]闫章庚.射表编拟技术[M].北京：国防工业出版社，2002.

[12]刘怡昕，刘玉文.决定射击诸元理论[M].北京：海军出版社，2001.

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(责任编辑周江川)

本文引用格式：段菖蒲，张志远，刘玉文，等.新弹种射击诸元精度检验系统设计与实现[J].兵器装备工程学报，2016(5):41-45.

Citation format:DUAN Chang-pu,ZHANG Zhi-yuan,LIU Yu-wen,et al.Design and Implementation of Firing Data Calculation Accuracy Testing of New Cannonball System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):41-45.

Design and Implementation of Firing Data Calculation Accuracy Testing of New Cannonball System

DUAN Chang-pu,ZHANG Zhi-yuan,LIU Yu-wen,LI Jun

(Army Artillery Teaching and Research Section,Army Officer Academy,Hefei 230031,China)

Abstract:Aiming at the shortage of traditional testing method,we used a number of techniques such as rule database of shooting,the distribution law of temperature and air pressure and the Gaussian distribution,the database communication and the firing data accuracy testing arithmetic were designed to solve the key questions such as the firing parameters generating,the block data cmmunication and the firing data testing,which implements the rapid testing of the firing data.

Key words:firing data; Gauss distribution; data model; TCP; UDP

doi:【装备理论与装备技术】10.11809/scbgxb2016.05.010

收稿日期：2015-11-29；修回日期：2015-12-30

作者简介：段菖蒲(1977—)，男，讲师，博士研究生，主要从事炮兵指挥研究；刘玉文(1963—)，男，教授，博士生导师，主要从事外弹道研究。

中图分类号：TJ306；E920

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0041-06