自行加榴炮系统反应时间优化研究

冯颖龙，王振明，王屹华，许耀峰，王晓冬

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

随着武器装备自动化、信息化水平不断提高,现代战争的作战方式产生巨大变化,要求武器装备快打快撤、缩短武器系统反应时间。武器系统反应时间[1]是武器系统重要性能指标,反映武器装备火力反应速度。缩短系统反应时间可以减少火力周转时间,使其迅速完成火力打击并转移阵地,快打快撤,进而攻击下一批次目标。缩短反应时间还可以减少敌方作规避动作的时间,提高武器装备快速反应能力和战场生存能力。

传统大口径加榴炮需要炮长、输弹手、装药手、瞄准手等战斗人员人工操作[2],系统反应时间远大于1 min。为了调炮准确,需要战士多次瞄准并采用仪器仔细查验瞄准精度是否符合要求;弹药装填时,需要战士将大于50 kg的弹药运送到装弹位,进行手动推弹、推药等动作,消耗体力和花费时间明显,系统反应时间较大。

自动化是缩短武器响应时间的有效手段。采用自动化设备将动作中劳动强度大、计算难度高、重复性强的工作进行替代,可以减少战士体力消耗和脑力消耗,并且有效减小反应时间。现有的自动化多关注于片段的流程,而未对总体流程综合考量。

张祥林[3]对高炮武器系统反应时间进行了研究,提出了高炮武器系统反应时间缩小的方法。涂二看见等[4]将语音识别技术引入高炮的系统反应时间的测试方法中,以解决不同试验条件下的系统反应时间测试需求。许俊飞等[5-6]对舰炮作战能力进行分析,构建了舰炮的系统反应时间模型。陈健等[7]从人机交互的角度对舰载指挥的反应时间进行分析并提出提高人机交互效率的建议。上述文献研究对象分别是高炮和舰炮,未对自行加榴炮进行研究。刘爱峰等[8-9]针对某中小口径自行加榴炮,设计自动直瞄模型,采用自动直瞄替代传统直瞄,有效提高直瞄反应时间。但是该研究只关注于直瞄时弹道解算至调炮到位过程,忽略了大口径加榴炮弹药装填动作对系统反应时间的影响。

针对减少某大口径自行加榴炮系统反应时间的问题,将弹药装填动作纳入系统反应时间内统一考量,采用操瞄调炮模型,优化调炮与弹药装填动作工作流程,同步调炮动作与弹药装填中选弹、输弹动作。有效减小某大口径自行加榴炮系统反应时间,显著提升其自动化水平和作战效率。

1 武器系统反应时间

武器系统反应时间包括诸元解算时间、操瞄调炮时间、弹药装填时间以及信息传输时延,如图1所示。

1)诸元解算时间(tjs)是指根据射击开始诸元(表尺、方位)求取调炮诸元(高低角、方位角)所用的时间,即操瞄解算模型运行时间。

2)操瞄调炮时间(tdp)是指利用惯导数据执行操瞄解算,将表尺和方位转换至炮塔坐标系下,并调炮到目标高低、方位所需时间。

3)弹药装填时间(tzt)是指从接到装填指令开始到弹药全部进入炮膛内所用时间。弹药装填动作组包括弹线循环动作和药线循环动作,如图2所示。

4)传输时延(Δτ)是指发送指令至各分系统接受到指令所需要的通信时间。

诸元计算、操瞄调炮、弹药装填这3个动作对武器系统反应时间具有较大影响。采用自动化手段分别缩短操瞄解算时间、调炮时间、装填时间,并且综合考虑各动作的互不干涉性,进一步压缩各动作组合在对整体时间的消耗,从而缩短系统反应时间。

2 操瞄解算模型

操瞄解算模型为求解大地坐标系下的空间点在炮塔坐标系下的坐标,从而得到调炮诸元(表尺β2和方向ε2)。

定义坐标系和各参数符号如下：

1)大地坐标系{OXdYdHd}：O为炮塔回转中心,OXd、OYd分别指向大地正北方向和正东方向,OHd铅锤向上,如图3所示。

2)炮塔水平坐标系{OXpYpHp}：O为炮塔回转中心,令火炮高低角为零(ε=0)和方位角为零(β=0),OXp身管轴线方向,OYp、OHp按左手准则分别与OXp两两垂直。

3)炮塔坐标系{OXepYepHep}：O为炮塔回转中心,在炮塔水平坐标系下,定义θx为横倾角,θy为纵倾角,θh为定向角,令横倾角与纵倾角分别为0,此时的坐标系即炮塔坐标系,其中OXep轴为当前状态下的身管轴线方向。

根据刚体空间坐标变换关系[10],取大地坐标系中诸元单位方向为e,表尺为ε1,方向为β1,则大地坐标下空间点P的坐标表达式为

(1)

基于搭载于炮塔上的惯性导航装置得到的炮塔姿态角(θx,θy,θh),将空间点变换至炮塔坐标系下,可得点P的坐标表达式为

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Rx(θx)为左手坐标系中,绕大地坐标系X轴旋转θx的变换矩阵;Ry(θy)为绕大地坐标系Y轴旋转θy变换矩阵;Rh(θh)为绕大地坐标系H轴旋转θh变换矩阵。

操瞄解算出的炮塔坐标系下方位角β2和高低角ε2的定义式为

(6)

将式(1)、(2)代入式(6),可得式(7)中的诸元(β2,ε2)。完成操瞄解算后,随动系统根据解算出的诸元(β2,ε2)执行操瞄调炮动作。

(7)

3 系统联动的分步并行方法

3.1 传统方法

某型自行加榴炮系统联动时,传统方法采用串联方式,如上文图1所示,即串接操瞄解算过程、调炮动作和装填机构动作,3个动作组按照时间序列依次完成,每个动作完成后,方可开始下一个动作。系统反应时间为

(8)

传统的串联方法对各部分动作解耦,可以最大程度避免调炮动作与装填动作的干涉。但串联动作时,一段时间内只能完成1个动作,时间利用效率不高。

3.2 分步并行方法

根据对某大口径自行加榴炮机构动作的研究,发现操瞄调炮动作与装填动作组中选弹、推弹、交弹、接弹等动作互不干涉,可以同步进行。其他动作需要调炮完成后方可执行,否则会在机构动作时发生碰撞,产生机械形变,引发故障。因此,对装填动作组进行分解,将子动作中不影响调炮动作的机构动作分为A组,将子动作中干涉调炮动作的部分列为B组。装填动作A组在诸元解算完成后,与调炮动作同时开始。装填动作B组等待调炮完成信号,在调炮完成后执行。此外,令装填的“输药机移出”动作与“关闩”动作同步操作,如图4所示。

分步并行方法的系统反应时间为

(9)

相较于式(8)中的传统方法,分步并行方法系统反应时间减少了Δt：

Δt=tc-tb=tdp+tgs+τ2.

(10)

4 试验与分析

4.1 试验条件

试验基于某大口径自行加榴炮,在调试工房进行。参试人员2名：一名为驾驶员,负责启动发动机为全炮电气供电;另一名为炮长,负责操作炮长终端和电气操作面板。

调炮范围为方位300 mil、高低300 mil。采用操瞄解算模型解算火炮在炮塔坐标系下的方位角和高低角,使用随动系统进行自动调炮。平均调炮速度为3(°)/s,装填次数为1次。

便捷式计算机与控制箱之间采用USB连接,使用标准CAN数据采集设备采集总线中CAN数据。基于Python语言编写数据分析脚本,对接收的报文进行ID号解析,自动统计系统反应时间。

4.2 试验结果分析

在某大口径自行加榴炮试验平台上分别采用传统方法和分步并行方法进行试验,过程如下：

步骤1人工为弹仓、药仓补给弹药。

步骤2模拟本炮坐标、目标坐标、气象条件等信息,通过炮长终端装定诸元信息。

步骤3驾驶员启动发动机,使底盘为全炮供电。

步骤4炮长点击炮长终端“开始”按钮,启动系统反应时间测试指令;

步骤5炮长终端软件自行控制各机构动作。

步骤6待所有动作结束后,导出CAN数据,使用数据分析软件统计各动作时间及系统反应时间。

进行6次试验,测试得到的反应时间如表1所示。

表1 武器系统反应时间对比试验结果

采用传统方法进行操瞄调炮和装填动作时,平均系统反应时间为21.75 s。采用分步并行方法时,在操瞄模型解算完成后,同时进行操瞄调炮和装填动作,平均系统反应时间为14.73 s,减少了7.02 s。表1中传统方法和分布并行方法的标准差分别为0.48 s和0.69 s,表明6组试验系统反应时间在均值附近波动较小,试验数据一致性较好,如图5所示。

分步并行方法的系统反应时间标准差略大于传统方法,原因在于分布并行方法的第1、3、4、5、6组试验中,弹筒初始位置位于出弹口,但第2组试验中,弹筒初始位置距离出弹口较远,选弹动作行程更长,该动作耗时较多,导致此次系统反应时间较长,最终使得标准差略高。对第2组试验各分步动作时间进行记录,如表2所示。将传统方法中的调炮时间tdp、传输时延τ2、关闩时间tgs代入式(10)中,计算得Δt为6.19 s。即该传统方法的系统反应时间具有减少6.19 s的可能性。在实际试验中,分步并行方法的系统反应时间为16.12 s,比传统方法的22.64 s减少了6.52 s,与预测减少的时间(Δt=6.19 s)基本一致。

表2 第2组试验反应时间结果 s

综上所述,通过笔者提出的操瞄解算模型进行解算,分解装填动作组,优化调炮动作与装填动作,系统反应时间较传统方法显著减少。

5 结束语

笔者以某大口径自行加榴炮为研究对象,针对传统自行加榴炮系统反应时间过长,自动化水平较低的问题,设计了分步并行方法,推导了其操瞄解算模型,应用于操瞄调炮的解算过程中;考虑了装填动作对武器系统反应时间的影响,优化操瞄调炮与装填动作时序。试验表明,采用分步并行方法优化后的系统反应时间为14.73 s,较传统方法(21.75 s)提升32.3%。该方法较传统方法作战效率更高,能够满足军事中对首群覆盖的时间要求,具有较高的工程应用价值。