基于半實(shí)物仿真的精度評估技術(shù)

韓潔 杜會盈 毛洪川 胡怡芳

摘 要 艦炮系統(tǒng)精度是艦炮武器系統(tǒng)的一項(xiàng)重要戰(zhàn)技指標(biāo)，傳統(tǒng)的依靠靶場大量實(shí)驗(yàn)得出艦炮系統(tǒng)精度的手段會造成大量的人力、物力、財(cái)力的消耗，因此我們設(shè)計(jì)了一種基于半實(shí)物仿真的艦炮精度評估技術(shù)。

關(guān)鍵詞 艦炮武器系統(tǒng)；模擬信號；精度評估技術(shù)

中圖分類號 TJ8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）212-0099-03

當(dāng)前的艦炮武器系統(tǒng)一般由跟蹤器、火控設(shè)備、艦炮和導(dǎo)航設(shè)備組成，跟蹤器測量目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)的位置參數(shù)，并傳給火控設(shè)備，火控設(shè)備根據(jù)現(xiàn)在點(diǎn)位置、艦艇運(yùn)動(dòng)參數(shù)、彈道氣象參數(shù)等方法，計(jì)算出火炮的瞄準(zhǔn)全角，使彈丸能在未來點(diǎn)上與目標(biāo)相遇，達(dá)到毀傷目標(biāo)的目的[ 1 ]。

系統(tǒng)精度是指艦炮火控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)工作的準(zhǔn)確度或精確度，是艦炮武器系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)之一。如果精度不能滿足系統(tǒng)要求，炮彈發(fā)射后就不能準(zhǔn)確命中目標(biāo)，所以必須對艦炮武器系統(tǒng)的精度進(jìn)行測試。傳統(tǒng)的依靠靶場大量實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)精度的手段會造成大量的人力、物力、財(cái)力的消耗，因此我們提出了一種模擬信號驅(qū)動(dòng)半實(shí)物場景下的艦炮精度評估技術(shù)，與真實(shí)環(huán)境相比采用模擬信號取代了真實(shí)目標(biāo)從而驅(qū)動(dòng)艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。具有試驗(yàn)簡單、大量且可重復(fù)，可以模擬多種目標(biāo)（飛機(jī)、艦艇等），多種不同航路等優(yōu)點(diǎn)，減少系統(tǒng)訓(xùn)練費(fèi)用，提高武器系統(tǒng)工作質(zhì)量和戰(zhàn)備完好性，為滿足系統(tǒng)的測試性和保障性需求提供高效支持。

1 精度評估技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測目標(biāo)原理可知，雷達(dá)接收到的目標(biāo)反射回波中包含了目標(biāo)的相關(guān)信息，目標(biāo)反射回波相對發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間延遲反映了目標(biāo)的徑向距離，回波信號的頻率偏差反映了目標(biāo)的徑向速度，回波信號相對天線指向的信號幅度強(qiáng)弱反映了目標(biāo)的空間位置。模擬器接收到預(yù)設(shè)航路后，換算成回波延遲時(shí)間，多普勒頻率疊加量，方位差信號幅度及相位控制量，俯仰差信號幅度及相位控制量，輸出為包含雷達(dá)目標(biāo)特性的回波仿真信號。驅(qū)動(dòng)跟蹤器捕獲、跟蹤模擬目標(biāo)，從而實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)艦炮武器系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

精度評估技術(shù)的工作原理是利用預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)航路（航路信息包含目指數(shù)據(jù)、己艦姿態(tài)數(shù)據(jù)、氣象參數(shù)等），啟動(dòng)信號模擬器，驅(qū)動(dòng)跟蹤器捕獲、跟蹤模擬目標(biāo)，導(dǎo)航設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)設(shè)的導(dǎo)航信息、火控設(shè)備解算射擊諸元并協(xié)調(diào)艦炮瞄準(zhǔn)，我們根據(jù)艦炮的實(shí)時(shí)架位信息與預(yù)設(shè)航路理論上的艦炮架位進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)從而檢查整個(gè)系統(tǒng)的精度。

同時(shí)由于艦炮武器系統(tǒng)中各傳感器在艦艇上所處位置不同，對目標(biāo)的測量元素不同，所基于的坐標(biāo)系也是不一樣的[2]，預(yù)設(shè)的目標(biāo)航路數(shù)據(jù)是基于艦艇地理坐標(biāo)系，而跟蹤器接收的模擬數(shù)據(jù)則是基于火炮甲板坐標(biāo)系。因此需要先將目標(biāo)航路從艦艇地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為火炮甲板坐標(biāo)系，再將坐標(biāo)變換后的航路發(fā)送給模擬器，模擬器根據(jù)當(dāng)前的航路信息判斷并產(chǎn)生對應(yīng)的模擬信號，從而驅(qū)動(dòng)跟蹤器捕獲模擬目標(biāo)。

具體的技術(shù)原理見圖1。

1.2 航路坐標(biāo)變換

與艦炮武器系統(tǒng)有關(guān)的坐標(biāo)系包括大地坐標(biāo)系、艦艇地理坐標(biāo)系、火炮甲板坐標(biāo)系、托架坐標(biāo)系、慣性坐標(biāo)系等。本文僅介紹艦艇地理坐標(biāo)系與火炮甲板坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換公式。

艦艇地理坐標(biāo)系O-XYZ

O—艦艇搖擺中心；

Ox—水平面垂直于艦艏線，右舷方向?yàn)檎?img src="https://cimg.fx361.com/images/2018/07/03/qkimageskecbkecb201811kecb20181148-1-l.jpg"/>

Oy—艦艏線在水平面的投影，艦艏線方向?yàn)樽C；

Oz—垂直于水平面向上，指向天頂方向?yàn)檎?/p>

火炮甲板坐標(biāo)系O-X1Y1Z1

O—艦艇搖擺中心；

Ox1—甲板平面內(nèi)垂直于Oy軸右舷方向?yàn)檎?/p>

Oy1—甲板平面內(nèi)平行于艦艏方向?yàn)檎?/p>

Oz1—垂直于甲板平面指向天頂方向?yàn)檎?/p>

坐標(biāo)變換主要包括球坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)系之間的變換，艦艇地理坐標(biāo)系和火炮甲板坐標(biāo)系之間的變換。

1）球坐標(biāo)（R，A，E）與空間直角坐標(biāo)（X，Y，Z）

2）艦艇地理坐標(biāo)系（X0，Y0，Z0）和火炮甲板坐標(biāo)系（X1，Y1，Z1）

艦艇地理坐標(biāo)系是穩(wěn)定坐標(biāo)系，火炮甲板坐標(biāo)系由于受到海上風(fēng)浪的影響為不穩(wěn)定坐標(biāo)系，在X軸和Y軸發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)（即海上航行時(shí)的縱搖角和橫搖角）。由于兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為同一原點(diǎn)，因此我們可以利用歐拉角的轉(zhuǎn)動(dòng)算子，計(jì)算出火炮甲板坐標(biāo)系與艦艇地理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換公式。

由圖2可知，艦艇地理坐標(biāo)系O-XYZ變換到與火炮甲板坐標(biāo)系O-X1Y1Z1重合，需要經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)動(dòng)：

1）坐標(biāo)系O-XYZ進(jìn)行縱搖變換，即繞X軸旋轉(zhuǎn)縱搖角Z（艏搖向上為正），變換為坐標(biāo)系O-？ X0Y1Z2。

2）坐標(biāo)系O-？X0Y1Z2進(jìn)行橫搖變換，即繞Y軸旋轉(zhuǎn)橫搖角H（右舷向下為正），變換為O-X1Y1Z1。

3）因此艦艇地理坐標(biāo)系O-XYZ變換到火炮甲板坐標(biāo)系O-X1Y1Z1，存在如下變換。

火炮甲板坐標(biāo)系O-X1Y1Z1變換到艦艇地理坐標(biāo)系O-XYZ的變換矩陣為A-1，由于A為正交矩陣，因此，A-1=AT。

1.3 精度評估準(zhǔn)則

航路啟動(dòng)后，根據(jù)目標(biāo)航路不同，程序中規(guī)定了統(tǒng)計(jì)該航路誤差的開始和停止時(shí)刻、采樣時(shí)間間隔、采樣時(shí)刻對應(yīng)的方向/高低架位的理論值。我們接收到火炮實(shí)時(shí)的方位/高低架位后利用以下的公式計(jì)算誤差，直至統(tǒng)計(jì)停止時(shí)刻即可得出統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)火炮的方向架位誤差均值/均方差和高低架位誤差均值/均方差。

誤差統(tǒng)計(jì)的計(jì)算公式如下：

誤差的均值：

誤差的均方差：

公式中：x（i）——來自火炮實(shí)時(shí)的方向/高低架位；

T（i）——對應(yīng)時(shí)刻的火炮方向/高低架位的理論值；

N——統(tǒng)計(jì)的誤差點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

統(tǒng)計(jì)的結(jié)果包括誤差均值和誤差均方差。誤差均值代表統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)誤差數(shù)據(jù)的集中趨勢，誤差均方差則代表統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)誤差的離散程度。均方值較大則代表大部分誤差與誤差平均值之間的差異較大，均方值較小則代表這些誤差較接近誤差平均值，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)定的可接收的誤差均值和誤差均方差，可檢驗(yàn)當(dāng)前艦炮武器系統(tǒng)的精度是否滿足系統(tǒng)要求。

2 結(jié)論

本文提到的模擬信號驅(qū)動(dòng)半實(shí)物場景下的精度評估技術(shù)已在實(shí)際中得到了應(yīng)用，并取得了良好的效果。

利用系統(tǒng)的精度評估功能，可進(jìn)行大量目標(biāo)航路的模擬仿真，節(jié)約大量的人力、物力、財(cái)力開支，減少了外場試驗(yàn)，縮短了試驗(yàn)時(shí)間。是一種高效的艦炮武器系統(tǒng)精度檢測方法。

參考文獻(xiàn)

[1]朱慶和.提高艦炮武器系統(tǒng)精度的一種有效方法——誤差相消原理[J].火力與指揮控制，1996（4）：21-26.

[2]周志恒，趙建軍，桑德一，等.艦艇姿態(tài)對作戰(zhàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)對準(zhǔn)精度的影響分析[J]，兵工自動(dòng)化，2016，35（5）：51-55.