某型高炮訓(xùn)練模擬器火控仿真模型研究

杜 立

（總參第六十研究所機器人實驗室，南京 210016）

一、引 言

我國在不同時期，針對軍事訓(xùn)練要求，研制并配發(fā)過多種模擬訓(xùn)練器材，部分器材已配發(fā)部隊并使用多年，為基層部隊的日常軍事訓(xùn)練提供了良好的保障。但隨著全軍軍事訓(xùn)練信息化要求的不斷提升，新型武器不斷裝備部隊，新一代軍事訓(xùn)練與考核大綱要求我軍必須著眼于戰(zhàn)爭的演變拓展使命任務(wù)，進一步推動信息化條件下各軍兵種對各型武器裝備的使用操作能力。

目前使用的模擬訓(xùn)練器材，是主要以傳統(tǒng)技術(shù)為主導(dǎo)的機械化訓(xùn)練器材，存在訓(xùn)練功能單一、信息技術(shù)含量低、信息數(shù)據(jù)采集不足、訓(xùn)練信息反饋不及時和自動化程度不高等情況。尤其在防空武器裝備，如各型高炮等信息化集成度較高的武器裝備訓(xùn)練中，受到訓(xùn)練目標保障難、裝備損耗彈藥供應(yīng)少、訓(xùn)練場地不足等不同方面的制約，部隊無法在基層營區(qū)開展操作訓(xùn)練，訓(xùn)練效果和戰(zhàn)斗力都受到了影響。

隨著高科技的不斷發(fā)展，模擬訓(xùn)練器廣泛適用于計算機圖形技術(shù)、三維圖顯實時生成等仿真技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的模擬實戰(zhàn)訓(xùn)練環(huán)境。解決訓(xùn)練不了、訓(xùn)練不起的問題，逼真的訓(xùn)練環(huán)境大大縮短了訓(xùn)練周期。要提供與武器系統(tǒng)相仿的實物操作環(huán)境，呈現(xiàn)與實裝一致的逼真效果，必須對火控系統(tǒng)的建模和仿真進行深入研究，使受訓(xùn)人員在訓(xùn)練中仿佛身臨其境。

二、火控系統(tǒng)原理

（一）對空攻擊火控原理

防空高炮攻擊目標時，分為全自動、半自動和手動這3種控制模式。

圖1　火控系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，全自動控制模式下，模擬雷達測量系統(tǒng)開啟，測量值代入全自動解算模型中直接獲得射擊需要的提前角和高角；半自動和手動模式下，雷達測量系統(tǒng)關(guān)閉，瞄準具為隨動系統(tǒng)提供提前角和高角。

（二）射擊數(shù)學(xué)模型

高炮對空中處于M點位置的飛機進行攻擊，由于目標飛行速度較快，火炮不能指向現(xiàn)在位置M點，而必須指向提前位置點射擊。假設(shè)目標在任意平面內(nèi)做等速直線飛行，則提前位置一定處于現(xiàn)在航路的延長線上，且提前位置與現(xiàn)在位置的距離等于目標飛行速度與射彈飛行時間的乘積。稱為提前三角形，為提前角

考慮到射彈在飛行過程中受重力和空氣阻力作用，形成彎曲的彈道，若火炮直接向點射擊，則射彈從點下方通過，無法擊中目標。因此，發(fā)射時炮管必須抬高一個角度使炮身抬高到上方點位置。則角稱為高角，三角形成為彈道三角形，如圖2所示。

圖2　提前三角形和彈道三角形

三、火控系統(tǒng)對空射擊建模

（一）全自動模式計算模型——雷達系統(tǒng)仿真

全自動模式下，模擬雷達系統(tǒng)正常運作，實測數(shù)據(jù)已知量為：高炮本體位置，目標位置，目標速度矢量，目標加速度。

解分段方程（6）得到 ，即可得到。

圖3　全自動計算模型流程圖

（二）半自動/手動計算模型——陀螺瞄準具仿真

半自動和手動模式下，雷達測量系統(tǒng)關(guān)閉，目標的飛行速度，坐標位置都無法進行測量，射手需借助瞄準具進行瞄準。實裝中瞄準具利用陀螺組件測得目標運行角速度，因此分析式（1），當 ＜13°時，

（例 sin13°= 0.22495，13°= 0.22689 rad，相差 0.00194，sin10°= 0.17364，10°= 0.17453 rad，相差 0.00089）。則：

目標相對火炮運動角速度等于目標切向速度與現(xiàn)在斜距之比，即：

將式（8）代入式（7）得：

圖4中，1為0.5°視角小環(huán)（直徑），2為2°視角大環(huán)（直徑），射手通過對空光環(huán)鎖定目標，對空光環(huán)圖中心光點為3.6′視角（1密位），小圓直徑相當于0.5°視角，大圓直徑相當于2°視角。手動/半自動解算流程如圖5所示。

圖4　對空光環(huán)圖

圖5　手動/半自動解算流程

由于在1000 m遠處長度為1 m的物體，約為1密位視角，即：落在中心光點上；若目標卡在0.5°視角內(nèi)，則約為1000 m外8.5 m長的物體，或500 m外4.3 m長的物體。以此類推，在訓(xùn)練中受訓(xùn)人員已知目標長度，根據(jù)目標在光環(huán)圖中的視角，目測確定目標現(xiàn)在距離 ，而當光環(huán)穩(wěn)定鎖定目標時，炮管角速度即等于飛行目標角速度，而彈丸的平均速度由武器射進行插值計算可得，根據(jù)式（8）計算得出提前角 ，繼而得出高角 。

四、火炮命中計算模型

高炮執(zhí)行模擬射擊后,需要進行射擊命中解算。受訓(xùn)人員踩下激發(fā)踏板發(fā)射多發(fā)彈丸，在空中形成火力球面。模擬場景中飛行目標的速度矢量、目標現(xiàn)在位置已知；同時,火炮模擬發(fā)射的提前角、高角、射彈平均速度等射擊諸元均已知，方程聯(lián)立計算出飛行目標和射彈軌跡能否交會于一點，即完成命中解算。軟件實現(xiàn)中，解算流程如圖6所示。

圖6　命中解算流程圖

五、風(fēng)速修正

實際射擊中，風(fēng)速影響射擊精度。因此，在模擬器設(shè)計中需要考慮風(fēng)速影響，對射擊數(shù)學(xué)模型進行風(fēng)速修正。

在全自動模式下，模擬風(fēng)速儀輸出風(fēng)速矢量，直接將風(fēng)速的影響分解到目標速度和炮彈速度，修正式（1）最終求解出提前角和高角。

在手動/半自動模式下，實裝中沒有風(fēng)速儀，瞄準模型不需要進行風(fēng)速修正；在命中解算中，根據(jù)軟件設(shè)定的風(fēng)速對目標速度和炮彈速度進行修正，從而計算命中信息。

六、結(jié)束語

本文分析了某型高炮火控原理，分別建立了全自動雷達跟蹤模式、半自動陀螺瞄準具模式、手動模式這3種攻擊模式下的火控模型。在模擬訓(xùn)練軟件算法中，充分考慮到重力場和風(fēng)場在命中計算模型中的影響，實際運用于某型高炮模擬器設(shè)計中，取得了較好的仿真效果。