基于半实物仿真的精度评估技术
时间：2020-04-04 05:22:51 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要 舰炮系统精度是舰炮武器系统的一项重要战技指标，传统的依靠靶场大量实验得出舰炮系统精度的手段会造成大量的人力、物力、财力的消耗，因此我们设计了一种基于半实物仿真的舰炮精度评估技术。
关键词 舰炮武器系统；模拟信号；精度评估技术
中图分类号 TJ8 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）212-0099-03
当前的舰炮武器系统一般由跟踪器、火控设备、舰炮和导航设备组成，跟踪器测量目标现在点的位置参数，并传给火控设备，火控设备根据现在点位置、舰艇运动参数、弹道气象参数等方法，计算出火炮的瞄准全角，使弹丸能在未来点上与目标相遇，达到毁伤目标的目的[ 1 ]。
系统精度是指舰炮火控系统运行时工作的准确度或精确度，是舰炮武器系统关键指标之一。如果精度不能满足系统要求，炮弹发射后就不能准确命中目标，所以必须对舰炮武器系统的精度进行测试。传统的依靠靶场大量实验得出系统精度的手段会造成大量的人力、物力、财力的消耗，因此我们提出了一种模拟信号驱动半实物场景下的舰炮精度评估技术，与真实环境相比采用模拟信号取代了真实目标从而驱动舰炮武器系统联动。具有试验简单、大量且可重复，可以模拟多种目标（飞机、舰艇等），多种不同航路等优点，减少系统训练费用，提高武器系统工作质量和战备完好性，为满足系统的测试性和保障性需求提供高效支持。
1 精度评估技术
1.1 技术原理
根据雷达监测目标原理可知，雷达接收到的目标反射回波中包含了目标的相关信息，目标反射回波相对发射时刻的时间延迟反映了目标的径向距离，回波信号的频率偏差反映了目标的径向速度，回波信号相对天线指向的信号幅度强弱反映了目标的空间位置。模拟器接收到预设航路后，换算成回波延迟时间，多普勒频率叠加量，方位差信号幅度及相位控制量，俯仰差信号幅度及相位控制量，输出为包含雷达目标特性的回波仿真信号。驱动跟踪器捕获、跟踪模拟目标，从而实时驱动舰炮武器系统联动。
精度评估技术的工作原理是利用预先设定的目标航路（航路信息包含目指数据、己舰姿态数据、气象参数等），启动信号模拟器，驱动跟踪器捕获、跟踪模拟目标，导航设备转发预设的导航信息、火控设备解算射击诸元并协调舰炮瞄准，我们根据舰炮的实时架位信息与预设航路理论上的舰炮架位进行误差统计从而检查整个系统的精度。
同时由于舰炮武器系统中各传感器在舰艇上所处位置不同，对目标的测量元素不同，所基于的坐标系也是不一样的[2]，预设的目标航路数据是基于舰艇地理坐标系，而跟踪器接收的模拟数据则是基于火炮甲板坐标系。因此需要先将目标航路从舰艇地理坐标系转换为火炮甲板坐标系，再将坐标变换后的航路发送给模拟器，模拟器根据当前的航路信息判断并产生对应的模拟信号，从而驱动跟踪器捕获模拟目标。
具体的技术原理见图1。
1.2 航路坐标变换
与舰炮武器系统有关的坐标系包括大地坐标系、舰艇地理坐标系、火炮甲板坐标系、托架坐标系、惯性坐标系等。本文仅介绍舰艇地理坐标系与火炮甲板坐标系之间的坐标变换公式。
舰艇地理坐标系O-XYZ
O—舰艇摇摆中心；
Ox—水平面垂直于舰艏线，右舷方向为正；
Oy—舰艏线在水平面的投影，舰艏线方向为证；
Oz—垂直于水平面向上，指向天顶方向为正。
火炮甲板坐标系O-X1Y1Z1
O—舰艇摇摆中心；
Ox1—甲板平面内垂直于Oy轴右舷方向为正；
Oy1—甲板平面内平行于舰艏方向为正；
Oz1—垂直于甲板平面指向天顶方向为正。
坐标变换主要包括球坐标系与空间直角坐标系之间的变换，舰艇地理坐标系和火炮甲板坐标系之间的变换。
1）球坐标（R，A，E）与空间直角坐标（X，Y，Z）
2）舰艇地理坐标系（X0，Y0，Z0）和火炮甲板坐标系（X1，Y1，Z1）
舰艇地理坐标系是稳定坐标系，火炮甲板坐标系由于受到海上风浪的影响为不稳定坐标系，在X轴和Y轴发生了转动（即海上航行时的纵摇角和横摇角）。由于两个坐标系的原点为同一原点，因此我们可以利用欧拉角的转动算子，计算出火炮甲板坐标系与舰艇地理坐标系之间的转换公式。
由图2可知，舰艇地理坐标系O-XYZ变换到与火炮甲板坐标系O-X1Y1Z1重合，需要经过两次转动：
1）坐标系O-XYZ进行纵摇变换，即绕X轴旋转纵摇角Z（艏摇向上为正），变换为坐标系O-？ X0Y1Z2。
2）坐标系O-？X0Y1Z2进行横摇变换，即绕Y轴旋转横摇角H（右舷向下为正），变换为O-X1Y1Z1。
3）因此舰艇地理坐标系O-XYZ变换到火炮甲板坐标系O-X1Y1Z1，存在如下变换。
火炮甲板坐標系O-X1Y1Z1变换到舰艇地理坐标系O-XYZ的变换矩阵为A-1，由于A为正交矩阵，因此，A-1=AT。
1.3 精度评估准则
航路启动后，根据目标航路不同，程序中规定了统计该航路误差的开始和停止时刻、采样时间间隔、采样时刻对应的方向/高低架位的理论值。我们接收到火炮实时的方位/高低架位后利用以下的公式计算误差，直至统计停止时刻即可得出统计时间段内火炮的方向架位误差均值/均方差和高低架位误差均值/均方差。
误差统计的计算公式如下：
误差的均值：
误差的均方差：
公式中：x（i）——来自火炮实时的方向/高低架位；
T（i）——对应时刻的火炮方向/高低架位的理论值；
N——统计的误差点的个数。
统计的结果包括误差均值和误差均方差。误差均值代表统计时间段内误差数据的集中趋势，误差均方差则代表统计时间段内误差的离散程度。均方值较大则代表大部分误差与误差平均值之间的差异较大，均方值较小则代表这些误差较接近误差平均值，根据系统规定的可接收的误差均值和误差均方差，可检验当前舰炮武器系统的精度是否满足系统要求。
2 结论
本文提到的模拟信号驱动半实物场景下的精度评估技术已在实际中得到了应用，并取得了良好的效果。
利用系统的精度评估功能，可进行大量目标航路的模拟仿真，节约大量的人力、物力、财力开支，减少了外场试验，缩短了试验时间。是一种高效的舰炮武器系统精度检测方法。
参考文献
[1]朱庆和.提高舰炮武器系统精度的一种有效方法——误差相消原理[J].火力与指挥控制，1996（4）：21-26.
[2]周志恒，赵建军，桑德一，等.舰艇姿态对作战系统动态对准精度的影响分析[J]，兵工自动化，2016，35（5）：51-55.
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