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第二章基本理论 11 射表具有其针对性 不同的弹炮药有不同的射表

归档日期:06-29       文本归类:弹道准备      文章编辑:爱尚语录

  第二章基本理论 11 射表具有其针对性 不同的弹炮药有不同的射表。射表一般根据弹道方程和实际靶场试验获得 是一种数字表或者图标 射表中含有火控解算的射击诸元信息。基本射表和修正射表是构成射表的主体 实际应用中一般只用这两者。 设计火控系统时一般依据射表来进行设计 其工程应用一般存在两种形式 插值以及

  第二章基本理论 11 射表具有其针对性 不同的弹炮药有不同的射表。射表一般根据弹道方程和实际靶场试验获得 是一种数字表或者图标 射表中含有火控解算的射击诸元信息。基本射表和修正射表是构成射表的主体 实际应用中一般只用这两者。 设计火控系统时一般依据射表来进行设计 其工程应用一般存在两种形式 插值以及函数逼近。线性插值、牛顿插值、拉各朗日插值等是工程领域中最常用的插值法 无理式逼近、有理式逼近等是工程领域中最常用的函数逼近方法 22 。在实际工程应用中 为提高解算的实时性 减少程序读取的时间 一般应用函数逼近方法。一个二元有理分式函数来逼近射表的一般表达式如下 rkslblbkklpkqlblbkklhdhdahdf000043211 d为发射的弹丸距离火炮回转中心的水平距离h为发射的弹丸相对火炮回转中心的水平高度 fˆ为发射的弹丸的飞行时间ft或者火炮发射时其抬高角 等需要求解的数值 ib 是拟合用常系数在实际使用时 依据射表编制的不同 其自变量也会不同 在本论文中 所使用的自变量为R 弹头斜距离 本论文中逼近射表函数采用的形式如下40400000 ˆkkllklkRRRaRf 00R为拟合中心 取max05 0RR max05 maxmaxR为射表中弹丸斜距和火炮抬高角的最大值。阶数依据不同的精度要求进行确定。 递推最小二乘法在工程应用实际中 采用递推最小二乘法求取射表逼近系数 可避免数据多 处理时间长的问题。 为保证拟合精度在射表各点上差别不大 在拟合前还需将射表顺序打乱。因为在射表编制时 一般是按照第一个自变量不变 另一个自变量变化 当另一个自变量变化到最大时 第一个自变量增加一个数值 然后另一个自变量继续从小到大变化 这就使得按射表顺序输入数据进行拟合时 射表数据的相关性比较强 在拟合中容易造成一些区域拟合精度高 而另一些区域拟合精度会很差 不能满足火控解算对射表拟合精度的要求。 NNR构成 NXT待估参数lka 构成 NNRf构成 11可写成为 电子科技大学硕士学位论文 12 12RLS算法如下 NNXNyNKNNNXNPNXNXNPNKNPNXNKNPNPTTT 1 NK是一直随着计算在变化的加权系数。本文中考虑到射表中数据没有重要与不重要之分 所以 的取值为1。 区域法在传统的火控系统中 射表拟合所采用的方法都是将整张射表数据一起拟合 为方便 以下暂称此法为整体法 。整体法对于大多数射表其拟合精度很高 满足火控解算对精度的要求。但在射表数据稀疏 或者弹药在不同区域其差别较大时 采用整体法对射表进行拟合时 在射表的一些数据段 其拟合误差会比较大 不能达到对精度的要求 为此 需要寻求一种新的拟合方法。 区域射表拟合方法是解决整体法不足的创新方法。区域法充分考虑了弹药在射击区域特性的不同 结合应用经验和弹道方程 将射表进行合理分区 在每一个射表区域中 采用递推最小二乘法对射表进行拟合 能够满足火控解算对射表拟合精度的要求。 在进行射表的分区域时 采用如下准则 依据弹道方程和工程经验 选定判定参数1 以射表自变量和R的比值R 为比较值 将射表分为1 、21 三个区域这里 考虑射表的连续性 故三个区域的边界值可都被临近的区域包含。 实例分析本论文中 分别用整体法和区域法对破片弹射表进行拟合 其拟合结果对比见表2 拟合精度对比表拟合量 区域法 整体法 平均误差 最大误差 标准差 平均误差 最大误差 标准差 第二章 基本理论 13 弹丸飞行时间 8310 13810 10610 1310 8210 65910 47410 68810 9410 7910 3610 84610 94810 98810 29从对比中可以看出 采用区域法拟合后 弹丸飞行时间和弹丸存速的拟合精度都比整体法有了非常大的提高 显著的提高了射表拟合的精度 满足火控解算对射表拟合精度的要求。 命中问题求解火控解算的最终目的是通过求解命中方程得到射击诸元 之后输出射击诸元到火炮从而控制火炮炮管姿态 23 。命中方程是在一定的目标飞行假定 又称航路假定 的基础上利用目标状态信息和弹道模型建立的。由于命中方程的复杂性 在工程应用上常常利用拟合射表的方法得到简单实用的弹道模型。在高炮雷达火控系统工程实现中 一般通过求取弹丸飞行时间之后 再计算火炮的射向、射角、弹丸存速等射击诸元数据。弹丸飞行时间的计算在工程中常用搜索算法有迭代法 简单迭代法、改进迭代法、快速迭代法、改进的快速迭代法 、牛顿法 牛顿下山法 、弦截法等数值计算方法 但这些算法中 存在一些算法计算速度慢而另一些算法又计算复杂的缺点。基于算法收敛速度和复杂度的考虑 为满足高炮雷达火控对收敛速度的要求 本文中采用了割线法来求取高炮弹丸飞行时间。 命中问题描述假设来袭飞行器按匀速直线航路飞行 通过分析可得到在用高炮进行防空时 命中问题如图2 6所示 24 25 OTM目标tS tD tqD qTN 高炮防空命中问题图解图中 高炮回转中心电子科技大学硕士学位论文 14 qTO ——命中矢量 记为 fqttDtD qT—— 目标未来点 瞄准矢量记为 tD qTT ——提前矢量 记为 tS 目标现在点OM ——斜航路捷径。M称为航捷点 是高炮回转中心到目标航路距离的最近点 对于图2 6中的直线航路 依据飞行器飞行方向 在M点左边 称为目标的航前段 在M点右边 称为目标的航后段。 命中矢量、提前矢量和瞄准矢量一起构成一个三角形 此三角形即为经典的命中三角形。该命中三角形的矢量方程可写为 tStDtDq 。在火控解算领域 解决火力控制问题追求的理想三角形就是命中三角形 26 27 其中qqqR为命中点的球坐标 分别表示命中点的斜距离、方位角和高低角 ft为弹丸命中目标时的弹丸飞行时间。令 21conconhyxvvvUhyx 其中 21concon为当前射击时所在区域的气象条件、弹丸弹道条件等 28 hyxvvvhyx 为目标当前时刻坐标转换到直角坐标系下后 其飞行速度和当前位置坐标的估计值。综上可得命中方程组 sintanˆˆˆˆˆˆ222qqqqqffqqqqqqqqqqfhqfyqfxqRRRRTtRhayxahyxRtvhhtvyytvxx qqRqqRR 分别为在实际弹道气象条件下高低角和斜距离的修正拟合值的总和 第二章 基本理论 15 qqqqqfRRRRT 为弹丸飞行时间的拟合值。 对方程组求解后 可进一步由下式求解出射击诸元的方位角、高低角 qqqR qqqR qqR为在实际弹道气象条件下的偏流角 qqR 为抬高角。 割线法求解弹丸飞行时间算法方程组 fqqqqtRX的非线性隐式方程组 本论文采取割线法求取弹丸飞行时间 在求取出弹丸飞行时间后 利用方程组 14再求取火炮的射击诸元 包括射向、射角和弹丸存速 29 。方程组 14右边本身就是一条曲线所示。 弹头飞行时间目标飞行时间0直线直线Cft ttfkttktfttf 横轴为目标飞行时间纵轴为弹丸飞行时间 图中曲线为弹丸飞行时间与目标飞行时间函数曲线。我们知道 当弹丸命中目标时 此时弹丸飞行时间必然等于目标飞行时间。割线法是依据曲线上两点确定直线 对所求解线段进行切割。在程序开始时 选取目标现在点 加上系统的延时后向外外推一段距离后求得的坐标 作为起始固定点 另一点小幅增加后 形成直线对目标进行割线。具体算法如下 FFfRtt在此0t 游动点fFfFfftinitiniRttini 在此 ktfinikt 简单记为 kttktf 其中ftini 为外推的一个时间段 电子科技大学硕士学位论文 16 由上述两点确定直线C ttinittinitttffffff在每次迭代中都要更新 直线C与直线中计算出弹丸飞行时间 计算下次迭代的初值11 01 ktkTtfff如果setfTt setT为要求的解算精度 则解算精度还未达到要求 返回第c步继续迭代 如果setfTt 则精度满足要求 推出割线迭代过程 得到的 ktf即为解算结果为保证迭代计算时间段 需要设置最大迭代次数 在程序迭代次数超过此设置值时 即跳出迭代。 求出弹丸飞行时间后 将弹丸飞行时间代入式 15中即可求得射击诸元。 本章小结本章首先对当前主流的滤波算法进行了比较 确定了在本论文中航迹滤波所选择的算法 而后对射表拟合问题进行了探索 创新性的提出了一种区域射表拟合方法 最后对火控解算命中方程进行研究 明确了论文中所用火控解算算法。本章所研究的理论与算法是实现火控分系统功能的基础和核心 火控分系统的设计和实现都基于本章理论。 第三章 系统设计与实现 17 第三章 系统设计与实现 根据当前目标的实时位置、目标的运动状态、人工装订的禁射界参数、火炮基线数据和火炮状态等确定当前火炮是否处于可开火状态 将开火状态显示在数据采集单元的显示屏上 供指挥员指挥决策用 装订并保存高炮射界参数确保安全射击 装订并保存高炮射击步长火控系统控制高炮射击时 依据射击步长自动控制开火时间长短 训练状态下能输入航路参数从而依据航路参数生成需要的航路数据 实现与实战相近环境的训练 能实时保存高炮火控雷达当前跟踪探测的航路信息需要时可将航路数据导出 在训练状态下可根据需要选择航路复演功能 以实测航路数据进行训练 提升训练水平 具有多种带炮测试机制在训练时可用于检查控炮能力 通信速率串口 4800bit 与火炮通信方式通信方式 有线m 15km 电子科技大学硕士学位论文 18 对火炮参数数据设置范围如表32所示。 6000mil基线 1095hPa 空气相对湿度 静态射击诸元、动态模拟射击诸元、动态飞行射击诸元解算精度射向系统误差 平均值 3mil 射向随机误差 0mil射角系统误差 平均值 3mil 射角随机误差 系统反应时间8s 环境适应性高温 储存温度为 70 工作温度为 55 低温储存温度为 30 工作温度为 10 相对湿度95 98 45 第三章 系统设计与实现 19 系统用途与功能火控分系统是整个高炮火控雷达的射击诸元解算及控制火炮调转的核心 是整个高炮火控雷达综合体的中枢 在高炮火控雷达任何一种跟踪方式下实时采集目标坐标诸元 根据目标的运动轨迹和配置火炮的弹种 完成对射击诸元的实时解算 控制高炮对目标实施有效的射击。同时计算目标运动的角速度及角加速度 形成火控雷达目标跟踪所需再生反馈提供给雷达伺服系统 以提高火控雷达对快速目标的跟踪精度。通过界面向指挥员提供目标运动参数和解算信息 供指挥决策用。 火控分系统功能框图如图3 1所示。 数据采集与融合功能火控解算功能 数据通信功能 数据采集与融合功能完成与火控计算机单元等之间的数据通讯 对所采集的数据进行数据融合与显示 将当前工作状态信息以及火炮的状态信息在显示画面上进行显示 点击菜单可完成各种功能操作 包括参数的装订、静态和动态解算、训练和测试等功能 提供操作手直观的信息 方便指挥人员操作和决策使用。 火控解算功能通过实地测量获取解算用初始装订参数 并将参数数据输入到系统中。将从雷达探测系统获取的目标现在点坐标数据进行融合后 解算出射击诸元 并将射击诸元发送到火炮。 数据通信功能数据通信功能由数据通信单元完成 数据通信单元负责在一个作战周期内完成高炮火控雷达与所控制的火炮的双向数据传输。数据通信单元将火控计算机单电子科技大学硕士学位论文 20 元解算出的目标未来点信息和指挥命令转换成火炮的接口数据格式发送给火炮 同时接收火炮的反馈状态信息并转换成火控计算机单元需要的数据格式传输给火控计算机单元。 系统组成火控分系统主要由数据采集单元、火控计算机单元和数据传输单元组成。 火控分系统组成框图如图3 2所示。 数据采集单元火控计算机单元 数据通信单元软件 数据采集单元硬件 数据采集单元软件 火控计算机单元软件 火控计算机单元硬件 数据通信单元硬件 数据通信单元 功能数据采集单元是火控分系统的重要组成部分 完成与火控计算机单元、雷达监控之间的数据通讯 对所采集的数据进行数据融合与显示 将雷达的当前工作状态信息以及火炮的状态信息显示在界面上。 主要有以下功能 雷达监控系统主要工作状态及雷达现在点数据的传输和显示功能 对火控解算单元的数据传输及数据显示的功能 对火控解算分系统实时工作状态信号的指示功能 模拟航路产生及模拟训练表演时的数据产生功能 系统标定、参数装订等功能。

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