中国科技核心期刊      中国指挥与控制学会会刊     军事装备类重点期刊
Command Control and Simulation

Command Control and Simulation >

2023 , Vol. 45 >Issue 2: 65 - 68

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2023.02.010

Weapon & Information System

A new method of observation data processing to improve the precision of naval gun

  • XIE Wei-he ,
  • SUN Dong-yan ,
  • ZHAO Cong
Expand
  • Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China

Received date: 2022-03-01

  Revised date: 2022-06-06

  Online published: 2023-04-17

Fold

Abstract

The observation data procession of target about traditional naval gun is based on installation site,dues to factors such as swing and deformation datum change will cause observation data error and affect firing accuracy,this paper analyzes the naval gun firing accutacy caused by the state of platform and naval gun enchmark assumptions, new methods of data processing is put forward, the mathematical model for calculating the arameters of observation target is established, which provides a new way to process the observation data.

Key words： shipborn-gun; shooting precision; relative coordinates; smoothing; coordinate system

Cite this article

XIE Wei-he , SUN Dong-yan , ZHAO Cong . A new method of observation data processing to improve the precision of naval gun[J]. Command Control and Simulation, 2023 , 45(2) : 65 -68 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2023.02.010

舰炮射击诸元解算时,假设舰艇是刚体运动,而实际舰艇是非刚体运动,固连在舰艇上的舰炮基准发生改变,而观测参数是以舰炮安装位置进行计算,这样会造成诸元解算精度误差较大,主要体现在两方面[1⇓⇓⇓⇓⇓-7]:
一是舰艇平台状态的影响。由于舰艇在海上存在非刚性特性,它影响舰炮安装的基准与水平度。舰艇的变形如果过大,会导致各部位相对质心坐标不是一个常量,在不同海况下摇摆周期、速率均不同,引起舰艇上各点相对质心的角速度大小也不同,导致舰艇质心改变及舰艇各点相对质心坐标的变化。舰艇非刚体特性使固连在舰艇上舰炮基准发生改变,射击诸元计算对动基准情况下,舰炮空间指向发生改变,增大了舰炮的射击误差。
二是舰炮坐标基准假设的影响。舰炮射击诸元计算基准是舰炮安装位置,并假设舰艇是刚体,将观测参数处理到舰炮安装位置进行计算,这种处理存在如下问题:1)假设误差。假设舰艇是刚体与海上舰艇实际状态不符。舰艇在波浪作用下呈现非刚体特征,导致以舰炮部位为基准计算舰炮解算射击诸元存在误差;2)以舰炮安装位置作为观测参数处理基准存在误差。由于舰炮安装位置在舰艇甲板某一点上,安装在甲板上的舰炮也随之摇摆、升沉以及舰艇变形,导致舰炮安装位置与舰艇摇摆中心相对位置是一个变量。本文提出了以舰艇摇摆中心为基准的观测目标数据处理的方法,可以减小上述误差。

1 舰艇平台状态对射击精度的影响分析

舰炮射击诸元计算求解的是弹丸命中目标的舰炮发射瞬间炮管空间指向,它是以舰炮基准为度量的,若舰炮基准改变了,必须对舰炮射击诸元进行修正,否则计算的舰炮射击诸元因基准改变而难以命中目标。设舰艇变形造成舰炮基准改变为Δβjz、Δφjz,则引起射向、射程误差为[8-9]
  Δ d j z = ∂ d ∂ φ Δ φ j z Δ z j z = d 955 Δ β j z
其中,Δβjz为舰艇状态变化产生的射向误差;Δφjz为舰艇状态变化产生的射角误差; ∂ d ∂ φ为射角改变产生的距离改变量;d为射击目标距离;Δdjz为舰艇状态变化产生的射距误差;Δzjz为舰艇状态变化产生的射向误差。舰艇变形影响舰炮射角射向,导致射击难以命中目标。

2 舰炮坐标基准假设对射击精度的影响分析

以舰炮安装位置作为观测参数处理基准存在的误差对舰艇射击影响主要在于导致滤波目标速度、航向存在误差和增大滤波目标估计位置误差等方面。

2.1 滤波目标速度向量误差

滤波目标速度向量误差影响射击提前点,这对射程较大的射击精度影响显著。设滤波目标速度向量为ΔVmx、ΔVmy,则对海上目标射击计算采用的目标相对速度为
V r x = V t x + Δ V m x - V w x V r y = V t y + Δ V m y - V w y
其中,Vrx为敌我相对速度东西分量真值;Vry为敌我相对速度南北分量真值;Vtx为目标速度东西分量;Vty为目标速度南北分量;Vwx为己舰速度东西分量;Vwy为己舰速度南北分量。
按照解命中原理可得
x p d = x r + V r x t f d y p d = y r + V r y t f d
其中,xr为滤波后获得的目标东西分量相对距离;yr为滤波后获得的目标南北分量相对距离;xpd为目标提前点东西分量相对距离;ypd为目标提前点南北分量相对距离;tfd为弹丸飞行时间。
tfd=φ( x p d 2 + y p d 2  )
因此,滤波误差引起地弹着偏差为
Δ d →=Δ V → m·tfd

2.2 目标估计位置误差

由于计算基准、观测基点不断变化,带来滤波目标估计位置产生误差,此误差难以用公式进行描述。因为射击诸元是根据目标相对位置计算得出的,所以,目标位置估计误差将导致射击诸元计算产生误差。

3 解决问题方法

为了解决已经存在的问题,本文采用以舰艇摇摆中心为基准的射击计算模型,并以此建立目标相对发射点数学模型[10⇓-12]。

3.1 观测数据处理改进模型

以舰艇摇摆中心为原点,观测器的舰艇摇摆中心的甲板坐标系坐标为(ΔXj,ΔYj,ΔHj)T,设观测目标球坐标稳定值为(Dgc,εgc,qgc)T(若不是稳定坐标值则需要进行变换),在纵摇θ、横摇ϕ和舰艇航向Cw时,观测器相对摇摆中心的稳定坐标系直角坐标为
c o s   C w s i n   C w 0 - s i n   C w c o s   C w 0 0 0 1 1 0 0 0 c o s ϕ - s i n ϕ 0 s i n ϕ c o s ϕ c o s θ 0 - s i n θ 0 1 0 s i n θ 0   c o s θ Δ X j Δ Y j Δ H j
观测目标球坐标的稳定坐标系直角坐标为
D g c c o s   ε g c s i n ( C w + q g c ) D g c c o s   ε g c c o s ( C w + q g c ) D g c s i n   ε g c
目标相对舰艇摇摆中心稳定地理坐标系直角坐标为
x c i y c i h c i= D g c s i n   ε g c c o s ( C w + q g c ) D g c c o s   ε g c c o s ( C w + q g c ) D g c c o s   ε g c+ c o s   C w s i n   C w 0 - s i n   C w   c o s   C w   0 0 0 1 1 0 0 0 c o s ϕ - s i n ϕ 0   s i n ϕ   c o s ϕ c o s θ 0 - s i n θ 0 1 0 s i n θ 0   c o s θ Δ X j Δ Y j Δ H j

3.2 计算相对目标参数改进模型

本文采用目前舰炮火控中卡尔曼滤波模型,对以摇摆中心为基准的目标观测数据式(7)进行滤波处理,计算目标运动参数、位置估计参数,用于射击计算。上述计算所得的目标位置、运动参数消除了舰艇非刚体特性产生的运动影响,因此数据精度高。对于以舰艇摇摆中心为基准的预估目标位置参数仍要转换到以炮位为基准的相对参数,进行解命中计算。
1)目标相对舰艇摇摆中心的目标参数
使用目前舰炮火控常用的观测数据滤波模型,对式(7)进行滤波处理,获得目标估计坐标、目标估计速度等参数
x ^ g c i y ^ g c i h ^ g c i V m x i V m y i V m h i
2)目标相对舰炮(发射点)的相对参数
舰炮相对摇摆中心的甲板坐标系坐标为(Δxp,Δyp,Δhp)T,在舰艇纵摇为θ、横摇为ϕ时,则舰炮相对摇摆中心的稳定直角坐标为
Δ x i 1 Δ y i 1 Δ h i 1= s i n θ 0 - c o s θ - s i n φ s i n θ s i n φ - s i n φ c o s θ c o s φ s i n θ c o s φ c o s φ c o s θ Δ x p Δ y p Δ h p
设舰艇航向为Cw,则舰炮相对摇摆中心地理坐标系直角坐标(Δxri,Δyri,Δhri)T为
Δ x r i Δ y r i Δ h r i= c o s C w s i n C w   0 - s i n C w   c o s C w   0 0 0 1 Δ x i 1 Δ y i 1 Δ h i 1= c o s C w s i n C w   0 - s i n C w   c o s C w   0 0 0 1 c o s θ 0 - s i n θ - s i n φ s i n θ c o s φ - s i n φ c o s θ c o s φ s i n θ s i n φ c o s φ s i n θ Δ x p Δ y p Δ h p
结合式(8)和式(10),目标相对炮位(发射点)的稳定直角坐标系坐标为(xri,yri,hri)T:
x r i y r i h r i = x ^ g c i y ^ g c i h ^ g c i - Δ x r i Δ y r i Δ h r i V m x i V m y i V m h i
使用式(11),代入舰炮火控解命中公式,计算舰炮稳定射击诸元。

4 计算分析

在某一海况下,火控系统滤波目标速率误差为ΔVmx=0.3、0.6,ΔVmy=0.3、0.6(单位m/s);使用新方法后,滤波目标速率误差为ΔVmx=0.2、0.5,ΔVmy=0.2、0.5(单位m/s)。计算不同射距引起落点误差,见表1,其中,方案2和方案1分别是新旧两种方法得出的影响射距偏差数值。
表1 滤波误差引起不同射距射击偏差表

Tab.1 Firing error table of different range caused by filtering error

d/km 5 6 7 8 9 10
方案1 ΔVm=0.424 Δ d →/m 3.59 4.79 6.23 7.82 9.60 11.57
ΔVm=0.849 Δ d →/m 8.17 10.57 13.45 15.64 20.21 24.14
方案2 ΔVm=0.283 Δ d →/m 2.37 3.16 4.11 5.16 6.34 7.64
ΔVm=0.707 Δ d →/m 6.78 8.77 11.16 12.98 16.77 20.04
由表1可知,使用新方法,射击诸元解算误差减小,提高了射击精度,同时,射距越大,滤波误差越大,造成的射击偏差越大。

5 结束语

传统舰炮对目标观测数据处理以舰炮安装部位为基准,由于舰艇在海上航行受风流影响产生摇摆和舰艇变形等,基准点变化,造成观测目标数据处理产生误差。针对舰艇平台的上述特点,本文提出了以舰艇摇摆中心为基准的观测数据处理方法,并建立了相关数学模型,提出了一种观测目标数据处理和射击诸元解算方法,该方法能够使误差减少、精度更高。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
汪德虎. 舰炮射击理论[M]. 北京: 海潮出版社, 1998:22-30.

WANG D H. Firing theory of ship gun[M]. Beijing: Haichao Press, 1998:22-30.

[2]
郭齐胜, 罗小明. 装备作战仿真概论[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007:34-40.

GUO Q S, LUO X M. Introduction to combat simulation of equipment[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2007: 34-40.

[3]
娄寿春. 地空导弹射击指挥控制模型[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009:34-40.

LOU S C. Command and control models of surface-to-air missile firing[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 34-40.

[4]
白江. 舰炮对岸战斗使用[M]. 大连: 海军大连舰艇学院, 1996:45-49.

BAI J. Apply of naval gun in the battle against the shore[M]. Dalian: Dalian Naval Academy, 1996:45-49.

[5]
张振中, 胡春晓. 舰炮武器系统高海况适应性仿真评估方法研究[J]. 指挥控制与仿真, 2020, 42(4):94-95

ZHANG Z Z, HU C X. Research simulation evaluation method at high sea condition adaptability of naval gun weapon system[J]. Command Control & Simulation, 2020, 42(4): 93-96.

[6]
Yager R R, Abbasov A M. Pythagorean membership grades, complex numbers, and decision making[J]. Int Journal of Intelligence Systems, 2013, 28(5):436-452.

DOI

[7]
Yager R R. Pythagorean membership grades in multicriteria decision making[J]. IEEE Trans on Fuzzy Systems, 2014, 22(4):958-965.

DOI

[8]
Grag H. A New generalized pythagorean fuzzy information aggregation using Einstein operations and its applicaion to decision making[J]. Int J of Intelligence Systems, 2016, 31(9):886-920.

DOI

[9]
Wei G W. Pythagorean fuzzy interaction aggregation operators and their application to multiple attribute decision making[J]. Journal of Intelligent and Fuzzy Systems, 2017, 33(4):2119-2132.

DOI

[10]
宋军, 张保山. 舰炮对岸弹道跟踪预测射击校正使用方法研究[J]. 指挥控制与仿真, 2018, 40(4): 111-116.

DOI

SONG J, ZHANG B S. Application research on trajectory tracking, prediction and correction of the naval gun firing against shore targets[J]. Command Control & Simulation, 2018, 40(4): 111-116.

[11]
黄义, 汪德虎, 胡江. 舰炮发射一维弹道修正弹多发同时弹着研究[J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(5): 127-129.

HUANG Y, WANG D H, HU J. The research on MRSI of one-dimensional trajectory correction projectile fired by ship borne gun[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2012, 32(5): 127-129.

[12]
卢发兴, 贾正荣. 舰炮对岸区域射击最优表尺分配模型研究[J]. 系统工程与电子技术, 2018, 40(3): 571-576.

LU F X, JIA Z R. Research on optimal gunnery Tab.allocation model for naval gun area shoot against targets on land[J]. Systems Engineering and Electronics, 2018, 40(3): 571-576.

Options
Outlines

/

〈 〉