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 4: 76 - 81

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2023.04.012

Weapon & Information System

Research on the strategy of improving the accuracy of terminal sensitive projectile landing points based on weather forecast

  • XU Xin ,
  • WANG Xiaoqing ,
  • WANG Dongliang ,
  • ZHANG Zhewei ,
  • ZHANG Qiang
Expand
  • Test and Measuring Academy of China Ordnance Industries, Weinan 714200, China

Received date: 2022-08-02

  Revised date: 2022-11-29

  Online published: 2023-08-17

Fold

Abstract

Based on the problem that considerable ballistic error and inaccurate target coverage of terminal-sensitive projectiles while fighting without weather conditions causing the reduction of combat effectiveness and/or even can’t complete combat tasks, this work elaborated two commonly used solutions and methods. According to the real working experience of the test range, a new proposal of using the meteorological forecast data to calculate the ballistic elements of the terminal-sensitive projectile was studied. Furthermore, the deviation between the ballistic landing point and the test landing point under various environmental factors such as standard meteorological conditions, meteorological forecast data and actual meteorological data was analyzed using numerous testing data and ballistic simulation results, which indicates the accuracy and reliability of meteorological forecast data in the terminal sensitive projectiles range and side deflection prediction. In summary, this study proves a theoretical reference for improving the combat effectiveness of terminal-sensitive projectiles under real combat environments, and also provides convenience for the development of terminal-sensitive projectile tests.

Key words： terminal sensitive projectile; meteorological factors; landing points accuracy; operational effectiveness

Cite this article

XU Xin , WANG Xiaoqing , WANG Dongliang , ZHANG Zhewei , ZHANG Qiang . Research on the strategy of improving the accuracy of terminal sensitive projectile landing points based on weather forecast[J]. Command Control and Simulation, 2023 , 45(4) : 76 -81 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2023.04.012

末端敏感弹药,又称“敏感器引爆弹药”,简称“末敏弹”,是一种能够在弹道末段探测出目标的存在,并使战斗部朝着目标方向爆炸的灵巧弹药,主要用于自主攻击装甲车辆的顶装甲,具有作战距离远,命中概率高,毁伤效果好,效费比高和发射后不管等优点[1⇓⇓-4]。
末敏弹通过弹道末端形成稳态扫描运动自动搜索、识别、定位目标后引爆EFP战斗部(Explosively Formed Penetrator,简称EFP),攻击装甲目标顶部。末敏弹通常采用子母弹形式,无论发射平台或载体形式如何,就载体作用而言均是为正确可靠地将末敏子弹投送至目标区上方,末敏子弹完成对目标顶部攻击。目前,包括我国在内的末敏弹投送载体均未应用制导技术,末敏子弹大部分采用降落伞实现稳态扫描。对于投放开环无控末敏子弹的末敏弹武器来说,不可预测的弹道风会在全弹飞行过程中对飞行轨迹产生较大影响,造成落点偏离,且该误差随着飞行时间的增大而逐渐累加[5⇓-7]。因此,通常末敏弹作战使用过程需要提供气象数据。由于无法主动修正风偏,末敏子弹落点散布大,同时也降低了作战效率。在末敏弹研制中,消除风的影响,提高抗风能力,是设计者关心且需要解决的重要问题之一。

1 末敏弹射程计算

假设一发母弹中装载m枚末敏子弹,如果地面坐标系的原点选在发射点,X轴在水平面内指向射击方向,Z轴在水平面内垂直于X轴,则m枚末敏子弹的落点坐标为:

x1 x2 x3,…,xm

z1 z2 z3,…,zm

令
x= 1 m ∑ i = 1 mxiz= 1 m ∑ i = 1 mzi
则x和z为该发末敏弹的m枚子弹的重心坐标。x和z为满足正态分布的随机量,取x和z的平均值得
x -= 1 m n ∑ j = 1 n ∑ i = 1 m xij z -= 1 m n ∑ j = 1 n ∑ i = 1 m zij
其中,n为末敏弹母弹数,则:
x - i= 1 n ∑ j = 1 nxij z - i= 1 n ∑ j = 1 nxij
则式(1)和(2)变为:
x - i= 1 m ∑ i = 1 n x - i z - i= 1 m ∑ i = 1 m z - i
式(2)或式(4)中的 x -即为末敏弹的射程[1]。

2 当前解决末敏弹射程受风影响的技术手段

针对末敏弹作战效能受环境中风的影响敏感的问题[12],目前解决手段可以从产品本身设计着手,也有在作战使用时采取一些修正措施,减少风的影响或对风提前预估并引进计算中,实现修正的目的。
前者典型代表是美国传感器引爆武器(Sensor Fuzed Weapon,简称SFW)CBU-105和法国/瑞典联合研制的155 mm榴弹炮末敏弹BONUS。
通过海湾战争美空军认识到,从高空投放武器是今后的主流。而高空投放需要对不可预测的风误差导致的弹道误差进行修正从而减小武器脱靶量。洛马公司设计生产的风修正布撒器WCMD(Wind Corrected Munitions Dispenser)是一种中高空战术布撒武器,具备全天候、昼夜精确打击能力[7]。将原传感器引爆弹药CBU-97加装WCMD后命名为CBU-105。其作用原理是在运动和动力学建模时考虑风场的影响,将风场的相关参数通过一定的技术手段(风力评估和测量部件)耦合到实际的动力学和运动方程组中,结合惯性测量、组合测量和计算所得的位置、速度、姿态、角速度信息和载机火控系统传输的初始飞行参数和目标参数,由任务计算机按照预设的飞行弹道计算程序,计算出实际弹道和设计弹道的偏差,根据弹上预设的控制律和偏差结果实时判断并确定控制指令,通过控制系统(舵系统)控制转轴带动尾翼舵面实现控制指令要求的偏角组合,从而实现全弹的三通道姿态控制,进而控制其飞行航迹。WCMD 具有在任何高度以及不同天气情况下进行精确投放子弹药的能力,增强了武器系统的操作灵活性[8-9]。
图1 CBU 105修正弹道风作用原理示意图

Fig.1 Schematic diagram of the principle of CBU 105 modified ballistic wind action

法国/瑞典联合研制的BONUS为155 mm口径榴弹炮末敏弹,母弹可通过安装增程发动机增加射程,子弹未采用降落伞而选择双翼导旋机构实现稳态扫描运动。通常开舱抛撒后的末敏子弹段飞行速度低,时间长,受风影响程度相对较大。采用翼结构后末敏子弹阻力面积与降落伞系统相比有明显减少。BONUS独特的双翼结构使末敏子弹具有高达45 m/s的下落速度,是通常伞降末敏弹下落速度的3倍,大幅减少了末敏子弹在空中停留时间,从而减小了风的影响。
图2 BONUS末敏弹及末敏子弹

Fig.2 BONUS terminal sensitive projectiles and terminal sensitive bullets

当产品已装备部队时,想提高末敏子弹落点精度,在作战使用时候可采取一些修正措施减少风的影响或对风提前预估并在诸元解算中进行修正,从而提高子弹落点精度。原苏军地面炮兵在BM-21火箭射表中采用阵地3.5米高处风速乘以修正系数1.4作为火箭主动段弹道风(对末敏弹可视为子弹段风)进行修正[10]。文献[10]对其原理进行了分析,也指出了其在使用中的一些问题,主要是需要采集各地区气象信息才能确定合适的计算系数,使用中同样有较多不便。另外,此种方法应用于末敏弹时,必然随着射程增加误差增大。因此除非条件非常苛刻,此种方法不适合应用于较大射程的末敏弹射击。
另一种修正的方法是用标准气象进行首发射击后根据落点与目标点差距进行修正射击。现代战争中很多防空设备很容易根据弹丸飞行轨迹推算出发射点位置,进而快速打击发射阵地,采用这种方法对我方在作战时快速转移隐蔽较为不利。

3 采用气象预报进行射击预测

目前提供气象预测的信源很多,最大最复杂的两套系统分别是美国国家气象局(National Weather Service,简称 NWS)的Global Forecasting System(GFS)与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, 简称 ECMWF)的Integrated Forecast System(IFS)两套系统。目前可以得到的气象数据包括高度、气压、温度、露点、风速和风向等。本文以ECMWF提供的预报数据进行分析,该数据可通过网络下载获得。
通过在一段时间内对多组预报数据和实际探空气球测试数据对比情况看,预报数据在大气压力一项具有较好的准确性。事实上,依靠标准气象条件获得的大气压力也具有相当的精度。空气温度的预报与实际测试值略有差异,但温度对弹道影响程度有限[11]。在风向与风速的预报上,预报结果与测试结果趋势一致,具体高度上的风速、风向均有差异,具体差异大小从目前数据看尚无法得到其规律。图3显示了某日气象预报与探空气球测试结果对比情况。
图3 气象预报数据与探空气球实测数据

Fig.3 Weather forecast data and sonde balloon data

直观上趋势的一致性使通过气象预报进行弹道预测具有了理论上的可行性。为进一步分析此方法的可行性和准确性,可在试验前下载预报数据,试后与试验时获得的探空数据一起进行弹道解算,并与标准气象条件弹道参数、实弹射击弹道参数进行对比。为更加全面地考察预报数据的效果,固定初速、射角,射向从0°开始按60°间隔划分进行了计算,试验和试验结果见图4。
图4 气象预报与探空气球数据计算不同射向时弹道结果差异

Fig.4 The difference of ballistic results between weather forecast and radiosonde data at different directions

从图中可以看出,在实际试验的射角与射角条件下,气象预报数据解算的射程与实际射程更为接近,探空气球数据解算的侧偏结果与实际符合性更好。
标准气象条件假设无风,因此在射向不同时,其射程和侧偏计算结果均无显著变化。相比标准气象条件,气象预报数据计算结果与探空气球测试数据计算结果具有更好的一致性,表现为在射程和侧偏两个重要弹道结果上具有一致的变化过程和较为接近的结果,表明气象预报数据比标准气象条件预测更为准确。
影响弹道还有另一个重要的因素:射角,对标准气象条件、气象预报数据和探空气球数据在不同射角条件下的差异进行分析。计算中固定初速、射向,因不同射角时射程差异较大,且并无所有射角的试验数据,因此取探空气球气象数据解算的弹道为基准,将标准气象和预报气象弹道差值绘于图5。
图5 气象预报与探空气球数据计算不同射向时弹道结果差异

Fig.5 The difference of ballistic results between weather forecast and radiosonde data at different directions

计算结果显示,在所有射角上,预报气象相比于标准气象都更与实际气象计算结果接近。从数值上看,计算结果与实测气象数据产生的射程差在不同射角上最接近100 m,而预报气象数据计算的射程差结果小于30 m,对于末敏弹来说这一数值是可以接受的。
为进一步验证实验结果的准确性,通过连续跟踪采样某项试验进展,记录试验前一天对试验当日的气象预报数据。试验后,详细统计记录了预报气象、标准气象、实际气象结果计算对应的试验弹射程和侧偏,并将各种数据计算结果与GPS实测值进行对比分析,具体试验条件和结果详见表1。为更加清晰直观地反映数据的差距,将表1数据进行处理后,不同条件下的射程与侧偏的绝对值数据见表2,具体图像及拟合结果详见图6,因试验条件较多,涉及不同射角、初速和弹药状态,为更直观显示结果差异,将计算的射程和侧偏值与实测结果比较,并绘于图6。
表1 不同射击条件下射程与侧偏值

Tab.1 Range and side deflection value under different firing conditions

编号 弹种 射角/
(°)		 初速/
(m/s)		 射向/
(°)		 射程/m 侧偏/m
预报
气象		 标准
气象		 实际
气象		 GPS
实测		 预报
气象		 标准
气象		 实际
气象		 GPS
实测
1 密集度弹 45 271.0 302.0 5 853 5 930 5 810 5 802.1 14 9 -6 14.3
2 末敏弹 45 268.5 302.0 5 393 5 464 5 319 5 302.6 -19 7 -137 -106.1
3 末敏弹 60 331.0 302.0 6 342 6 563 6 259 6 227.6 17 11 -107 -76.1
4 密集度弹 45 271.9 302.0 5 906 5 967 5 907 5 891.3 9 9 15 42.9
5 末敏弹 45 268.4 302.0 5 420 5 461 5 426 5 411.4 23 7 62 76.6
6 末敏弹 60 331.3 302.0 6 450 6 566 6 470 6 486.1 48 11 73 77.2
7 密集度弹 45 274.5 302.0 5 892 5 965 5 897 5 898.8 27 9 22 42.8
8 末敏弹 45 271.9 302.0 5 452 5 541 5 472 5 425.7 57 7 -9 33.9
9 末敏弹 60 336.9 302.0 6 518 6 632 6 543 6 516.4 61 11 30 7.2
表2 射程与侧偏差绝对值

Tab.2 Absolute value of range and side deviation

编号 射程差绝对值/m 侧偏差绝对值/m
预报气象 标准气象 实测气象 预报气象 标准气象 实测气象
1 50.9 127.9 7.9 0.3 5.3 20.3
2 90.4 161.4 16.4 87.1 113.1 30.9
3 114.4 335.4 31.4 93.1 87.1 30.9
4 14.7 75.7 15.7 33.9 33.9 27.9
5 8.6 49.6 14.6 53.6 69.6 14.6
6 36.1 79.9 16.1 29.2 66.2 4.2
7 6.8 66.2 1.8 15.8 33.8 20.8
8 26.3 115.3 46.3 23.1 26.9 42.9
9 1.6 115.6 26.6 53.8 3.8 22.8
平均 38.9 125.2 19.6 43.3 48.9 23.9
图6 气象预报与探空气球数据计算不同射向时弹道结果差异

Fig.6 The difference of ballistic results between weather forecast and radiosonde data at different directions

从表2整理结果和图6可以看出,实际气象计算的射程结果与实测结果最为接近,按百分比计算其差值最大为0.85%,最小为0.03%,平均约为0.34%。采用气象预报数据时,平均值约为0.67%,约为实际气象计算结果偏差的2倍。而标准气象计算时,平均值达到2.12%,达到了实际气象偏差的6倍。从绝对值上看,实际气象射程差平均约为19.6 m,预报气象为38.9 m,标准气象为125.2 m。侧偏数据实际气象时平均为23.9 m,预报气象为43.3 m,标准气象为48.9 m。
根据末敏弹作用特点,其打击对象多为集群目标,且末敏子弹扫描作用特性是对一定半径区域内目标具有搜索能力,此半径根据末敏弹设计能力不同略有差异,国际上主流末敏弹扫描半径通常在60 m~75 m左右。从不同试验条件统计的射程误差结果看,采用预报的气象数据进行弹道预估具有一定的可行性,其产生的偏差对于末敏弹来说是可以接受的。

4 结束语

末敏弹是一种高效费比的反装甲作战装备,但在无气象条件数据支撑的条件下进行靶场试验时,弹道数据会存在较大误差,从而影响战场作战性能。本文从靶场实际工作经验出发,提出了在无法获取气象信息时通过使用预报气象数据提高末敏弹落点精度的方法。通过仿真分析气象预报数据、标准气象条件和实际气象条件弹道误差,验证了该方法的准确性与可行性,可为末敏弹在无气象条件下战场作战使用提供帮助。因尚未积累足够多的时间和地点数据,本文分析可能具有一定的片面性,仅为末敏弹的应用提供一些思路,供末敏弹的设计人员和作战使用人员参考。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
杨绍卿. 灵巧弹药工程[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010.

YANG S Q. Smart munition engineering[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010.

[2]
谢文, 叶志红, 丁忠熙. 末敏弹射击效能分析[J]. 火力与指挥控制, 2021, 46(7): 62-65.

XIE W, YE Z H, DING Z X. Analysis of firing efficiency for terminal sensitive projectile[J]. Fire Control & Command Control, 2021, 46(7): 62-65.

[3]
杨绍卿. 末敏弹系统理论[M]. 西安: 陕西科学技术出版社, 2009.

YANG S Q. Terminal-sensitive projectile system theory[M]. Xi’an: Shaanxi Science & Technology Press, 2009.

[4]
王宏波, 庄志洪, 李运生, 等. 末敏弹引信与战斗部系统的仿真研究[J]. 兵工学报, 2011, 32(5): 532-536.

WANG H B, ZHUANG Z H, LI Y S, et al. Research on the fuze-warhead system simulation of terminal sensitive munitions[J]. Acta Armamentarii, 2011, 32(5): 532-536.

[5]
吴汉洲, 宋卫东, 张磊, 等. 低空风风场建模与对弹丸弹道特性影响的研究[J]. 军械工程学院学报, 2015, 27(4): 38-42.

WU H Z, SONG W D, ZHANG L, et al. Low-level wind model building and its influence on trajectory characteristic of projectiles[J]. Journal of Ordnance Engineering College, 2015, 27(4): 38-42.

[6]
周威, 张健, 刘士伟. 气象因素对修正弹气动特性影响数值模拟[J]. 淮阴工学院学报, 2020, 29(5): 7-10.

ZHOU W, ZHANG J, LIU S W. Numerical simulation of the influence of meteorological factors on aerodynamic characteristics of correction projectile[J]. Journal of Huaiyin Institute of Technology, 2020, 29(5): 7-10.

[7]
杨人锋. 布撒器开舱点位置估计及子弹药抛撒技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.

YANG R F. Cabin opening position estimation and submunition dispersing method of dispenser[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2018.

[8]
武涛, 夏群利, 刘大卫. 风修正布撒武器系统及制导技术分析[J]. 飞航导弹, 2010(10): 33-37.

WU T, XIA Q L, LIU D W. Analysis of wind-corrected dispelling weapon system and guidance technology[J]. Aerodynamic Missile Journal, 2010(10): 33-37.

[9]
曹树新, 李岩, 李帅孝, 等. 弹道解算用数值天气预报风修正系数辨识[J]. 弹道学报, 2020, 32(4): 34-38, 62.

CAO S X, LI Y, LI S X, et al. Identification of wind modified coefficient in numerical weather prediction for trajectory calculation[J]. Journal of Ballistics, 2020, 32(4): 34-38, 62.

[10]
王建明, 潘红华, 许涛. 舰载火箭炮弹道风确定探讨[J]. 弹道学报, 2004, 16(1): 11-15.

WANG J M, PAN H H, XU T. Study of naval ramming system ballistic-wind correct coefficient[J]. Journal of Ballistics, 2004, 16(1): 11-15.

[11]
刘猛, 李帅孝, 赵万江, 等. 不同海拔高度对标准化射程的影响试验研究[J]. 弹箭与制导学报, 2021, 41(4): 49-51.

LIU M, LI S X, ZHAO W J, et al. Experimental researches on the influence of different altitude upon standardized range[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2021, 41(4): 49-51.

[12]
戎永杰, 刘文举, 苏坡, 等. 基于末敏弹的战场环境复杂度研究[J]. 弹箭与制导学报, 2022, 42(3): 61-64.

RONG Y J, LIU W J, SU P, et al. Research on complicated battlefield environment based on terminal sensing ammunition[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2022, 42(3): 61-64.

Options
Outlines

/

〈 〉