新彈種射擊諸元精度檢驗系統設計與實現

段菖蒲，張志遠，劉玉文，李　俊

(陸軍軍官學院 炮兵系炮兵教研室，合肥　230031)

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新彈種射擊諸元精度檢驗系統設計與實現

段菖蒲，張志遠，劉玉文，李俊

(陸軍軍官學院 炮兵系炮兵教研室，合肥230031)

摘要：針對傳統檢驗方法的不足，設計了射擊諸元精度檢驗系統。采用建立射擊規則庫、氣溫氣壓分布定律和正態分布函數三級約束方法，設計了數據庫通信算法及諸元精度檢驗算法，解決了射擊條件生成、數據庫構建、大批量數據傳送及諸元精度檢驗等關鍵問題，實現了對新彈種射擊諸元精度的快速檢驗。

關鍵詞：射擊諸元;正態分布;數據模型;TCP;UDP

隨著大批新彈種經靶場試驗后，射表編擬已完成并陸續配發部隊。為了使這些新彈種盡快形成戰斗力，在現役的指火控系統中增加了新彈種的諸元解算軟件，以快速決定射擊諸元。但新彈種種類多，而且工作機理不同、彈道特征和彈道解算復雜[1-2]，新開發出的諸元解算軟件解算結果是否正確、可靠，需要進行檢驗。傳統的檢驗方法通常是進行人工檢驗，存在檢驗效率低、檢驗范圍不全面等缺點。而本系統的設計開發，可以快速生成各種符合作戰實際、數據分布合理的射擊條件，對諸元解算軟件進行全面、科學、合理的檢驗，實際檢驗結果表明對新彈種的諸元解算結果滿足射擊精度需要。

1系統總體結構和功能設計

1.1系統總體結構設計

本系統主要由射擊條件生成子系統、諸元精度檢驗子系統和數據庫管理子系統組成，總體結構如圖1所示。系統總體結構采用C/S框架結構，如圖2所示。

數據庫管理子系統作為服務端，為射擊條件生成子系統、諸元精度檢驗子系統提供各種請求服務。射擊條件生成子系統，主要生成符合作戰實際、符合氣象實際、分布密度合理的射擊條件，供諸元解算軟件進行諸元計算；諸元精度檢驗子系統，主要進行諸元計算、數據通信和諸元結果對比，計算中間誤差，給出精度評估結果。

圖1　系統總體系結構

圖2　C/S框架結構

1.2系統的主要功能

本系統主要完成以下功能：

1)實現標準射擊條件下射表基本諸元的生成與計算；

2)實現射表修正諸元的生成與計算；

3)實現諸元解算結果對比功能；

4)實現諸元解算精度評估功能。

2關鍵技術實現

2.1射擊條件的隨機生成算法

射擊條件的隨機生成，不是隨機函數的簡單調用，而是要生成符合作戰實際的射擊條件，否則諸元解算軟件無法使用。生成的射擊條件包括陣地緯度、基準射向、氣溫、氣壓、風速、風向、藥溫、初速、彈重、炮目距離、炮目方向、炮目高差、陣地高程、炸點參數等等。本系統采用建立射擊規則庫模型，氣溫氣壓標準分布定律[3]和正態分布函數三級約束模式，使生成的所有射擊條件既符合氣象實際，作戰實際，又分布密度合理。

1)隨機生成符合作戰實際的射擊條件

為了使生成的炮目距離、炮目方向、炸點參數等符合作戰實際，本文通過建立射擊規則庫數據模型加以約束。射擊規則庫是根據《炮兵射擊教程》的相關規定以及炮種、彈種、裝藥等參數的戰技術指標而建立的，包括規則編號ID、炮種(PZ)、彈種(DZ)、裝藥(ZY)、最高射界(MAXSJ)、最低射界(MINSJ)、左射界(LSJ)、右射界(RSJ)、最大射程(MAXSC)、最小射程(MINSC)等。采用E-R(實體-關系模型)模型[4]進行建模，如圖3所示。

圖3　規則實體的E-R模型

圖4　規范化后的規則庫關系模型

圖3中共有5個實體，分別是規則約束、炮種、彈種、裝藥和射界。其中，規則約束和炮種、炮種和射界、炮種和射程、彈種和射程、裝藥和射程之間是1對1的關系；炮種和彈種、彈種和裝藥之間是多對多的關系。根據數據庫規范化理論[4](三范式理論)，可將圖3的E-R模型拆分為7個關系模型。規范后的數據模型如圖4所示。

圖4中，由于炮種與彈種、彈種與裝藥間的多對多關系，在它們中間增加了一張映射表(TablePZ_DZ_ZY)，通過PZID、DZID和ZYID三個字段將TablePZ、TableDZ、TableZY相關聯；規則庫總表Table_ID_PZ_DZ通過PZID、DZID和ZYID字段，與射界表(Table_SJ)和射程表(Table_SC)相關聯。這樣，可以消除上述的數據冗余、插入異常、刪除異常等問題。本系統的射擊條件數據庫、諸元計算結果數據庫以及射表數據庫都是根據上述方法進行數據建模，不再贅述。

2)隨機生成符合氣象實際的射擊條件

生成的氣象條件，包括氣溫、氣壓、風速、風向等。而氣溫、氣壓條件的生成，要符合實際的氣象條件。比如氣溫與陣地緯度、陣地高程有關，氣壓與氣溫、陣地高程有關。假設生成陣地緯度5°、陣地高程100m、氣溫-20°等射擊條件，顯然不符合實際的氣象條件。所以本系統利用氣溫、氣壓和空氣密度標準定律，再根據我國氣溫隨緯度的變化情況[5]，生成符合實際情況的氣象條件。

我國炮兵使用的氣溫標準定律(氣溫TV隨高度y的變化規律)：

(1)

式中：G=6.328×10-3K/m；A=230.0 K；B=1.172×10-6K/m；y為彈道高；Tvon為海拔0 m的標準氣溫，當地面氣溫TV0≠Tvon時，氣溫隨高度的變化規律與式(1)的規律相同，此時為氣溫的標準分布。

我國炮兵使用的氣壓標準定律

(2)

式中：G=9.8 (m/s2)；r=8.314 (J/mol·K)；

系統首先隨機生成陣地緯度和氣溫(氣溫受陣地緯度約束)，再根據炮兵標準氣象條件[6]，在標準氣壓上下30%的范圍內隨機生成海拔0 m的氣壓，然后根據式(1)、式(2)，生成相應的氣溫、氣壓、藥溫，并在此基礎上加上一定范圍的隨機數，即可得到符合實際情況的氣溫、氣壓、藥溫等射擊條件。

3)隨機生成分布密度合理的射擊條件

為確保對諸元解算軟件的全面檢驗，要求隨機生成的射擊條件既要覆蓋所有范圍，又要有所側重。本系統采用正態分布隨機數生成算法，正態分布的概率密度函數如式(3)所示，隨機變量落在以σ為單位區間內的概率分布如圖5所示。

(3)

圖5　以σ為單位區間的概率分布圖

由圖5易知，服從正態分布的隨機變量出現的范圍通常在±3σ區間內[7]。

炮兵射擊中，常用中間誤差E(E=0.674 5σ)表示隨機變量的離散程度，此時式(3)可轉化為式(4)所示，隨機變量落在以E為單位區間內的概率分布如圖6所示。

(4)

采用中間誤差，隨機變量出現的范圍通常在±4E區間內[8]。根據圖6所示的分布規律，通過設定期望值μ和中間誤差E，生成需要的射擊條件。比如諸元解算軟件要求的氣溫范圍是[-40°，50°]，要求生成的氣溫參數在覆蓋整個區間的條件下，20°左右的氣溫占80%左右。設定μ為20，E為15，再通過線性約束，即可生成在20°附近密集、在區間兩端稀疏的服從正態分布的射擊條件，滿足諸元解算軟件的需求。

圖6　以σ為單位區間內的概率分布圖

2.2諸元精度檢驗算法

對諸元解算軟件的解算精度進行科學合理地評估，需要解決諸元精度檢驗方法的確定、大容量數據傳輸和諸元結果對比評估等關鍵問題。

1)諸元精度檢驗方法

射擊諸元是炮兵、防空兵等指火控系統通過系統計算得出的對目標射擊時的表尺、方向分劃及引信時間等射擊裝定數據[6]。射擊諸元計算過程非常復雜，其計算結果受炮目距離、炮目高差、風速、風向、氣溫、氣壓、藥溫、初速偏差、地球自轉、彈重等多種因素的影響，計算結果的準確與否，直接決定了射擊效果的優劣[9]。諸元計算精度是各級炮兵、防空兵指火控系統最基本的設計指標之一[10]。

射表通過彈道模型理論結果與實彈射擊實踐數據符合歸納而成的[11-12]，一直以來都被認為是炮兵射擊的準則，是標準。所以，本系統以射表為標準對諸元解算軟件進行精度檢驗。具體分兩個步驟：① 進行射表基本諸元檢驗；② 進行射表修正諸元檢驗。

2)數據庫通信算法

進行諸元精度檢驗的前提是將生成的射擊條件發送給諸元解算軟件進行計算。目前常用的數據傳遞方式主要有TCP和UDP通信[13]。

TCP通信是面向連接的可靠的網絡通信協議。通過“三次握手”過程建立可靠連接，而且采用超時和重傳機制，確保報文按序發送，可靠性高但占用資源多，傳送效率低。

UDP通信是面向無連接的、不可靠的網絡傳輸協議。不需要事先建立連接，不提供報文確認機制，傳送效率高，占用資源少，但可靠性低。

本系統數據通信的特點：一是數據傳輸量大，且對數據的完整性要求高。為全面檢驗諸元解算軟件的可靠性和正確性，需要提供大樣本的射擊條件數據，并且對數據完整性要求高，否則諸元解算軟件無法運行。二是內存資源非常有限。諸元解算軟件要嵌入到目前使用的炮兵指火控系統中，而指火控系統都是嵌入式系統，內存資源有限。針對這兩個特點，利用TCP和UDP協議進行網絡數據傳送都不適合。

本系統提出了一種新的數據通信算法-數據庫通信算法。其基本思想是利用數據索引表進行數據傳送。數據索引表結構如表1所示。

表1　數據索引表

其中：字段“ID”是數據索引表的序號，也是該表的主鍵，系統可以通過該字段，唯一確定索引表的一條記錄。

字段“數據類型”是指射擊條件類型，包括射表基本諸元、射表修正諸元、精密法、簡易法、成果法和優補法類型。

字段“序號”和“數據類型”是復合鍵，作為數據索引表的外鍵，將數據索引表與數據類型數據表相關聯，就能夠使系統接收到指定的數據。

字段“標識符”用于指示該條記錄是否已被諸元解算軟件提取?！?”表示未被諸元解算軟件提??；“1”表示已被諸元解算軟件提取。

具體算法流程如圖7、圖8所示。

圖7　檢驗檢測環境生成系統發送數據算法流程

圖8　諸元解算軟件接收數據算法流程

數據庫通信的優點在于：① 發送端與接收端相互獨立，互不影響；② 編程簡單，只需要通過SQL語句查詢、更新數據表即可實現數據傳遞；③ 占用資源少。發送端和接收端不需要建立連接，而且諸元解算軟件在接收數據時，只需要發送一個服務請求，其他所有操作均在發送端主機上完成，這種方式大大降低了諸元解算軟件所在主機的負載，從而確保檢驗工作正常順利完成。④ 異步通信，不阻塞等待。發送端和接收端自主定時輪巡發送和接收數據，除了“標識符”協議之外，相互之間不再需要其他協議，不需要阻塞等待，實現簡單，節省資源。

3)諸元精度評估算法

根據諸元精度檢驗方法，精度評估算法分兩種情況：一是進行射表基本諸元精度檢驗，精度指標E≤0.01(E指全射程誤差的中間誤差)；二是進行射表修正諸元精度檢驗，精度指標E≤0.05(上述指標是通過部隊調研和咨詢相關射擊專家而定)。精度檢驗算法流程如圖9所示。下面對某型火炮某彈種海拔0 m全裝藥諸元精度分別進行了射表基本諸元檢驗和修正諸元檢驗(因篇幅所限，本文只給出部分檢驗結果)。射表基本諸元檢驗(標準射擊條件)結果如表2所示，結果對比如圖10、圖11所示。

表2　射表基本諸元精度中間誤差

圖9　精度檢驗算法流程

圖10　射表基本諸元對比(飛行時間、偏流)

圖11　射表基本諸元對比(表尺、最大彈道高)

下面，分別在氣壓766 mmHg，藥溫24.6℃,風向坐標方位角αW=26-00,基準射向(炮目方向)Aj=48-00，風速W=8 m/s等射擊條件下，對某型火炮某彈種海拔0 m全裝藥的修正諸元進行了精度檢驗，中間誤差計算結果如表3所示，結果對比如圖12、圖13、圖14所示。

表3　修正諸元精度中間誤差

圖12　距離修正量對比(氣溫、藥溫)

圖13　距離修正量對比(氣壓、縱風)

圖14　方向修正量對比(橫風)

從射表基本諸元和修正諸元精度檢驗結果可以看出，指火控系統對新彈種的諸元解算結果與射表結果幾乎完全吻合，中間誤差完全能夠滿足指標要求。可以說明指火控系統對新彈種射擊諸元解算是準確、可靠的，能夠滿足精度指標要求。

3結束語

新彈種射擊諸元精度檢驗系統的設計與開發，給指火控系統諸元解算軟件提供了一個友好、簡便的檢驗平臺。生成的射擊條件，符合諸元解算軟件的要求；數據模型的設計能夠為射擊條件的生成、諸元計算提供方便、快速、正確的數據服務；基于數據庫通信算法，能夠滿足大批量數據的快速傳送。諸元精度檢驗算法，能夠快速對諸元結果進行對比顯示并給出評估結果。經系統測試，本系統能夠滿足實際需求，根據精度指標，可以實現對諸元解算結果的精度檢驗。

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(責任編輯周江川)

本文引用格式：段菖蒲，張志遠，劉玉文，等.新彈種射擊諸元精度檢驗系統設計與實現[J].兵器裝備工程學報，2016(5):41-45.

Citation format:DUAN Chang-pu,ZHANG Zhi-yuan,LIU Yu-wen,et al.Design and Implementation of Firing Data Calculation Accuracy Testing of New Cannonball System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):41-45.

Design and Implementation of Firing Data Calculation Accuracy Testing of New Cannonball System

DUAN Chang-pu,ZHANG Zhi-yuan,LIU Yu-wen,LI Jun

(Army Artillery Teaching and Research Section,Army Officer Academy,Hefei 230031,China)

Abstract:Aiming at the shortage of traditional testing method,we used a number of techniques such as rule database of shooting,the distribution law of temperature and air pressure and the Gaussian distribution,the database communication and the firing data accuracy testing arithmetic were designed to solve the key questions such as the firing parameters generating,the block data cmmunication and the firing data testing,which implements the rapid testing of the firing data.

Key words:firing data; Gauss distribution; data model; TCP; UDP

doi:【裝備理論與裝備技術】10.11809/scbgxb2016.05.010

收稿日期：2015-11-29；修回日期：2015-12-30

作者簡介：段菖蒲(1977—)，男，講師，博士研究生，主要從事炮兵指揮研究；劉玉文(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事外彈道研究。

中圖分類號：TJ306；E920

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0041-06