某型高炮訓練模擬器火控仿真模型研究

杜 立

（總參第六十研究所機器人實驗室，南京 210016）

一、引 言

我國在不同時期，針對軍事訓練要求，研制并配發過多種模擬訓練器材，部分器材已配發部隊并使用多年，為基層部隊的日常軍事訓練提供了良好的保障。但隨著全軍軍事訓練信息化要求的不斷提升，新型武器不斷裝備部隊，新一代軍事訓練與考核大綱要求我軍必須著眼于戰爭的演變拓展使命任務，進一步推動信息化條件下各軍兵種對各型武器裝備的使用操作能力。

目前使用的模擬訓練器材，是主要以傳統技術為主導的機械化訓練器材，存在訓練功能單一、信息技術含量低、信息數據采集不足、訓練信息反饋不及時和自動化程度不高等情況。尤其在防空武器裝備，如各型高炮等信息化集成度較高的武器裝備訓練中，受到訓練目標保障難、裝備損耗彈藥供應少、訓練場地不足等不同方面的制約，部隊無法在基層營區開展操作訓練，訓練效果和戰斗力都受到了影響。

隨著高科技的不斷發展，模擬訓練器廣泛適用于計算機圖形技術、三維圖顯實時生成等仿真技術，能夠實現室內環境下的模擬實戰訓練環境。解決訓練不了、訓練不起的問題，逼真的訓練環境大大縮短了訓練周期。要提供與武器系統相仿的實物操作環境，呈現與實裝一致的逼真效果，必須對火控系統的建模和仿真進行深入研究，使受訓人員在訓練中仿佛身臨其境。

二、火控系統原理

（一）對空攻擊火控原理

防空高炮攻擊目標時，分為全自動、半自動和手動這3種控制模式。

圖1　火控系統示意圖

如圖1所示，全自動控制模式下，模擬雷達測量系統開啟，測量值代入全自動解算模型中直接獲得射擊需要的提前角和高角；半自動和手動模式下，雷達測量系統關閉，瞄準具為隨動系統提供提前角和高角。

（二）射擊數學模型

高炮對空中處于M點位置的飛機進行攻擊，由于目標飛行速度較快，火炮不能指向現在位置M點，而必須指向提前位置點射擊。假設目標在任意平面內做等速直線飛行，則提前位置一定處于現在航路的延長線上，且提前位置與現在位置的距離等于目標飛行速度與射彈飛行時間的乘積。稱為提前三角形，為提前角

考慮到射彈在飛行過程中受重力和空氣阻力作用，形成彎曲的彈道，若火炮直接向點射擊，則射彈從點下方通過，無法擊中目標。因此，發射時炮管必須抬高一個角度使炮身抬高到上方點位置。則角稱為高角，三角形成為彈道三角形，如圖2所示。

圖2　提前三角形和彈道三角形

三、火控系統對空射擊建模

（一）全自動模式計算模型——雷達系統仿真

全自動模式下，模擬雷達系統正常運作，實測數據已知量為：高炮本體位置，目標位置，目標速度矢量，目標加速度。

解分段方程（6）得到 ，即可得到。

圖3　全自動計算模型流程圖

（二）半自動/手動計算模型——陀螺瞄準具仿真

半自動和手動模式下，雷達測量系統關閉，目標的飛行速度，坐標位置都無法進行測量，射手需借助瞄準具進行瞄準。實裝中瞄準具利用陀螺組件測得目標運行角速度，因此分析式（1），當 ＜13°時，

（例 sin13°= 0.22495，13°= 0.22689 rad，相差 0.00194，sin10°= 0.17364，10°= 0.17453 rad，相差 0.00089）。則：

目標相對火炮運動角速度等于目標切向速度與現在斜距之比，即：

將式（8）代入式（7）得：

圖4中，1為0.5°視角小環（直徑），2為2°視角大環（直徑），射手通過對空光環鎖定目標，對空光環圖中心光點為3.6′視角（1密位），小圓直徑相當于0.5°視角，大圓直徑相當于2°視角。手動/半自動解算流程如圖5所示。

圖4　對空光環圖

圖5　手動/半自動解算流程

由于在1000 m遠處長度為1 m的物體，約為1密位視角，即：落在中心光點上；若目標卡在0.5°視角內，則約為1000 m外8.5 m長的物體，或500 m外4.3 m長的物體。以此類推，在訓練中受訓人員已知目標長度，根據目標在光環圖中的視角，目測確定目標現在距離 ，而當光環穩定鎖定目標時，炮管角速度即等于飛行目標角速度，而彈丸的平均速度由武器射進行插值計算可得，根據式（8）計算得出提前角 ，繼而得出高角 。

四、火炮命中計算模型

高炮執行模擬射擊后,需要進行射擊命中解算。受訓人員踩下激發踏板發射多發彈丸，在空中形成火力球面。模擬場景中飛行目標的速度矢量、目標現在位置已知；同時,火炮模擬發射的提前角、高角、射彈平均速度等射擊諸元均已知，方程聯立計算出飛行目標和射彈軌跡能否交會于一點，即完成命中解算。軟件實現中，解算流程如圖6所示。

圖6　命中解算流程圖

五、風速修正

實際射擊中，風速影響射擊精度。因此，在模擬器設計中需要考慮風速影響，對射擊數學模型進行風速修正。

在全自動模式下，模擬風速儀輸出風速矢量，直接將風速的影響分解到目標速度和炮彈速度，修正式（1）最終求解出提前角和高角。

在手動/半自動模式下，實裝中沒有風速儀，瞄準模型不需要進行風速修正；在命中解算中，根據軟件設定的風速對目標速度和炮彈速度進行修正，從而計算命中信息。

六、結束語

本文分析了某型高炮火控原理，分別建立了全自動雷達跟蹤模式、半自動陀螺瞄準具模式、手動模式這3種攻擊模式下的火控模型。在模擬訓練軟件算法中，充分考慮到重力場和風場在命中計算模型中的影響，實際運用于某型高炮模擬器設計中，取得了較好的仿真效果。