航天測控課程教學(xué)之氣象軟件設(shè)計拓展

王 輝 唐道光

1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院 北京 100081

2.中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 山西太原 030051

在航天火箭發(fā)射、武器系統(tǒng)靶場試驗中，氣象條件是否滿足發(fā)射條件要求是試驗任務(wù)開展與否的重要先決條件。氣象條件主要包括地面以及上升到數(shù)千米高度不等的不同高度條件下氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等若干參數(shù)[1]。這些參數(shù)通常由專門的氣象站、氣象車通過探空氣球或探空雷達獲得，依據(jù)特定的規(guī)范格式輸出數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)與某一特定發(fā)射任務(wù)需求不一定完全匹配，尤其是對型號種類繁多的武器系統(tǒng)研制而言，往往需要試驗人員具有自主辨識、處理的能力，以便試驗的順利開展[2,3]。因此，氣象參數(shù)的測量與數(shù)據(jù)處理是航天測控、靶場飛行測試的重要環(huán)節(jié)，對航空宇航相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言，也是一項需要掌握的重要技能。尤其是對飛行器設(shè)計、武器系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，靶場氣象參數(shù)的測量、數(shù)據(jù)的判讀、規(guī)范化格式輸出等知識和技能的掌握能有效地促進試驗工作的開展。在航天測控課程的課堂教學(xué)中，涉及相關(guān)內(nèi)容通常是以理論講解為主，學(xué)生難以有直觀的認(rèn)識和了解，也難以深刻領(lǐng)會[4-7]。為了增加科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)高質(zhì)量學(xué)生，面對這些情況，須對相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)方式方法進行各種創(chuàng)新和嘗試[8-10]。

本文依托北京理工大學(xué)航天測控原理與設(shè)計課程，結(jié)合學(xué)校兵器特色學(xué)科，以某型末制導(dǎo)炮彈武器系統(tǒng)研發(fā)試驗中遇到的實際問題為教學(xué)案例，詳細(xì)講解氣象參數(shù)的測試和不同規(guī)范下的標(biāo)準(zhǔn)格式，引導(dǎo)學(xué)生理清軟件設(shè)計思路，加強培養(yǎng)學(xué)生的軟件設(shè)計能力，切實提高解決實際問題的能力。

1 氣象探測在炮兵中的作用及其測量設(shè)備

在炮兵武器系統(tǒng)研發(fā)中，靶場試驗在研發(fā)的方案、工程樣機、定型或技術(shù)鑒定等各個階段均是必不可少的環(huán)節(jié)。以某口徑末制導(dǎo)炮彈為例，根據(jù)測試任務(wù)需求，炮彈上通常安裝有各類型的傳感器，如測量角速率和加速度分別用角速率傳感器、加速度傳感器，位置參數(shù)可通過INS或GPS/北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航獲取。上述測量傳感器和設(shè)備保障了導(dǎo)彈飛行中所需的各類參數(shù)的實時測量。

地面炮兵的活動范圍、彈藥飛行都是在大氣層內(nèi)進行，大氣的狀態(tài)將影響武器的作戰(zhàn)行動和彈藥的運動軌跡。因此，在地面炮兵準(zhǔn)備工作中，除了獲取必要的坐標(biāo)信息、彈藥信息外，氣象條件是否滿足發(fā)射窗口要求以及非理想氣象條件對導(dǎo)彈發(fā)射和飛行狀態(tài)的影響就尤為重要，如垂直氣流、風(fēng)切變、急流、逆溫、云層高度等非正常氣象情況就需要特別關(guān)注，末制導(dǎo)炮彈試驗中也曾出現(xiàn)因為云層高度過低、彈道橫風(fēng)過大而取消靶場試驗的情況。

在軍事氣象學(xué)領(lǐng)域，按軍兵種可分為空軍氣象學(xué)、海軍氣象學(xué)、炮兵氣象學(xué)、防空兵氣象學(xué)等。炮兵氣象數(shù)據(jù)采用氣象通報的形式，傳送到各作戰(zhàn)單元，使用的基本氣象參數(shù)是氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向。這些氣象參數(shù)通常利用專用的氣象儀探測得到。地面炮兵靶場一般建有固定的氣象觀測站或移動的氣象車，核心設(shè)備是探空儀、探空氣球、氣瓶、數(shù)據(jù)接收存儲設(shè)備以及配套的電源、線纜等。氣象氣球通常用氦氣等低密度安全氣體，通過攜帶的探空儀實時探測不同高度下的氣象參數(shù)，地面接收設(shè)備獲取氣象參數(shù)后按一定的格式存儲備用，地面氣象參數(shù)的測量誤差要求見表1。圖1給出了常用的氣象儀和探空氣球示例。

表1 氣象儀地面參數(shù)測量的誤差要求

圖1 常用的氣象儀和探空氣球

2 不同規(guī)范下的氣象通報格式

國內(nèi)常用的炮兵氣象通報和北約炮兵氣象通報格式和規(guī)范不完全一致，在某些參數(shù)定義上區(qū)別較大。針對某一具體的武器型號研制，采用何種氣象格式通常由潛在用戶使用習(xí)慣決定，如末制導(dǎo)炮彈外貌型號通常采用北約標(biāo)準(zhǔn)，北約地炮彈道氣象METB、計算機氣象METCM。下文以中國地面炮兵彈道氣象通報(通常稱1111)、計算機氣象通報(通常稱5555)、北約地面炮兵彈道氣象通報(通常稱METB)為例，進行詳細(xì)闡述。

2.1 中國地面炮兵彈道氣象通報

中國地面炮兵彈道氣象通報編寫規(guī)范見表2、表3。

表2 中國地面炮兵彈道氣象通報

表3 中國地面炮兵彈道氣象通報分層高度

需要注意的是，凡通報中的數(shù)字不足規(guī)定的字?jǐn)?shù)，在數(shù)字前補0，以補足字?jǐn)?shù)；若諸元中的某一項不明，則以數(shù)字9代替；此外，對負(fù)數(shù)的處理方式是高位數(shù)字“加5”，例如，-15 ℃的彈道溫偏編碼時寫為65。

2.2 中國地面炮兵計算機氣象通報

中國地面炮兵計算機氣象通報編寫規(guī)范見表4、表5。

表4 中國地面炮兵計算機氣象通報

表5 中國地面炮兵計算機氣象通報分層高度

2.3 北約地面炮兵彈道氣象通報

北約地面炮兵彈道氣象通報編寫規(guī)范見表6、表7。

表6 北約地面炮兵彈道氣象通報

表7 北約地面炮兵彈道氣象通報分層高度

3 軟件設(shè)計思路與實現(xiàn)

由于靶場試驗任務(wù)繁重，且不同試驗項目對氣象數(shù)據(jù)格式的要求不盡相同。對地面炮兵靶場而言，如兵器的某靶場，現(xiàn)有的軟件功能只能提供常規(guī)的氣象數(shù)據(jù)，并不能提供試驗任務(wù)所需的特定格式探測數(shù)據(jù)，這就要求試驗研發(fā)人員自行開發(fā)所需的軟件，這正是本文的初衷。一般來講，靶場能保證提供探空儀獲取的100 m或200 m固定間隔分層的氣象數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 某靶場氣象探測輸出數(shù)據(jù)

根據(jù)上述不同氣象格式的參數(shù)定義和編寫規(guī)范，即可開展軟件的設(shè)計工作。學(xué)生根據(jù)編程語言儲備和喜好，可選用不同的語言和開發(fā)工具，本文的軟件設(shè)計以Visual Studio 2008為開發(fā)工具，詳細(xì)設(shè)計思路如圖3所示。軟件設(shè)計完成后的界面如圖4所示。

圖3 軟件設(shè)計思路

圖4 設(shè)計完成的軟件界面

以圖2數(shù)據(jù)為例，通過外部數(shù)據(jù)文件讀入軟件，并手動輸入探測時間和氣象站高度，則可得到所需的三種氣象報文格式，如圖5所示。

圖5所示的三種氣象報文格式均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可用于地面炮兵的彈道計算，服務(wù)國防。

圖5 三種氣象報文轉(zhuǎn)換示例

4 結(jié)語

本文以科研試驗中遇到的實際問題為課堂教學(xué)案例，在講授地面炮兵氣象探測基本知識的基礎(chǔ)上，指出試驗中出現(xiàn)的具體問題，并引導(dǎo)學(xué)生分析解決問題的必要性。通過設(shè)計一款專用的氣象報文編碼軟件，使學(xué)生深刻理解氣象探測數(shù)據(jù)的實際使用方式，為將來從事相關(guān)工作奠定堅實的基礎(chǔ)。