段菖蒲，張志遠(yuǎn)，劉玉文，李　俊

(陸軍軍官學(xué)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(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

段菖蒲，張志遠(yuǎn)，劉玉文，李俊

(陸軍軍官學(xué)院 炮兵系炮兵教研室，合肥230031)

摘要：針對傳統(tǒng)檢驗方法的不足，設(shè)計了射擊諸元精度檢驗系統(tǒng)。采用建立射擊規(guī)則庫、氣溫氣壓分布定律和正態(tài)分布函數(shù)三級約束方法，設(shè)計了數(shù)據(jù)庫通信算法及諸元精度檢驗算法，解決了射擊條件生成、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、大批量數(shù)據(jù)傳送及諸元精度檢驗等關(guān)鍵問題，實現(xiàn)了對新彈種射擊諸元精度的快速檢驗。

關(guān)鍵詞：射擊諸元;正態(tài)分布;數(shù)據(jù)模型;TCP;UDP

隨著大批新彈種經(jīng)靶場試驗后，射表編擬已完成并陸續(xù)配發(fā)部隊。為了使這些新彈種盡快形成戰(zhàn)斗力，在現(xiàn)役的指火控系統(tǒng)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(fù)雜[1-2]，新開發(fā)出的諸元解算軟件解算結(jié)果是否正確、可靠，需要進(jìn)行檢驗。傳統(tǒng)的檢驗方法通常是進(jìn)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(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，可以快速生成各種符合作戰(zhàn)實際、數(shù)據(jù)分布合理的射擊條件，對諸元解算軟件進(jìn)行全面、科學(xué)、合理的檢驗，實際檢驗結(jié)果表明對新彈種的諸元解算結(jié)果滿足射擊精度需要。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由射擊條件生成子系統(tǒng)、諸元精度檢驗子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用C/S框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)作為服務(wù)端，為射擊條件生成子系統(tǒng)、諸元精度檢驗子系統(tǒng)提供各種請求服務(wù)。射擊條件生成子系統(tǒng)，主要生成符合作戰(zhàn)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(jìn)行諸元計算；諸元精度檢驗子系統(tǒng)，主要進(jìn)行諸元計算、數(shù)據(jù)通信和諸元結(jié)果對比，計算中間誤差，給出精度評估結(jié)果。

圖1　系統(tǒng)總體系結(jié)構(gòu)

圖2　C/S框架結(jié)構(gòu)

1.2系統(tǒng)的主要功能

本系統(tǒng)主要完成以下功能：

1)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)射擊條件下射表基本諸元的生成與計算；

2)實現(xiàn)射表修正諸元的生成與計算；

3)實現(xiàn)諸元解算結(jié)果對比功能；

4)實現(xiàn)諸元解算精度評估功能。

2關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

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(shù)的簡單調(diào)用，而是要生成符合作戰(zhàn)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(zhǔn)射向、氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)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(shù)等等。本系統(tǒng)采用建立射擊規(guī)則庫模型，氣溫氣壓標(biāo)準(zhǔn)分布定律[3]和正態(tài)分布函數(shù)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(zhàn)實際，又分布密度合理。

1)隨機生成符合作戰(zhàn)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(shù)等符合作戰(zhàn)實際，本文通過建立射擊規(guī)則庫數(shù)據(jù)模型加以約束。射擊規(guī)則庫是根據(jù)《炮兵射擊教程》的相關(guān)規(guī)定以及炮種、彈種、裝藥等參數(shù)的戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)而建立的，包括規(guī)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(guān)系模型)模型[4]進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3　規(guī)則實體的E-R模型

圖4　規(guī)范化后的規(guī)則庫關(guān)系模型

圖3中共有5個實體，分別是規(guī)則約束、炮種、彈種、裝藥和射界。其中，規(guī)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(guān)系；炮種和彈種、彈種和裝藥之間是多對多的關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)庫規(guī)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(guān)系模型。規(guī)范后的數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)聯(lián)；規(guī)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(guān)聯(lián)。這樣，可以消除上述的數(shù)據(jù)冗余、插入異常、刪除異常等問題。本系統(tǒng)的射擊條件數(shù)據(jù)庫、諸元計算結(jié)果數(shù)據(jù)庫以及射表數(shù)據(jù)庫都是根據(jù)上述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)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(fēng)速、風(fēng)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(guān)，氣壓與氣溫、陣地高程有關(guān)。假設(shè)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(tǒng)利用氣溫、氣壓和空氣密度標(biāo)準(zhǔn)定律，再根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)定律(氣溫TV隨高度y的變化規(guī)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(biāo)準(zhǔn)氣溫，當(dāng)?shù)孛鏆鉁豑V0≠Tvon時，氣溫隨高度的變化規(guī)律與式(1)的規(guī)律相同，此時為氣溫的標(biāo)準(zhǔn)分布。

我國炮兵使用的氣壓標(biāo)準(zhǔn)定律

(2)

式中：G=9.8 (m/s2)；r=8.314 (J/mol·K)；

系統(tǒng)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(jù)炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件[6]，在標(biāo)準(zhǔn)氣壓上下30%的范圍內(nèi)隨機生成海拔0 m的氣壓，然后根據(jù)式(1)、式(2)，生成相應(yīng)的氣溫、氣壓、藥溫，并在此基礎(chǔ)上加上一定范圍的隨機數(shù)，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(cè)重。本系統(tǒng)采用正態(tài)分布隨機數(shù)生成算法，正態(tài)分布的概率密度函數(shù)如式(3)所示，隨機變量落在以σ為單位區(qū)間內(nèi)的概率分布如圖5所示。

(3)

圖5　以σ為單位區(qū)間的概率分布圖

由圖5易知，服從正態(tài)分布的隨機變量出現(xiàn)的范圍通常在±3σ區(qū)間內(nèi)[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(zhuǎn)化為式(4)所示，隨機變量落在以E為單位區(qū)間內(nèi)的概率分布如圖6所示。

(4)

采用中間誤差，隨機變量出現(xiàn)的范圍通常在±4E區(qū)間內(nèi)[8]。根據(jù)圖6所示的分布規(guī)律，通過設(shè)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(shù)在覆蓋整個區(qū)間的條件下，20°左右的氣溫占80%左右。設(shè)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(qū)間兩端稀疏的服從正態(tài)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(qū)間內(nèi)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(jìn)行科學(xué)合理地評估，需要解決諸元精度檢驗方法的確定、大容量數(shù)據(jù)傳輸和諸元結(jié)果對比評估等關(guān)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(tǒng)通過系統(tǒng)計算得出的對目標(biāo)射擊時的表尺、方向分劃及引信時間等射擊裝定數(shù)據(jù)[6]。射擊諸元計算過程非常復(fù)雜，其計算結(jié)果受炮目距離、炮目高差、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、藥溫、初速偏差、地球自轉(zhuǎn)、彈重等多種因素的影響，計算結(jié)果的準(zhǔn)確與否，直接決定了射擊效果的優(yōu)劣[9]。諸元計算精度是各級炮兵、防空兵指火控系統(tǒng)最基本的設(shè)計指標(biāo)之一[10]。

射表通過彈道模型理論結(jié)果與實彈射擊實踐數(shù)據(jù)符合歸納而成的[11-12]，一直以來都被認(rèn)為是炮兵射擊的準(zhǔn)則，是標(biāo)準(zhǔn)。所以，本系統(tǒng)以射表為標(biāo)準(zhǔn)對諸元解算軟件進(jìn)行精度檢驗。具體分兩個步驟：① 進(jìn)行射表基本諸元檢驗；② 進(jìn)行射表修正諸元檢驗。

2)數(shù)據(jù)庫通信算法

進(jìn)行諸元精度檢驗的前提是將生成的射擊條件發(fā)送給諸元解算軟件進(jìn)行計算。目前常用的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)通信協(xié)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(fā)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(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。不需要事先建立連接，不提供報文確認(rèn)機制，傳送效率高，占用資源少，但可靠性低。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的特點：一是數(shù)據(jù)傳輸量大，且對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)完整性要求高，否則諸元解算軟件無法運行。二是內(nèi)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(tǒng)中，而指火控系統(tǒng)都是嵌入式系統(tǒng)，內(nèi)存資源有限。針對這兩個特點，利用TCP和UDP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送都不適合。

本系統(tǒng)提出了一種新的數(shù)據(jù)通信算法-數(shù)據(jù)庫通信算法。其基本思想是利用數(shù)據(jù)索引表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)索引表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)索引表

其中：字段“ID”是數(shù)據(jù)索引表的序號，也是該表的主鍵，系統(tǒng)可以通過該字段，唯一確定索引表的一條記錄。

字段“數(shù)據(jù)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(yōu)補法類型。

字段“序號”和“數(shù)據(jù)類型”是復(fù)合鍵，作為數(shù)據(jù)索引表的外鍵，將數(shù)據(jù)索引表與數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)表相關(guān)聯(lián)，就能夠使系統(tǒng)接收到指定的數(shù)據(jù)。

字段“標(biāo)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取；“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(huán)境生成系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)算法流程

圖8　諸元解算軟件接收數(shù)據(jù)算法流程

數(shù)據(jù)庫通信的優(yōu)點在于：① 發(fā)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(shù)據(jù)表即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞；③ 占用資源少。發(fā)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(shù)據(jù)時，只需要發(fā)送一個服務(wù)請求，其他所有操作均在發(fā)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(fù)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(fā)送端和接收端自主定時輪巡發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，除了“標(biāo)識符”協(xié)議之外，相互之間不再需要其他協(xié)議，不需要阻塞等待，實現(xiàn)簡單，節(jié)省資源。

3)諸元精度評估算法

根據(jù)諸元精度檢驗方法，精度評估算法分兩種情況：一是進(jìn)行射表基本諸元精度檢驗，精度指標(biāo)E≤0.01(E指全射程誤差的中間誤差)；二是進(jìn)行射表修正諸元精度檢驗，精度指標(biāo)E≤0.05(上述指標(biāo)是通過部隊調(diào)研和咨詢相關(guān)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(jìn)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(jié)果)。射表基本諸元檢驗(標(biāo)準(zhǔn)射擊條件)結(jié)果如表2所示，結(jié)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(fēng)向坐標(biāo)方位角αW=26-00,基準(zhǔn)射向(炮目方向)Aj=48-00，風(fēng)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(jìn)行了精度檢驗，中間誤差計算結(jié)果如表3所示，結(jié)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(fēng))

圖14　方向修正量對比(橫風(fēng))

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

3結(jié)束語

新彈種射擊諸元精度檢驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，給指火控系統(tǒng)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(shù)據(jù)模型的設(shè)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(shù)據(jù)服務(wù)；基于數(shù)據(jù)庫通信算法，能夠滿足大批量數(shù)據(jù)的快速傳送。諸元精度檢驗算法，能夠快速對諸元結(jié)果進(jìn)行對比顯示并給出評估結(jié)果。經(jīng)系統(tǒng)測試，本系統(tǒng)能夠滿足實際需求，根據(jù)精度指標(biāo)，可以實現(xiàn)對諸元解算結(jié)果的精度檢驗。

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(責(zé)任編輯周江川)

本文引用格式：段菖蒲，張志遠(yuǎn)，劉玉文，等.新彈種射擊諸元精度檢驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].兵器裝備工程學(xué)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(shù)】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(dǎo)師，主要從事外彈道研究。

中圖分類號：TJ306；E920

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0041-06