多氣象通報(bào)保障炮兵射擊問題研究?

張志遠(yuǎn) 劉玉文

（陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

在傳統(tǒng)炮兵射擊中，采用氣象站或氣象分隊(duì)為炮兵射擊提供所需的氣象情報(bào)，由于氣象站只能探測一點(diǎn)的氣象諸元，以此點(diǎn)的氣象諸元代替整個(gè)彈道上的氣象諸元必然有一定誤差，即使在氣象條件穩(wěn)定的情況下，這種誤差也會(huì)造成實(shí)際的射程與射表上的射程5%～10%的偏差［1～3］。特別是在炮兵實(shí)施遠(yuǎn)程打擊時(shí)，氣象諸元的誤差產(chǎn)生的誤差也將隨著射程的增加而增大，而且，由于射程較大，炮彈飛經(jīng)的戰(zhàn)場幅員廣闊，炮陣地與目標(biāo)點(diǎn)之間的戰(zhàn)場氣象可能出現(xiàn)較大變化，單純的采用一點(diǎn)的氣象諸元代替整個(gè)彈道上的氣象諸元所產(chǎn)生的偏差會(huì)更大。

本文嘗試通過使用多份氣象資料保障炮兵射擊，以減小氣象準(zhǔn)備因時(shí)間和地點(diǎn)不一致而產(chǎn)生的誤差［4～5］，提高氣象保障的精度。

2 多份氣象資料的獲取

如何獲取多份氣象資料是使用多份氣象通報(bào)提高火炮射擊精度的前提，因此，我們首先要獲得多份氣象資料。

2.1 炮兵多份氣象資料獲取來源

目前，炮兵對(duì)于多份氣象資料的獲取主要通過多氣象保障分隊(duì)在同一時(shí)段探測得到整個(gè)彈道區(qū)間內(nèi)的多氣象資料。這里所說的同一時(shí)段是指在某一時(shí)刻左右半小時(shí)之內(nèi)的時(shí)間。為了利用多個(gè)氣象分隊(duì)的氣象資料來保障遠(yuǎn)程火炮彈道區(qū)間內(nèi)氣象數(shù)據(jù)，在多個(gè)氣象分隊(duì)的保障下，各氣象分隊(duì)在上級(jí)給定的時(shí)間段內(nèi)，在指定的地點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行氣象探測。各氣象分隊(duì)完成給定時(shí)間段里的氣象探測后，立即匯報(bào)至上級(jí)指揮部門進(jìn)行綜合分析和運(yùn)用。

但是利用炮兵氣象分隊(duì)獲取戰(zhàn)場的氣象資料需要的人員多，統(tǒng)一配置難以協(xié)調(diào)，而且氣象車是利用光學(xué)經(jīng)緯儀跟蹤氣球測定風(fēng)速、風(fēng)向，探測高度受能見度影響，并且容易丟球，探測周期較長，且容易暴露，不能靠近目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行氣象探測，很難滿足利用多份氣象資料保障炮兵射擊的需要［6］。為此，我們提出利用無人氣象飛機(jī)在兩側(cè)機(jī)翼上攜帶下投式GPS探空儀，在彈道區(qū)間均勻的散布，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)彈道區(qū)間多份氣象資料的獲取。

2.2 下投式探空儀氣象資料的探測

2.2.1 溫濕壓原理

GPS探空儀采用數(shù)字電子探空儀，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由單片機(jī)和測量電路組成，可以完成氣象數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送一系列任務(wù)。據(jù)采集、處理、發(fā)送任務(wù)。探空儀中溫度傳感器采用熱敏電阻，能夠有效避免長波輻射對(duì)溫度測量的影響。濕度傳感器采用濕敏電阻，能夠保證良好的測量精度，并具有長期穩(wěn)定性，滯后相對(duì)較小。氣壓則利用硅單晶空盒氣壓傳感器進(jìn)行直接測量［7～8］。

2.2.2 GPS探空儀測風(fēng)原理

GPS探空儀在下降過程中，在降落傘作用下，近似勻速下降，當(dāng)有四顆以上有效衛(wèi)星時(shí)，GPS系統(tǒng)通過擴(kuò)頻通信技術(shù)測量得到GPS衛(wèi)星到探空儀GPS接收機(jī)的距離，然后解算出探空儀的三維坐標(biāo)值以及此刻時(shí)間，通過這些信息即可解算出探空儀在不同高度的水平運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)方向，即風(fēng)速和風(fēng)向。

首先，根據(jù)測量得到的衛(wèi)星到GPS接收機(jī)的偽距離，根據(jù)衛(wèi)星的位置，可得出如下方程：

其中，Xi、Yi、Zi是第i顆衛(wèi)星的坐標(biāo)，Ri是t時(shí)刻接收機(jī)到第i顆衛(wèi)星的距離。只需要三顆衛(wèi)星，就可以聯(lián)立解出接收機(jī)的三維坐標(biāo)。由于接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星上的時(shí)鐘存在偏差，所以常常通過四顆及以上衛(wèi)星的資料解算探空儀在空間直角系中的坐標(biāo)。為了求解風(fēng)速和風(fēng)向，首先要把坐標(biāo)變化到GPS接收機(jī)為原點(diǎn)的站心坐標(biāo)系中，坐標(biāo)變化如下

式中：X′i、Y′i、Z′i為 GPS探空儀在站心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；Xi、Yi、Zi為 GPS探空儀在 WGS－84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；X0、Y0、Z0為 GPS 探空儀接收機(jī)在WGS－84坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；λ、φ為GPS探空儀接收機(jī)所在大地位置的緯度和經(jīng)度。

然后通過探空儀在下降過程中的相鄰兩點(diǎn)相對(duì)于基站的坐標(biāo)（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），則可以計(jì)算出實(shí)際風(fēng)速和風(fēng)向：

3 多份氣象通報(bào)的求解彈道諸元模擬計(jì)算

3.1 利用計(jì)算機(jī)氣象通報(bào)計(jì)算彈道諸元原理

3.1.1 彈丸運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

在計(jì)算機(jī)條件下，通常采用積分法解彈道方程來求解彈道諸元，其采用的彈丸運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為

式中各字母的含義以及積分初始條件參見文獻(xiàn)［9］。在計(jì)算氣象條件非標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)，積分彈道數(shù)學(xué)模型只需把地形條件和彈道條件的非標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理即可。

3.1.2 計(jì)算機(jī)條件下的彈道諸元計(jì)算原理

在計(jì)算機(jī)條件下，通常采用計(jì)算機(jī)氣象通報(bào)進(jìn)行彈道諸元的計(jì)算。在使用計(jì)算機(jī)氣象通報(bào)計(jì)算彈道諸元時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)積分的步長，在氣象通報(bào)中實(shí)時(shí)查取相應(yīng)高度的氣象諸元，并將真實(shí)的氣象諸元采用點(diǎn)插值代入非標(biāo)準(zhǔn)條件下彈丸運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型（5）進(jìn)行積分。根據(jù)虛溫和風(fēng)的分布規(guī)律，虛溫在9300m以下呈線性分布，風(fēng)的分布有很大的隨機(jī)性，因此在進(jìn)行插值時(shí)，對(duì)虛溫采用線性插值，對(duì)風(fēng)采用拋物線插值［10］。

3.2 兩點(diǎn)氣象通報(bào)保障炮兵射擊精度分析

在炮兵射擊時(shí)，我們可以根據(jù)射程把彈道分成兩段，甚至更多，每一段都用其中點(diǎn)的氣象通報(bào)代替該段的氣象通報(bào)，然后使用多份氣象通報(bào)保障炮兵射擊。以把彈道分劃成兩段為例，如圖1所示。

圖1是用兩個(gè)點(diǎn)代替整個(gè)彈道的氣象諸元，我們以彈道最高點(diǎn)為分界點(diǎn)，將彈道分成兩個(gè)部分，每一個(gè)部分的氣象諸元就用該段中點(diǎn)的氣象諸元代替，如圖1中點(diǎn)①、點(diǎn)②所示。同理，兩個(gè)以上點(diǎn)的氣象通報(bào)也可用類似方法獲得。

下面以1966年152mm式加農(nóng)榴彈炮為對(duì)象，對(duì)一點(diǎn)氣象通報(bào)和兩點(diǎn)氣象通報(bào)保障炮兵射擊的精度進(jìn)行定量分析。根據(jù)探測得到的彈道中點(diǎn)氣象通報(bào)和同時(shí)探測得到的彈道上升段、下降段氣象通報(bào)，分別計(jì)算在不同初速和不同射角時(shí)，采用一點(diǎn)氣象通報(bào)和兩點(diǎn)氣象通報(bào)計(jì)算射擊距離和側(cè)偏的結(jié)果。

其中一組氣象通報(bào)如下：

· 彈道中點(diǎn)氣象通報(bào)：

· 彈道上升段氣象通報(bào)：

· 彈道下降段氣象通報(bào)：

圖1 兩點(diǎn)氣象通報(bào)

理論上，兩點(diǎn)氣象通報(bào)能夠更真實(shí)地反映整條彈道的真實(shí)氣象條件，因此，以兩點(diǎn)氣象通報(bào)計(jì)算得到的射擊距離和側(cè)偏作為準(zhǔn)確值，分析一點(diǎn)氣象通報(bào)計(jì)算得到射擊距離、側(cè)偏與兩點(diǎn)氣象通報(bào)計(jì)算得到的結(jié)果的偏差情況。通過彈道諸元計(jì)算軟件，在不同裝藥號(hào)、不同射角時(shí)射擊距離和側(cè)偏計(jì)算結(jié)果如表1～表6所示（表3～表6略）。

表1 全號(hào)裝藥不同射擊對(duì)比

表2 一號(hào)裝藥不同射擊對(duì)比

從表中可以看出：

1）采用一點(diǎn)氣象通報(bào)和兩點(diǎn)氣象通報(bào)計(jì)算得到的射擊距離和側(cè)偏普遍存在偏差，偏差量最大達(dá)到77m，且偏差量總體上是隨射擊距離的增大呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，說明采用多點(diǎn)氣象通報(bào)保障炮兵射擊很有必要，能夠有效提高炮兵射擊精度；

2）從表1、表2可以看出，偏差量并不是嚴(yán)格隨射擊距離的增大而逐漸增大，而是存在一定的隨機(jī)性，這也說明了氣象條件在射彈飛行軌跡上由于受到地形等其他因素的影響是隨機(jī)變化的，通過增大下投探空儀的密度，能夠較好地反映出氣象條件的變化，有效減小氣象條件隨機(jī)變化對(duì)射擊精度的影響；

3）隨著射程的減小，采用一點(diǎn)氣象通報(bào)和兩點(diǎn)氣象通報(bào)計(jì)算得到的射擊距離和側(cè)偏的偏差量很小，甚至為零。這是由于探空儀探測間隔較近，氣象條件變化量不大，又經(jīng)過氣象通報(bào)編制過程中的取舍誤差，導(dǎo)致得到的氣象通報(bào)變化很小。

4 結(jié)語

在分析傳統(tǒng)氣象保障影響射擊精度的基礎(chǔ)上，提出了采用無人機(jī)獲取全彈道區(qū)間內(nèi)多份氣象資料，并使用多份氣象通報(bào)保障炮兵射擊的方法，以降低應(yīng)探測地點(diǎn)與射擊地點(diǎn)不一致產(chǎn)生的氣象誤差，提高炮兵射擊的精度。通過模擬計(jì)算，使用兩點(diǎn)氣象通報(bào)明顯提高了射擊精度，特別是射程較遠(yuǎn)時(shí)，效果顯著。得出使用多份氣象通報(bào)保障炮兵射擊能夠提高射擊精度，減小試射次數(shù)并取得突然襲擊的效果，具有良好的軍事效益。

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