基于氣象組網(wǎng)的炮兵氣象共享程序設(shè)計*

曹麗靜 李 俊 蔣 明 張志遠

(陸軍軍官學(xué)院炮兵系 合肥 230071)

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基于氣象組網(wǎng)的炮兵氣象共享程序設(shè)計*

曹麗靜 李 俊 蔣 明 張志遠

(陸軍軍官學(xué)院炮兵系 合肥 230071)

為了充分利用整個戰(zhàn)場的氣象信息，提高火炮射擊精度，開發(fā)了一款基于氣象組網(wǎng)的炮兵氣象共享程序。介紹了程序的組成結(jié)構(gòu)、主要功能和實現(xiàn)方法。YYNW程序基于氣象組網(wǎng)，采用線性插值算法計算氣象諸元和氣象通報，實現(xiàn)了彈道氣象通報、計算機氣象通報的編制。通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)氣象站點數(shù)據(jù)的輸入和成果氣象的共享，具有氣象通報計算、存儲、發(fā)送等多種功能，可用于炮兵近、中、遠程射擊的氣象保障，為實現(xiàn)軍兵種氣象信息共享提供了一種參考方案。

氣象組網(wǎng); 炮兵氣象; 共享; 氣象通報; 氣象保障; 程序設(shè)計

Class Number TP311.1

1 引言

氣象條件是影響諸元誤差的最主要因素，進而嚴重影響炮兵射擊精度[1～2]，因此，提高氣象信息精度對提高炮兵射擊精度至關(guān)重要。炮兵氣象信息主要包括地面氣溫偏差量、地面氣壓偏差量、彈道氣溫偏差量和彈道風(fēng)等氣象要素[3]。為了修正這些氣象要素對炮兵射擊和偵察的影響，首先要測得這些氣象要素，但是由于炮兵武器裝備的射程較遠，單憑一個氣象站所提供的氣象信息來修正射擊諸元的效果有限。即使小范圍內(nèi)，也可能由于地形起伏等原因造成氣象信息的變動，尤其是彈道風(fēng)的改變更是變幻莫測。而且氣象是時刻變化的，炮兵射擊時的氣象和探測時刻的氣象已經(jīng)不同[4]。這些缺陷阻礙了對射擊諸元的修正，從而導(dǎo)致火炮射擊準確性降低[5]。因此，為了進一步提高氣象修正量的準確性，提高射擊的精度，發(fā)揮多個氣象站在聯(lián)合監(jiān)測氣象信息中的作用，就必須把多個氣象站測得的氣象信息進行組網(wǎng)，實現(xiàn)氣象信息共享，從而可獲得戰(zhàn)場區(qū)域內(nèi)任一點的氣象信息。為了實現(xiàn)這一目的，本文開發(fā)設(shè)計了一款基于VC2010的氣象信息組網(wǎng)與共享程序。

2 程序組成及功能[6～7]

本程序主要由數(shù)據(jù)輸入模塊、坐標圖像顯示模塊、功能實現(xiàn)模塊和網(wǎng)絡(luò)連接模塊等幾部分組成。其中功能實現(xiàn)模塊是程序的核心，可根據(jù)需要完成相應(yīng)功能，實現(xiàn)炮兵氣象信息共享。

2.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊主要負責(zé)接收組網(wǎng)內(nèi)各氣象站提供的坐標數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、氣象通報以及炮陣地、目標和所求點坐標等必要數(shù)據(jù)。

2.2 坐標圖像顯示模塊

該模塊以網(wǎng)格的形式直觀地顯示出炮陣地坐標、目標坐標以及所求點坐標的位置，讓使用者一目了然的看到所求氣象信息在整個戰(zhàn)區(qū)中的位置，方便指揮人員做判斷。每次求取不同的氣象信息，該模塊都會重新繪制，實時顯示結(jié)果。

2.3 功能實現(xiàn)模塊

該模塊是整個軟件的關(guān)鍵所在，可以實現(xiàn)求取任意點氣象信息、炮目中點氣象信息、炮目中點氣象通報、兩點法氣象通報和沿彈道高氣象通報等功能。其中炮目中點氣象通報用于滿足炮兵短距離射擊時的氣象修正，兩點法氣象通報用于常規(guī)炮兵射擊時的氣象修正，是最常用到的，沿彈道高氣象通報主要用于遠程火炮射擊時修正射擊諸元。另外，該模塊還可實現(xiàn)彈道氣象通報和計算機氣象通報之間的轉(zhuǎn)換。

2.4 網(wǎng)絡(luò)連接模塊

該模塊主要用于完成軟件與各氣象站及指揮所和炮陣地的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和氣象成果的共享。

3 炮兵氣象共享關(guān)鍵技術(shù)

3.1 組網(wǎng)形式

炮兵氣象信息組網(wǎng)可以采取多種形式，例如，可以根據(jù)陸戰(zhàn)場實際情況確定氣象站間距和排布方位，如果整個陸戰(zhàn)場都相對平坦，氣象站可以等間距排布；如果整個陸戰(zhàn)場地形不一致，可以在地形起伏較大的區(qū)域，密集排布氣象站，在地形起伏較小的區(qū)域，疏散排布氣象站。

為了說明的方便，這里假設(shè)整個陸戰(zhàn)場地形平坦，所以采取等間距的方式排布氣象站，通常取X、Z方向間距相等，如圖1所示。

圖1中，縱軸為X，橫軸為Z，每個交點代表一個氣象站，用Q(x,z)表示。

組網(wǎng)后，各氣象站在同一時刻測得的氣象信息全部傳輸?shù)綒庀笳究倷C，由總機根據(jù)各氣象站傳回的數(shù)據(jù)進行計算，獲得任意點氣象信息。

圖1 氣象組網(wǎng)

3.2 炮兵氣象信息計算方法

氣象站進行組網(wǎng)后，整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)任意點的氣象信息都可通過計算獲得，主要計算方法有線性插值和擬合多項式[8～9]。擬合多項式法計算較復(fù)雜，占用機時長，不利于炮兵氣象保障的快速反應(yīng)；而線性插值法則因其計算簡便能夠滿足炮兵氣象保障快速反應(yīng)的需求，并且其計算誤差也在炮兵射擊誤差允許范圍內(nèi)，所以本文選擇用線性插值法[8]計算任意點氣象諸元。

3.2.1 線性插值方法

為了獲得氣象組網(wǎng)中任意點的氣象信息，可以采用線性插值的方法來求取。其具體思想是根據(jù)任意點的坐標，在組網(wǎng)中確定其位置，用在同一高程上包圍該點的四個點進行兩次插值運算，從而獲得該點的氣象信息。如圖2所示，組網(wǎng)中的任意點必然位于某一網(wǎng)格內(nèi)，任意點用R表示，包圍它的四個點分別用A、B、C、D表示，則R點的氣象信息可以通過A、B、C、D四個點線性插值得到，首先對Z方向進行線性插值，得到點1和點2的氣象信息，再用點1、點2做插值運算得到任意點氣象信息。如果任意點高程與測量點高程不等，則先用插值方法計算出任意點上下兩個高程的氣象信息，再對高度方向進行插值運算，得到任意點氣象信息。

圖2 氣象組網(wǎng)中的任意點

3.2.2 氣象諸元的獲取

炮兵氣象諸元主要包括氣溫、氣壓和風(fēng)這三個要素，為了方便說明，以氣溫為例說明采用線性插值方法獲取氣象諸元的方法。設(shè)任意點用R(x0,z0)表示，包圍它的四個氣象站分別用A(x,z-l)、B(x,z)、C(x-l,z-l)、D(x-l,z)表示，插值運算的兩個中間點用D1、D2表示，如圖2所示。各氣象站的氣溫用T表示，則任意點的氣溫插值公式為

(1)

氣壓和風(fēng)的獲取方法與氣溫類似，只需將相應(yīng)的氣溫值換成相應(yīng)的氣壓和風(fēng)即可。另外，因為風(fēng)是矢量，還可以把某一方向上的風(fēng)分解成縱風(fēng)和橫風(fēng)，即X、Z兩個方向上的風(fēng)，然后分別對X和Z方向的風(fēng)進行插值運算，得到任意點R在X和Z方向的風(fēng)，再將X、Z方向的風(fēng)合成，得到任意點R的風(fēng)。

4 炮兵氣象信息共享程序設(shè)計

4.1 程序結(jié)構(gòu)介紹

為了得到任意點的氣象信息或氣象通報，首先要把各氣象站發(fā)送過來的氣象數(shù)據(jù)和氣象通報讀入到數(shù)據(jù)空間，并分類存儲，然后根據(jù)不同功能模塊調(diào)用需要的數(shù)據(jù)，計算完成后，要將計算結(jié)果分別存儲并發(fā)送出去，其程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 程序框圖

該程序設(shè)計了一個主對話框，相應(yīng)的類是CWeatherDlg(派生于對話框類CDialogEx)，在此類中定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲氣象信息和各類氣象通報。

struct weatheraviso{

float x; //存放X軸坐標

float y; //存放Y軸坐標

CString weather; //存放氣象通報字符串

float DP; //存放地面氣壓偏差

float DT; //存放地面溫度偏差

float h[100]; //存放各高程值

float T; //存放彈道高溫偏

float t[100]; //存放各高程溫偏

float WD; //存放彈道風(fēng)風(fēng)向

float wd[100]; //存放各高程風(fēng)向

float WS; //存放彈道風(fēng)風(fēng)速

float ws[100]; //存放各高程風(fēng)速

};

4.2 任意點氣象諸元

為了獲取任意點氣象諸元，需要從軟件主界面通過按鈕調(diào)用“任意點氣象諸元”對話框。在該對話框內(nèi)輸入任意點的坐標，然后點擊“計算”按鈕進入AnyPoint()函數(shù)，首先檢驗所需數(shù)據(jù)是否存在，如不存在則彈出對話框“數(shù)據(jù)不存在，請重新輸入！”，如數(shù)據(jù)存在，則根據(jù)坐標從輸入的氣象數(shù)據(jù)中搜索與其相鄰的四個氣象站的氣象數(shù)據(jù)(通過調(diào)用SearchPoint()函數(shù)實現(xiàn))，再調(diào)用線性插值函數(shù)LinerInter()計算出該點的氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向的值，刷新對話框顯示并存儲到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Weatherany中。

4.3 炮目中點氣象諸元和氣象通報

在短距離射擊中，通常采用炮目中點的氣象諸元作為全彈道氣象諸元[10]，因此獲取炮目中點氣象諸元和氣象通報意義重大。

計算炮目中點氣象諸元和氣象通報需要調(diào)用各氣象站發(fā)來的彈道氣象通報數(shù)據(jù)，首先根據(jù)炮陣地和目標坐標計算出炮目中點位置，然后按照求取任意點氣象諸元的方法對炮目中點周圍的四個氣象站的彈道氣象通報數(shù)據(jù)進行插值運算，得到炮目中點的彈道氣象通報。在此過程中，首先要把彈道氣象通報用函數(shù)WeatherChange()將文本類型的字符轉(zhuǎn)換成能用于計算的數(shù)值，才能進行插值運算。再根據(jù)炮目距離計算出平均彈道高，進一步計算出炮目中點彈道氣象諸元，然后刷新對話框，將計算結(jié)果顯示出來，同時調(diào)用繪圖函數(shù)OnGridPaint()，繪制網(wǎng)格坐標圖，標繪出炮陣地、目標和炮目中點的位置。如需查看炮目中點氣象通報，可點擊“炮目中點氣象通報”按鈕，彈出“炮目中點氣象通報”對話框。如圖4所示。

圖4 炮目中點氣象諸元獲取界面

4.4 兩(站)點氣象通報

隨著炮兵射擊距離越來越遠，由于氣象信息偏差引起的射擊誤差在不斷增大，因此只用中點氣象諸元修正射擊諸元已不能滿足中遠程射擊精度要求，本文提出用兩點氣象通報代替全彈道氣象通報的思想。以彈道最高點為分界點，將彈道分成兩個部分，并將其與彈道兩端用直線相連，然后用直線段中點的氣象諸元代替彈道氣象諸元[11]，如圖5中點1、點2所示，這種分段方法主要是考慮到彈道升弧段較緩慢，降弧段較迅速，使得點1和點2盡量接近真實彈道情況。獲取點1、點2的氣象通報方法與獲取炮目中點氣象通報基本相同，不同之處在于要先根據(jù)炮目坐標等信息計算出最大彈道高處的坐標，進而求出點1、點2的坐標，然后即可調(diào)用函數(shù)進行計算。為了適應(yīng)炮兵射擊精度的不同要求，本軟件設(shè)計了兩種氣象通報的計算，即彈道氣象通報和計算機氣象通報，分別由類CWeatherDlg的對象Wdlg調(diào)用函數(shù)DandaoQXTB()和JisuanjiQXTB()來完成。

圖5 兩點法氣象通報

4.5 沿彈道高變化的氣象諸元

兩點法雖然比一點法精確，但是對于遠程火箭炮射擊[12]來說，仍會造成彈道修正量不準確，炮彈打擊精準度不高，為此，提出計算沿彈道高變化的一系列點的氣象通報，當(dāng)炮彈飛行至某點附近時，就用某點的氣象通報來修正彈道，進一步提高修正精度。

由于實際彈道需要根據(jù)炮彈實際飛行情況獲得，無法精確獲得沿彈道方向各點的坐標，但是可以利用彈道擬合方法，擬合出一條與真實彈道接近的虛擬彈道，用此虛擬彈道的坐標計算出各點的氣象通報，當(dāng)炮彈飛過該點附近時，就可以根據(jù)彈道實際高度調(diào)用相應(yīng)高程的氣象諸元，修正彈道。

這里，在沿虛擬彈道水平方向上，每200m取一個點計算其計算機氣象通報，直至到達目標點。在此過程中，先根據(jù)輸入的炮陣地、目標坐標及沿彈道方向水平取點的距離計算出各點坐標，再用求任意點氣象通報的方法求出各點計算機氣象通報，最后將計算結(jié)果存儲到txt文件中并發(fā)送出去。

5 結(jié)語

為驗證程序計算效果，在10000m×10000m范圍內(nèi)，橫坐標間隔2000m，縱坐標間隔1000m，共取了66個探測點，探測出各點氣象通報，作為原始輸入數(shù)據(jù)。因為炮目中點的計算結(jié)果已經(jīng)能說明該程序的實用性和計算精度，故只在文章中給出炮目中點的計算結(jié)果。

炮目中點氣象諸元和氣象通報計算，輸入炮陣地坐標Xp=00000,Zp=00000,Hp=200,目標坐標Xm=06000,Zm=08000,Hm=200，計算結(jié)果為地面溫偏1.5℃，彈道溫偏6.5℃，地面壓偏-9.5mm，彈道風(fēng)速6.5m/s，彈道風(fēng)向32-54mil，炮目中點氣象通報：1111-1730-0080-50908-02-033105-04-023206-08-013306-12-003407-16-513407- 20-523408-24-533306-30-533205-40-533305-50-533404- 050。在炮目中點(03000,04000)處實測氣象情況，測得地面溫偏2℃，彈道溫偏6.8℃，地面壓偏-10mm，彈道風(fēng)速6.3m/s，彈道風(fēng)向32-48mil，炮目中點氣象通報：1111-1730-0080-51002-02-033106-04-023206-08-013306-12-003307-16-513407-20-523408-24-533306-30-533205-40-533305-50-533404-050。從兩種結(jié)果對比分析，可以看出該程序計算結(jié)果很接近真實測量結(jié)果，僅地面氣象數(shù)據(jù)的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在微小偏差，高空數(shù)據(jù)基本一致，可見，該程序設(shè)計思路合理、計算結(jié)果符合實際情況。

另外，本程序很好地完成了炮兵射擊過程中所需各類氣象通報的計算功能，并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與共享，為后續(xù)實現(xiàn)陸戰(zhàn)場中炮兵、防空兵等各兵種間氣象信息共享鋪平了道路。本程序是基于VC2010進行可視化程序開發(fā)的，充分利用了VC提供的對話框類，使得程序簡潔順暢，運行速度快，保障了數(shù)據(jù)處理的精度和速度，為進一步提高炮兵射擊精度做出了貢獻。

[1] 高傳智.炮兵氣象保障[D].南京:解放軍理工大學(xué),2000:53-61.[2] 倪慶華,曲玉琨,孫劍鋒.氣象條件對遠程火箭炮射擊精度的影響及對策[J].指揮控制與仿真,2009,31(6):104-107.

[3] 楊宇,姜豪杰.陸軍士兵軍事訓(xùn)練教材(炮兵防空兵氣象專業(yè))[M].北京：解放軍出版社,1995:1-54.

[4] 劉玉文,陳春,姚若河,等.軍用氣象條件亟待改進的若干問題的商榷[J].氣象科學(xué),2005,25(1):55-60.

[5] 王兆勝.氣象條件的時空變化對炮兵分隊射擊精度的影響[J].彈道學(xué)報,2010,22(2)：103-106.

[6] 靳樹昌,郭祥宇.某型炮兵氣象雷達模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計[J].兵工自動化,2011,30(3):36-39.

[7] 郭志超.基于Virtools的氣象雷達可視化仿真示教系統(tǒng)研究[J].艦船電子工程,2013,33(3):67-70.

[8] 劉怡昄,劉玉文,決定射擊諸元理論[M].北京:海軍出版社,2001:1-5.

[9] 張志遠,劉玉文.基于最小二乘法的氣象信息組網(wǎng)技術(shù)及實現(xiàn)[J].艦船電子工程,2014,10:66-68.

[10] 郭玉侖.炮兵射擊技術(shù)[M].北京:解放軍出版社,2005:138-174.

[11] 李明軍,劉玉文.關(guān)于炮兵氣象條件若干問題的討論[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2004,24(3):252-254.

[12] 靳樹昌,艾云平,邱超凡.氣象站配置位置在遠程火箭炮發(fā)射中的作用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2006(1):14-17.

Program Design for Sharing Artillery Meteor Based on Meteor Net

CAO Lijing LI Jun JIANG Ming ZHANG Zhiyuan

(Artillery Department, Army Officer Academy of PLA, Hefei 230071)

In order to improve shooting precision of artillery by taking full advantage of the meteorology data of the whole battlefield, an artillery meteor sharing program based on meteor net was designed. And its framework, main functions and realization were introduced. The linear interpolation arithmetic was used to calculate meteorological element and bulletin based on meteor net in this program, at the same time, the compiling of trajectory and computer meteorological bulletin was realized. The input of meteor stations and output of meteor production were realized by network, and it had multi-functions such as meteorological bulletin calculation, storage, sending and so on. This program could be used for artillery meteorological support in short, medium and long distance shooting. It provided a

olution for realizing all services and arms meteorology data sharing.

meteor net, artillery meteor, sharing, meteorological bulletin, meteorological support, program design

2016年5月11日,

2016年6月28日

軍內(nèi)科研“陸戰(zhàn)場氣象信息數(shù)據(jù)共享技術(shù)研究”(編號：2011JNKY011)資助。

曹麗靜,女,碩士,講師,研究方向：圖形圖像處理以及炮兵射擊技術(shù)。李俊,男,博士,講師,研究方向：炮兵射擊指揮、電視制導(dǎo)。蔣明,男,博士,講師,研究方向：炮兵射擊指揮。張志遠,男,碩士,助教,研究方向：炮兵氣象。

TP311.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.023