引信裝定系統(tǒng)用模擬火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏亞偉，李豪杰，原紅偉，于 航

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

新形勢(shì)下戰(zhàn)爭不再是單一的某一個(gè)作戰(zhàn)單元發(fā)揮作用去攻擊敵方，而是與其他的作戰(zhàn)平臺(tái)交聯(lián)成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)信息交互[1-3]。其中，火控系統(tǒng)包括了武器系統(tǒng)中絕大部分的電子設(shè)備，也承載了武器系統(tǒng)中的通信控制、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、炮車控制、鏡體控制、定位導(dǎo)航和傳輸顯示等許多主要和關(guān)鍵的作戰(zhàn)任務(wù)，是武器系統(tǒng)交互控制的匯聚點(diǎn)和核心，是武器現(xiàn)代化的標(biāo)志[4]。而引信與火控系統(tǒng)之間的互聯(lián)對(duì)攻擊來襲目標(biāo)或者殺傷敵方起到關(guān)鍵作用，通過在發(fā)射前、發(fā)射過程中、發(fā)射后對(duì)引信的裝定，使得引信適時(shí)作用在最理想的時(shí)間、距離、方位引燃、引爆戰(zhàn)斗部裝藥從而使彈藥戰(zhàn)斗部起到最大的殺傷效果，實(shí)現(xiàn)最佳的作戰(zhàn)模式[5]。由于火控系統(tǒng)是發(fā)射平臺(tái)的一部分，對(duì)于從事信息化引信研究的人員在研究信息交聯(lián)時(shí)無法脫離火控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立測試與性能驗(yàn)證[6-7]。通過查閱資料，文獻(xiàn)[8]提出了基于二維插值算法的引信用裝定器彈道參數(shù)解算方法，滿足精度的同時(shí)，也簡化了計(jì)算，但是該方法運(yùn)算速度慢，占用內(nèi)存大，對(duì)射表的使用較復(fù)雜。文獻(xiàn)[9]提出了當(dāng)前軍機(jī)廣泛的使用指令響應(yīng)型數(shù)據(jù)總線作為其多功能綜合航空電子火控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真，但沒有編寫相應(yīng)的上位機(jī)來滿足實(shí)驗(yàn)室裝定的需求。在編寫人機(jī)交互界面的過程中，MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算能力和界面設(shè)計(jì)功能使其成為主要的設(shè)計(jì)工具[10-11]。為此，通過對(duì)火控系統(tǒng)的分析，明確了實(shí)驗(yàn)室裝定引信對(duì)火控系統(tǒng)解算信息，實(shí)時(shí)裝定功能的需求，基于MATLAB軟件，采用整體擬合法的數(shù)據(jù)處理手段，對(duì)導(dǎo)入的射表進(jìn)行擬合，在輸入外部環(huán)境信息的情況下，解算出裝定信息，編寫相應(yīng)的人機(jī)交互界面程序來實(shí)現(xiàn)模擬火控的功能。

1 模擬火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 模擬火控系統(tǒng)的構(gòu)成

引信裝定系統(tǒng)用模擬火控系統(tǒng)需完成射表轉(zhuǎn)換，參數(shù)輸入，裝定數(shù)據(jù)解算等三項(xiàng)功能。首先導(dǎo)入射表，然后通過輸入炸點(diǎn)距離、海拔、氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向時(shí)可以得到引信預(yù)裝定時(shí)間TPE1和速度修正系數(shù)K；最終把信息傳送給裝定器，裝定器裝定信息到引信。其中模擬火控系統(tǒng)為本文主要設(shè)計(jì)部分，并且滿足炸點(diǎn)距離900 m的范圍內(nèi)，裝定飛行時(shí)間誤差小于1 ms,裝定速度修正系數(shù)誤差小于0.01 ms/(m/s)，其模擬火控裝定工作流程框圖如圖1。

圖1 模擬火控系統(tǒng)裝定工作流程框圖

而在系統(tǒng)程序中要包括對(duì)氣溫、氣壓的修正系數(shù)運(yùn)算過程、縱風(fēng)、橫風(fēng)風(fēng)速的修正系數(shù)運(yùn)算過程、速度修正系數(shù)的運(yùn)算過程。

1.2 射表修正量使用方法

本文導(dǎo)入的射表即表1和表2，其中表1為某定距彈的飛行時(shí)間和速度修正系數(shù)與炸點(diǎn)距離的關(guān)系，表2反應(yīng)了外部環(huán)境條件變化導(dǎo)致的裝定時(shí)間變化量與炸點(diǎn)距離的關(guān)系。

表1 某定距彈基本射表

表2 某定距彈修正量表

引信裝定系統(tǒng)用模擬火控系統(tǒng)最終輸出計(jì)算結(jié)果有兩個(gè)：一個(gè)是速度修正系數(shù)K，另一個(gè)是引信預(yù)裝定時(shí)間TPE1。

引信預(yù)裝定時(shí)間TPE1的計(jì)算式：

TPE1=T(L)+0.001E

(1)

式中：T(L)為射表中所列出對(duì)應(yīng)射程L的飛行時(shí)間，查表1。時(shí)間單位(s)；E為射程L的時(shí)間修正量。時(shí)間單位(ms)。

時(shí)間修正量E的計(jì)算公式：

(2)

式中：Ki為對(duì)應(yīng)修正系數(shù)；Δi為對(duì)應(yīng)偏差量。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及程序流程圖

在1.1節(jié)中明確說到引信裝定系統(tǒng)用模擬火控系統(tǒng)的基本構(gòu)成，由輸入部分、控制部分、輸出部分、其他部分組成。其中輸入部分包括射表的導(dǎo)入，炸點(diǎn)距離，海拔及相關(guān)環(huán)境條件變化等信息；控制部分即為內(nèi)部射表的擬合計(jì)算和裝定給引信數(shù)據(jù)的解算；輸出部分為解算數(shù)值的輸出顯示；其他部分為模擬火控系統(tǒng)標(biāo)題的美化顯示。

系統(tǒng)的總體在滿足上述必須部分的基礎(chǔ)上，盡可能簡潔明了容易操作。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)構(gòu)成編輯出如圖2所示界面，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 引信裝定系統(tǒng)用模擬火控系統(tǒng)界面

通過編寫程序，實(shí)現(xiàn)上述界面的各個(gè)模塊功能，運(yùn)行程序的流程框圖如圖3。

圖3 模擬火控的程序流程框圖

2 模擬火控的射表數(shù)據(jù)擬合

采用擬合法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是將射表導(dǎo)入到Matlab中，利用Matlab強(qiáng)大的計(jì)算能力，對(duì)導(dǎo)入的射表進(jìn)行繪圖，并對(duì)圖像進(jìn)行擬合，得到整體擬合公式，以下是對(duì)飛行時(shí)間、速度、氣溫、氣壓、橫風(fēng)、縱風(fēng)等修正系數(shù)的擬合圖像，并得到相關(guān)的擬合公式。其中氣壓、橫風(fēng)、縱風(fēng)與前面圖像類似，進(jìn)行省略。

其公式如下：

1)飛行時(shí)間二次方擬合公式：

y=3.397 4e-08*x2+0.000 656 97*x+7.046 6e-5

其擬合圖像如圖4所示。

圖4 飛行時(shí)間二次方擬合圖像

2)速度修正系數(shù)二次法擬合公式：

y= -6.453 8e-08*x2-0.000 860 16*x+0.000 621 32

其擬合圖像如圖5所示。

圖5 速度修正系數(shù)二次方擬合圖像

3)氣溫修正系數(shù)二次方擬合公式：

y= -9.151 2e-07*x2+4.500 8e-05*x-0.004 436 3

其擬合圖像如圖6所示。

3 模擬火控試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)射表中的數(shù)據(jù)(表1)，某定距彈在海拔高為340 m，氣溫變化5 ℃，氣壓變化500 Pa，無橫風(fēng)和縱風(fēng)的情況下，模擬火控解算的裝定數(shù)值如表3所示。

圖6 氣溫修正系數(shù)二次方擬合圖像

表3 模擬火控裝定數(shù)值

炸點(diǎn)距離/m模擬裝定飛行時(shí)間/s模擬裝定速度修正系數(shù)K/(ms·(m·s-1)-1)500.033 003-0.042 551000.066 105-0.086 02000.132 810-0.174 03000.200 200-0.263 24000.268 260-0.353 85000.336 990-0.445 66000.406 390-0.538 77000.476 470-0.633 18000.547 230-0.728 89000.618 660-0.825 8

與射表內(nèi)的裝定數(shù)值相比，其絕對(duì)誤差如圖7所示。

圖7 模擬火控裝定量的絕對(duì)誤差示意圖

由圖7可知，在900 m的炸點(diǎn)距離內(nèi)，裝定時(shí)間的絕對(duì)誤差最大為0.053 ms,小于1 ms,速度修正系數(shù)絕對(duì)誤差小于0.01 ms/(m·s-1)，在誤差允許的范圍內(nèi)，模擬火控的裝定數(shù)值可滿足測試功能與性能要求。

4 結(jié)論

本文為實(shí)現(xiàn)引信裝定功能的實(shí)驗(yàn)室測試，在明確模擬火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的情況下，開展了模擬火控的功能分析與設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了模擬火控人機(jī)交互界面?；诠ぷ髁鞒谭謩e設(shè)計(jì)各子系統(tǒng)程序模塊。

子系統(tǒng)采用擬合法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)射表數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，得到與炸點(diǎn)距離相關(guān)的函數(shù)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)計(jì)算量少、滿足精度要求。通過模擬火控試驗(yàn)驗(yàn)證，誤差小，精度符合裝定要求，為實(shí)驗(yàn)室可裝定引信的設(shè)計(jì)和測試帶來了極大便利。