安全射界技術(shù)在人工影響天氣對(duì)空作業(yè)中的應(yīng)用研究

魏宇星

（鄉(xiāng)城縣氣象局，四川 甘孜藏族自治州 627850）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人工影響天氣作業(yè)發(fā)生了很大改變，受到傳統(tǒng)高炮安全射擊方面的限制，很難滿足新時(shí)期各項(xiàng)工作的需要。這就需要工作人員對(duì)作業(yè)點(diǎn)周圍區(qū)域分布情況進(jìn)行準(zhǔn)確把握，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以對(duì)安全射界圖進(jìn)行繪制，避免出現(xiàn)安全事故。面對(duì)新時(shí)期人工影響天氣作業(yè)要求，對(duì)地理信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行充分利用，以對(duì)高炮、火箭位置、射程信息、地形矢量等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面收集，對(duì)人工影響天氣作業(yè)安全射界繪制技術(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化，提升其的高精確度水平，進(jìn)而滿足實(shí)際工作需要。通過(guò)研究人工影響天氣對(duì)空作業(yè)中的安全射界技術(shù)，可以對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)方面的不足進(jìn)行完善，為人工影響天氣作業(yè)提供參考借鑒。

1 安全射界概述

1.1 射界分類

人影作業(yè)的專業(yè)性較強(qiáng)，其裝備射界主要包括三類：裝備射界、作業(yè)射界和安全射界。其中裝備射界主要是指人影作業(yè)炮彈、火箭彈發(fā)射裝置方位、俯仰角所能達(dá)到的二維界限。作業(yè)射界是結(jié)合不同的作業(yè)目標(biāo)和作業(yè)規(guī)范需要將作業(yè)裝備瞄準(zhǔn)發(fā)射方位角與俯仰角的范圍。安全射界則是保證作業(yè)人員和地面設(shè)備安全的前提下，裝備可以發(fā)射方位角與俯仰角的范圍。這三種不同類型的射界相互包含，安全射界是滿足人影裝備對(duì)空作業(yè)任務(wù)需求的發(fā)射范圍，人影作業(yè)指揮中需對(duì)安全射界范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握。

1.2 人影對(duì)空作業(yè)裝備分類

按照催化方式不同，人影對(duì)空作業(yè)裝備涉及空域安全，主要包含點(diǎn)源爆炸式、線源傘降式兩種類型。

1.2.1 點(diǎn)源爆炸式

將含有人影催化劑的炮彈通過(guò)地面高炮將其向目標(biāo)位置進(jìn)行發(fā)射，通過(guò)延時(shí)引線引爆彈丸的方式，將催化劑瞬時(shí)撒播到作業(yè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)人工影響天氣的目的。點(diǎn)源爆炸式的炮彈型號(hào)包括57 mm、37 mm兩種不同型號(hào)。因裝備性能不同，57mm、37mm炮彈的最大射高分別為7～8 km、4～5 km。

1.2.2 線源傘降式

將含有人影催化劑、助燃劑的火箭彈通過(guò)地面火箭將其推送到作業(yè)目標(biāo)位置后，在火箭飛行期間的延時(shí)控制系統(tǒng)利用燃燒方式對(duì)催化劑進(jìn)行播撒，播撒完成后，剩余的火箭殘骸會(huì)通過(guò)火箭彈傘降系統(tǒng)降落到地面上，進(jìn)而完成催化作業(yè)。大部分情況下，人工影響天氣作業(yè)用火箭彈時(shí)采用線源傘降式較為頻繁。

1.3 安全射界影響因素

1.3.1 裝備性能

對(duì)于人影作業(yè)中使用的高炮，大都是部隊(duì)退役設(shè)備，受到設(shè)備自身制作工藝、配件不足、核心部件磨損、年檢保養(yǎng)不及時(shí)等方面的限制，對(duì)裝備性能產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。可以定期組織技術(shù)人員定期檢測(cè)專用設(shè)備，以預(yù)防和減輕因性能下降引發(fā)的問(wèn)題。

1.3.2 彈藥穩(wěn)定性

人工影響天氣作業(yè)中使用的彈藥，在制造過(guò)程中涉及的人工參與環(huán)節(jié)較多，尤其是早期受到成本、制造工藝等方面的影響，使得炮彈、火箭彈經(jīng)常會(huì)有瞎火、未開傘等情況出現(xiàn)。對(duì)于不同型號(hào)的彈藥來(lái)說(shuō)，其外形、質(zhì)量、發(fā)射性能有一定差異，使得彈藥出膛速度、抗干擾能力、慣性存在系統(tǒng)方面的差異。只有制定出科學(xué)有效的彈藥生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，才能提升彈藥的穩(wěn)定性和安全性水平。

1.3.3 操作水平

人影作業(yè)中發(fā)射高炮及火箭的裝置大都沒(méi)有精準(zhǔn)方位標(biāo)識(shí)。因此，作業(yè)人員在調(diào)整作業(yè)方位角、俯仰角的過(guò)程中會(huì)存在一定的操作偏差。通過(guò)加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，可以有效降低人為因素方面產(chǎn)生的誤差。

2 估算與設(shè)計(jì)人影作業(yè)安全射界

2.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合人工影響天氣工作實(shí)際和安全射界繪制規(guī)范，通過(guò)人工方式在高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)底圖上將安全敏感區(qū)域繪制出來(lái)，并根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的不同海拔高度炮彈未爆炸、火箭彈未開傘時(shí)落點(diǎn)數(shù)據(jù)，將高空氣流對(duì)彈道偏移的影響考慮進(jìn)去，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息將高炮、火箭人影作業(yè)安全射界范圍考慮進(jìn)去，確保地面人員和相關(guān)設(shè)施安全。具體步驟為：①通過(guò)信息化方式處理彈藥生產(chǎn)廠家提供的彈射數(shù)據(jù)表；②利用高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對(duì)安全作業(yè)敏感區(qū)進(jìn)行識(shí)別；③將彈丸命中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的彈道初始數(shù)設(shè)計(jì)諸元進(jìn)行反酸；④修正設(shè)計(jì)不同影響因素誤差；⑤融合處理地理信息數(shù)據(jù)；⑥對(duì)安全射界進(jìn)行確定。

2.2 地圖數(shù)據(jù)源選擇

對(duì)于電子地圖來(lái)說(shuō)，在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬的過(guò)程中主要選用矢量和柵格兩種不同模型。其中前者是通過(guò)二維以點(diǎn)、線、面的方式來(lái)表達(dá)自然界，后者則是通過(guò)方格對(duì)實(shí)體進(jìn)行模擬。為了對(duì)作業(yè)點(diǎn)周圍城鎮(zhèn)、村莊、工程等禁射區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確分辨，需對(duì)安全射界進(jìn)行合理選定，結(jié)合目前測(cè)繪地圖、衛(wèi)星遙感影像圖以及數(shù)據(jù)高程模型數(shù)據(jù)技術(shù)，選用分辨率不低于5 m的衛(wèi)星遙感影像圖繪制安全射界圖。

2.3 彈丸落區(qū)數(shù)字化處理

在對(duì)空氣中彈丸運(yùn)動(dòng)規(guī)律、飛行特征、相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行研究的過(guò)程中主要是利用外彈道學(xué)范疇，若彈丸質(zhì)量、彈形、彈徑、炮身仰角、初始速度不同，氣象條件對(duì)彈道均有一定影響。結(jié)合命中點(diǎn)位置可以對(duì)人影作業(yè)裝備的設(shè)計(jì)諸元，避免了通過(guò)彈道微分方程對(duì)彈道軌跡進(jìn)行計(jì)算而求解射擊諸元的復(fù)雜過(guò)程。

2.4 不同影響因素誤差修正設(shè)計(jì)

2.4.1 風(fēng)對(duì)未爆彈丸預(yù)期落點(diǎn)水平距離影響

在風(fēng)力的作用下，發(fā)射后炮彈的落點(diǎn)水平距離同靜風(fēng)預(yù)期距離間有一定偏差存在。順風(fēng)較大的情況可以延伸炮彈的彈道，逆風(fēng)則恰恰相反，橫風(fēng)會(huì)造成炮彈彈丸左右偏移。由于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈丸落地點(diǎn)散步的縱向偏差比橫向偏差大，在對(duì)低海拔地區(qū)的安全射擊最小范圍極坐標(biāo)進(jìn)行選取時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)為徑向1 500 m，法向?yàn)? 000 m。

2.4.2 不同海拔高度對(duì)未爆彈丸射程的影響

對(duì)于高原地區(qū)來(lái)說(shuō)，其空氣密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低海拔地區(qū)，由于火箭彈阻力系數(shù)降低，風(fēng)速卻相對(duì)較大，高原地區(qū)的彈道落地點(diǎn)的散布方差更大。相關(guān)研究結(jié)果表明，海拔高度增加的過(guò)程中，高原氣象對(duì)高炮彈道的影響也比平原氣象的影響要大，這種影響以冬季表現(xiàn)的最為明顯，其次是夏季。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，由于高原地區(qū)的海報(bào)高度在1 500 m以上，需要將高原氣象條件對(duì)彈道的影響考慮進(jìn)去，安全射界極坐標(biāo)的最小范圍需進(jìn)一步擴(kuò)大到徑向?yàn)? 000 m，法向?yàn)? 500 m。

3 人影作業(yè)安全射界繪制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能

根據(jù)中國(guó)氣象局《人工影響天氣安全管理規(guī)定》的安全作業(yè)要求，在人影作業(yè)安全射界繪制系統(tǒng)中，需要嚴(yán)格按照QX/T151《人工影響天氣作業(yè)術(shù)語(yǔ)》和QX/T256《37 mm高炮人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范》對(duì)人工影響天氣作業(yè)安全射界進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的功能需包含地圖管理、地標(biāo)管理、射界編輯、制圖打印、系統(tǒng)管理五個(gè)方面的功能。

3.2 安全射界繪制步驟

3.2.1 繪制射界圖

將人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)坐標(biāo)值數(shù)據(jù)作為圓心，分別畫出半徑為1 km、10 km的圓。結(jié)合不同炮彈和火箭彈型號(hào)在不同海拔區(qū)域以及不同仰角的彈道參數(shù)，繪制射界圈。需要注意的是，射界圈的間隔大都在2°～5°之間。

3.2.2 確定非安全區(qū)域

在借助于高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)識(shí)別、避讓人工地物的過(guò)程中，需要標(biāo)記處作業(yè)彈藥覆蓋半徑范圍內(nèi)的地面廠礦企業(yè)、村鎮(zhèn)人口稠密區(qū)域、高速鐵路、學(xué)校等安全敏感區(qū)域，以對(duì)非安全區(qū)域進(jìn)行確定。

3.2.3 射界分析

通過(guò)疊加分析非安全區(qū)域數(shù)據(jù)用戶標(biāo)記和射界圈形成的區(qū)域，進(jìn)而形成安全射界區(qū)域。其中安全射界區(qū)域極坐標(biāo)最小范圍需要滿足在海拔不高于1 500 m的作業(yè)點(diǎn)：1 500 m（徑向）×1 000 m（切向）；高于1 500 m的作業(yè)點(diǎn)：2 000 m（徑向）×1 500 m（切向）。

3.2.4 制圖打印

應(yīng)選用分辨率不低于5 m的衛(wèi)星遙感影像圖疊加在精度為30 m的DEM底圖上作為安全射界成圖，并在確定出圖范圍的影像圖中確定圖層信息，其中安全射界區(qū)域編號(hào)需要從初始方位開始，沿著順時(shí)針?lè)较驈膬?nèi)到外將阿拉伯?dāng)?shù)字從小到大標(biāo)注在安全區(qū)域內(nèi)。將“37 mm高炮安全射界圖”或“火箭作業(yè)安全射界圖”標(biāo)注在制圖區(qū)域影像圖的正上方。在示意圖的右上方有指北方向的標(biāo)記，下方則是射界范圍、作業(yè)點(diǎn)信息、海拔信息、分辨率信息以及彈藥類型信息，而審核人、出圖人、出圖單位和出圖時(shí)間則標(biāo)注在最下方。

4 結(jié)論

綜上所述，安全射界技術(shù)對(duì)人工影響天氣對(duì)空作業(yè)的影響較大，作業(yè)人員應(yīng)對(duì)作業(yè)點(diǎn)周圍設(shè)施和人口分布情況進(jìn)行全面掌握，對(duì)彈藥設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以準(zhǔn)確繪制安全射界圖。針對(duì)人工影響天氣對(duì)空作業(yè)中可能出現(xiàn)的事故問(wèn)題，制定出有效的防控措施，以更好地滿足安全作業(yè)和科學(xué)管理的需求。