某型高炮训练模拟器火控仿真模型研究

杜 立

（总参第六十研究所机器人实验室，南京 210016）

一、引 言

我国在不同时期，针对军事训练要求，研制并配发过多种模拟训练器材，部分器材已配发部队并使用多年，为基层部队的日常军事训练提供了良好的保障。但随着全军军事训练信息化要求的不断提升，新型武器不断装备部队，新一代军事训练与考核大纲要求我军必须着眼于战争的演变拓展使命任务，进一步推动信息化条件下各军兵种对各型武器装备的使用操作能力。

目前使用的模拟训练器材，是主要以传统技术为主导的机械化训练器材，存在训练功能单一、信息技术含量低、信息数据采集不足、训练信息反馈不及时和自动化程度不高等情况。尤其在防空武器装备，如各型高炮等信息化集成度较高的武器装备训练中，受到训练目标保障难、装备损耗弹药供应少、训练场地不足等不同方面的制约，部队无法在基层营区开展操作训练，训练效果和战斗力都受到了影响。

随着高科技的不断发展，模拟训练器广泛适用于计算机图形技术、三维图显实时生成等仿真技术，能够实现室内环境下的模拟实战训练环境。解决训练不了、训练不起的问题，逼真的训练环境大大缩短了训练周期。要提供与武器系统相仿的实物操作环境，呈现与实装一致的逼真效果，必须对火控系统的建模和仿真进行深入研究，使受训人员在训练中仿佛身临其境。

二、火控系统原理

（一）对空攻击火控原理

防空高炮攻击目标时，分为全自动、半自动和手动这3种控制模式。

图1　火控系统示意图

如图1所示，全自动控制模式下，模拟雷达测量系统开启，测量值代入全自动解算模型中直接获得射击需要的提前角和高角；半自动和手动模式下，雷达测量系统关闭，瞄准具为随动系统提供提前角和高角。

（二）射击数学模型

高炮对空中处于M点位置的飞机进行攻击，由于目标飞行速度较快，火炮不能指向现在位置M点，而必须指向提前位置点射击。假设目标在任意平面内做等速直线飞行，则提前位置一定处于现在航路的延长线上，且提前位置与现在位置的距离等于目标飞行速度与射弹飞行时间的乘积。称为提前三角形，为提前角

考虑到射弹在飞行过程中受重力和空气阻力作用，形成弯曲的弹道，若火炮直接向点射击，则射弹从点下方通过，无法击中目标。因此，发射时炮管必须抬高一个角度使炮身抬高到上方点位置。则角称为高角，三角形成为弹道三角形，如图2所示。

图2　提前三角形和弹道三角形

三、火控系统对空射击建模

（一）全自动模式计算模型——雷达系统仿真

全自动模式下，模拟雷达系统正常运作，实测数据已知量为：高炮本体位置，目标位置，目标速度矢量，目标加速度。

解分段方程（6）得到 ，即可得到。

图3　全自动计算模型流程图

（二）半自动/手动计算模型——陀螺瞄准具仿真

半自动和手动模式下，雷达测量系统关闭，目标的飞行速度，坐标位置都无法进行测量，射手需借助瞄准具进行瞄准。实装中瞄准具利用陀螺组件测得目标运行角速度，因此分析式（1），当 ＜13°时，

（例 sin13°= 0.22495，13°= 0.22689 rad，相差 0.00194，sin10°= 0.17364，10°= 0.17453 rad，相差 0.00089）。则：

目标相对火炮运动角速度等于目标切向速度与现在斜距之比，即：

将式（8）代入式（7）得：

图4中，1为0.5°视角小环（直径），2为2°视角大环（直径），射手通过对空光环锁定目标，对空光环图中心光点为3.6′视角（1密位），小圆直径相当于0.5°视角，大圆直径相当于2°视角。手动/半自动解算流程如图5所示。

图4　对空光环图

图5　手动/半自动解算流程

由于在1000 m远处长度为1 m的物体，约为1密位视角，即：落在中心光点上；若目标卡在0.5°视角内，则约为1000 m外8.5 m长的物体，或500 m外4.3 m长的物体。以此类推，在训练中受训人员已知目标长度，根据目标在光环图中的视角，目测确定目标现在距离 ，而当光环稳定锁定目标时，炮管角速度即等于飞行目标角速度，而弹丸的平均速度由武器射进行插值计算可得，根据式（8）计算得出提前角 ，继而得出高角 。

四、火炮命中计算模型

高炮执行模拟射击后,需要进行射击命中解算。受训人员踩下激发踏板发射多发弹丸，在空中形成火力球面。模拟场景中飞行目标的速度矢量、目标现在位置已知；同时,火炮模拟发射的提前角、高角、射弹平均速度等射击诸元均已知，方程联立计算出飞行目标和射弹轨迹能否交会于一点，即完成命中解算。软件实现中，解算流程如图6所示。

图6　命中解算流程图

五、风速修正

实际射击中，风速影响射击精度。因此，在模拟器设计中需要考虑风速影响，对射击数学模型进行风速修正。

在全自动模式下，模拟风速仪输出风速矢量，直接将风速的影响分解到目标速度和炮弹速度，修正式（1）最终求解出提前角和高角。

在手动/半自动模式下，实装中没有风速仪，瞄准模型不需要进行风速修正；在命中解算中，根据软件设定的风速对目标速度和炮弹速度进行修正，从而计算命中信息。

六、结束语

本文分析了某型高炮火控原理，分别建立了全自动雷达跟踪模式、半自动陀螺瞄准具模式、手动模式这3种攻击模式下的火控模型。在模拟训练软件算法中，充分考虑到重力场和风场在命中计算模型中的影响，实际运用于某型高炮模拟器设计中，取得了较好的仿真效果。