CN111664743A - 舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统及自动报靶方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统及自动报靶方法，系统包括内置解算软件的上位机、信号接收装置、四个传感器载具、传感器阵列、传感器前置放大器、单片机预处理电路、定位装置和信号发送装置。本发明中，舰炮向虚拟目标射击后，传感器载具将接收震波的时刻发送至上位机，根据各个传感器载具接收到震波的时刻及其时间差即可解算出实际的炮弹落点坐标。本发明的系统成本低、精度高、高度自动化、便于携带、布设及回收；报靶方法能够提前校正火炮射击精度、提高训练时的报靶效率和精度以及安全性、降低训练成本。本发明属于军事训练设备技术领域和水声学技术领域，用于海军舰艇通用射击训练及远洋巡航时的辅助训练。

Description

舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统及自动报靶方法
技术领域
本发明属于军事训练设备技术领域和水声学技术领域，用于海军远洋或近海军事训练中舰炮实弹射击报靶，具体地说是一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统及自动报靶方法。
背景技术
远洋或近海舰炮实弹射击训练是海军的训练科目之一。舰炮对海虚拟射是提高对海上目标射击精度的有效手段，可以省略对目标试射直接效力射，对提高作战效能具有重要意义。舰炮对海传统虚拟射虚拟点相对射击舰距离和方位角固定不变，虚拟点相对射击舰静止，射击舰保持航向航速不变，但是，舰艇受风、流、涌等条件的影响，实际航迹线航向航速与预计航向航速不一致，导致虚拟射精度下降。
黄义、王建明、余家祥发表的名称为“舰炮对海基于舰位经纬度坐标虚拟射”的论文中，提出舰炮对海基于舰位经纬度坐标虚拟射新方法，利用舰载雷达测量弹着水柱距离与舷角，结合舰位经纬度坐标和航向计算弹着水柱经纬度坐标，以舰炮发射点为原点在绝对坐标系中解算弹着水柱相对虚拟点距离偏差和方向偏差，与传统虚拟射方法相比，射击精度受海况条件影响小，精度更高，射程越远精度优势越明显。该方法主要缺陷在于使用舰载雷达测量弹着点水柱位置。当前我国的054/054A、056等护卫舰上使用的基本都是76毫米主舰炮，射速在120发/分钟左右，即2发/秒。当舰炮连续射击时，在弹丸落点集中的情况下，落点水柱密集，雷达回波聚集在一起，大概率会将多个落点辨识为单个落点。何况在海况恶劣时，海浪的干扰也不容忽视。鉴于上述原因，此方法实际使用效果差。
张辉发表的“基于舰载光电跟踪仪的舰炮对海射击报靶方法”论文中，提出了一种利用舰载光电跟踪仪交汇测量方法。该方法采用靶船一艘及观察舰艇二艘，对海射击训练时，将两条观察舰艇布在靶船航线两侧前方，与靶船等速同行，用光电跟踪仪瞄准观测靶船中心进行跟踪拍摄，调整视场宽度，使其在跟踪靶船的同时还能观测到靶船前后一定范围内的弹着点在海面激起的水柱。观察舰艇上的光电跟踪仪在跟踪靶船时要对准靶船中心，当有弹着点水柱时可以测得其偏角，同时由于靶船的长、宽、高均为已知，由数字图像处理技术可以确定水柱距靶船中心距离在光电相机平面上的投影长度。通常条件下靶船航向与光电相机平面存在一定夹角，靶船在光电相机平面上的投影长度为实际长度的余弦，从而求出靶船与光电相机平面的夹角。根据该夹角、弹着点水柱偏角和水柱距靶船中心距离在光电相机平面上的投影长度可以求出以靶船中心为中心的平面直角坐标系下的弹着点直线方程。同理另一舰艇的光电跟踪仪也可观测求出另一条弹着点直线方程。两直线相交即可求出该弹着点在该直角坐标系下的坐标，即相对靶船中心的脱靶量。该方法的缺陷在于射击训练时须有靶船及观察船配合，增加了训练成本，在舰队远洋训练或护航时加重了携带配套设备的压力。同时观察船上的光电跟踪仪须人工操作，获得的数据须人工解算，缺乏实时性，自动化程度低。
考虑到海军远洋训练和远洋护航时兼顾设计训练的需求，如果研究制造一种低成本、高精度、高度自动化、便于携带和布设及回收的舰炮射击报靶系统，将会极大地提高虚拟射训练的精度和效率。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统，其结构简单，布设和撤收方便，坚固耐用，具有高可靠性，适合部队训练现场严酷环境使用；
本发明还有一个目的，是要提供一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶方法，该方法采用非接触实时报靶方式，在弹丸爆炸后可即时计算出弹丸位置及着靶时刻，由此立即计算出射击误差，及时修正火炮诸元，可方便快捷地提前校正火炮射击精度，亦可大大提高海军舰炮射击训练及演习的报靶效率和精度以及安全性，同时降低了训练成本。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统，包括内置解算软件的上位机、信号接收装置和第一～第四传感器载具A0～A3，每个传感器载具分别安装有与之对应的传感器阵列、传感器前置放大器、单片机预处理电路、定位装置和信号发送装置；
定位装置通过信号接收装置与上位机相连，定位装置将其当前位置发出之后、由信号接收装置接收并发送至上位机；
所述传感器阵列的输出端通过传感器前置放大器与单片机预处理电路相连，单片机预处理电路通过信号发送装置与信号接收装置相连、进而与上位机相连，传感器阵列接收震波信号后输出相应的数据至传感器前置放大器，传感器前置放大器将收到的数据放大之后输出至单片机预处理电路，单片机预处理电路将收到的数据预处理之后通过信号发送装置、信号接收装置发送至上位机；
上位机结合收到的数据和位置信号，利用内置解算软件计算得出结论。
作为限定：第一～第四传感器载具A0～A3采用第一～第四遥控小艇B0～B3、第一～第四人工驾驶的小艇C0～C3，或者第一～第四自带动力的浮标装置D0～D3。
作为进一步限定：所述第一～第四自带动力的浮标装置D0～D3为第一～第四传感浮标Q0～Q3；
所述第一～第四传感浮标Q0～Q3结构相同，为中空圆柱形壳体结构，包括自上而下依次设置的浮子舱、控制舱、动力舱、传感器舱和电池舱；
所述定位装置包括GPS/北斗定位模块和天线，传感器阵列包括N个传感器，所述天线和信号发送装置设置在浮子舱内，传感器前置放大器、单片机预处理电路和GPS/北斗定位模块设置在控制舱内，动力舱内设置有动力装置，N个传感器于传感器舱的侧壁上周向均匀排列，电池舱内设置有电源；
其中，4≤N≤8。
作为第二种限定：所述信号接收装置采用无线数传电台或北斗系统短报文接收装置，信号发送装置采用无线数传电台或北斗系统短报文发送装置。
一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶方法，采用上述的舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统实现，该方法按照以下步骤顺序进行，
一、在上位机中设定海上虚拟射击目标的坐标为PT( XT,YT )，同时将第一～第四传感器载具A0～A3随机设在海上虚拟射击目标坐标附近的海面上，第一～第四传感器载具A0～A3通过各自对应的定位装置确定各自同步的时钟及坐标(X0,Y0)、(X1,Y1) (X2,Y2) (X3,Y3)并发送至上位机；
二、训练中，指挥舰炮瞄准海上虚拟射击目标射击，实际的炮弹落点坐标为P(X,Y)；
三、第一～第四传感器载具A0～A3通过各自对应的传感器阵列实时检测炮弹爆炸时在海水中产生的震波，并分别将震波由实际的炮弹落点坐标P(X,Y)传输至第一～第四传感器载具A0～A3的时间T0～T3发送至上位机；
四、上位机通过内置解算软件计算出实际的炮弹落点坐标P(X,Y)以及震波在海水中的传播速度VS。
作为限定：完成步骤四之后，根据实际的炮弹落点坐标P(X,Y)进一步计算得出射击误差为EX=X-XT；EY=Y-YT。
作为限定：所述步骤四包括以下步骤，
A1、计算炮弹落点P(X,Y)至第一～第四传感器载具Ai(Xi,Yi)的距离Li，则Li=
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
式Ⅰ；
计算震波由炮弹落点P(X,Y)传输至第一～第四传感器载具Ai(Xi,Yi)的时间
Figure 204444DEST_PATH_IMAGE002
，则
Figure 26907DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 44673DEST_PATH_IMAGE004
式Ⅱ，
A2、计算震波由炮弹落点P(X,Y)传输至AJ(XJ,YJ)(J=1,2,3)的时间与传输至A0(X0,Y0)的时间之差为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
=
Figure 118939DEST_PATH_IMAGE006
式Ⅲ；
A3、由式Ⅲ解出的X、Y、VS值即得实际的炮弹落点坐标P(X,Y)以及震波在海水中的传播速度VS；
步骤A1-A3中，i=0,1,2,3，J=1,2,3。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
（1）本发明充分考虑了海军远洋训练和远洋护航时兼顾设计训练的需求，提供的报靶系统低成本、精度高、高度自动化、便于携带、布设及回收；
（2）本发明提供的报靶系统坚固耐用、具有高可靠性，适合部队训练现场严酷环境使用；
（3）本发明的传感器载具为遥控小艇、人工驾驶的小艇或者自带动力的浮标装置，形式多样，适用性强；
（4）本发明的传感器载具设置动力舱，能够为传感器载具提供动力，可微调传感器载具位置，以便传感器载具布设后保持位置基本不变，进而提高了报靶系统的精确度；
（5）本发明的传感器载具设置传感器舱，沿传感器舱周向均匀分布四至八个传感器，以保证任何方向传来的震波信号均能被可靠收到并处理；
（6）本发明的传感器载具为一个整体，结构简单，体积和重量小，便于军舰携带和保管，保养性好；使用时由直升机或快艇布设或自行驾驶布设于相应位置，方便布设；射击完毕后，派出快艇或直升机根据定位装置发出的位置，可方便地回收传感浮标，撤收时易寻找，不易丢失；
（7）本发明提供的报靶系统和报靶方法，通用性好，适用于多种口径和射速的舰炮报靶；
（8）本发明提供的报靶方法属于非接触实时报靶，弹丸爆炸后，能够即时计算出弹丸位置及着靶时刻，由此立即计算出射击误差，及时修正火炮诸元，采用一发弹即可实现修正目的；尤其在战时，能够方便快捷地提前校正火炮射击精度，亦可大大提高海军舰炮射击训练及演习的报靶效率和精度以及安全性，同时降低了训练成本。
本发明属于军事训练设备技术领域和水声学技术领域，可广泛用于海军舰艇通用射击训练及远洋巡航时的辅助训练。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例1的传感浮标的结构示意图；
图2为本发明实施例2的计算方法中的坐标图。
图中：1、浮子舱，2、控制舱，3、动力舱，4、传感器舱，5、电池舱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1 一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统
本实施例包括内置解算软件的上位机、信号接收装置和第一～第四传感器载具A0～A3。本实施例中第一～第四传感器载具A0～A3为第一～第四传感浮标Q0～Q3。
每个传感器载具上分别安装有对应的传感器阵列、传感器前置放大器、单片机预处理电路、定位装置和信号发送装置。
定位装置通过信号接收装置与上位机相连，定位装置将其当前位置发出之后、由信号接收装置接收并发送至上位机。传感器阵列的输出端通过传感器前置放大器与单片机预处理电路相连，单片机预处理电路通过信号发送装置与信号接收装置相连、进而与上位机相连，传感器阵列接收震波信号后输出相应的数据至传感器前置放大器，传感器前置放大器将收到的数据放大之后输出至单片机预处理电路，单片机预处理电路将收到的数据预处理之后通过信号发送装置、信号接收装置发送至上位机。上位机结合收到的数据和位置信号，利用内置解算软件计算得出结论。
本实施例中，定位装置包括北斗定位模块和天线，信号接收装置采用北斗系统短报文接收装置，信号发送装置采用北斗系统短报文发送装置，传感器阵列包括八个传感器。实际使用时，信号接收装置和信号发送装置均可采用无线数传电台。
为了描述方便，本实施例中以第一～第四传感浮标结构相同为例进行说明。如图1所示，第一～第四传感浮标均为中空圆柱形壳体结构，包括自上而下依次设置的浮子舱1、控制舱2、动力舱3、传感器舱4和电池舱5。定位天线和通讯天线设置在浮子舱1内，浮子舱1为传感浮标提供浮力；传感器前置放大器、单片机预处理电路和北斗定位模块设置在控制舱2内；控制舱2内还设置有控制装置，动力舱3内设置有动力装置，动力装置包括两个电动螺旋桨，通过两个电动螺旋桨为传感浮标提供动力，；八个传感器于传感器舱4的侧壁上周向均匀排列，以保证任何方向传来的震波信号均能可靠收到并处理；电池舱5内设置有电源，为传感浮标上的其他部件提供电源。
通过射击舰为传感浮标设定位置坐标，当传感浮标受海流或风力等外界干扰偏离指定位置时，传感浮标上的定位装置测得偏移量后由浮标自带的控制装置驱动两个电动螺旋桨，通过差动调节两个螺旋桨的转速从而调整传感浮标的移动方向和速度，由此可微调传感浮标位置，以便传感浮标布设后保持位置基本不变。
实际使用时还可将北斗定位模块换成GPS定位模块。本实施例只是以传感器阵列包括八个传感器为例进行说明，实际使用时可以根据需要改变传感器的数量，传感器数量采用四到八个为最优选择。
实际使用时，第一～第四传感器载具A0～A3还均可采用遥控小艇、人工驾驶的小艇或者其他自带动力的浮标装置。
实施例2 一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶方法
本实施例采用实施例1来实现，按照以下步骤顺序进行，
一、在上位机中设定海上虚拟射击目标的坐标为PT( XT,YT )，用直升机或快艇将第一～第四传感浮标随机设在海上虚拟射击目标附近的海面上；
二、第一～第四传感浮标Q0～Q3通过各自对应的定位装置确定各自同步的时钟及坐标(X0,Y0)、(X1,Y1) (X2,Y2) (X3,Y3)并发送至上位机；
二、训练中，指挥舰炮瞄准海上虚拟射击目标射击，由于射击存在误差，实际的炮弹落点坐标为P(X,Y)；
三、第一～第四传感浮标Q0～Q3通过各自对应的传感器阵列实时检测炮弹爆炸时在海水中产生的震波，并分别将震波由实际的炮弹落点坐标P(X,Y)传输至第一～第四传感浮标Q0～Q3的时间T0～T3发送至上位机；
四、上位机通过内置解算软件计算出实际的炮弹落点坐标P(X,Y)以及震波在海水中的传播速度VS，根据实际的炮弹落点坐标P(X,Y)进一步计算得出射击误差为EX=X-XT；EY=Y-YT；
五、射击完毕后，派出快艇或直升机根据传感浮标定位装置发出的位置，回收传感浮标。
上述过程中，步骤四包括以下步骤，
A1、计算炮弹落点P(X,Y)至第一～第四传感浮标Qi(Xi,Yi)的距离Li，则Li=
Figure 725501DEST_PATH_IMAGE001
式Ⅰ；
计算震波由炮弹落点P(X,Y)传输至第一～第四传感浮标Qi(Xi,Yi)的时间
Figure 718865DEST_PATH_IMAGE002
，则
Figure 410877DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure 85572DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 608957DEST_PATH_IMAGE004
式Ⅱ，
A2、计算震波由炮弹落点P(X,Y)传输至QJ(XJ,YJ)(J=1,2,3)的时间与传输至Q0(X0,Y0)的时间之差为
Figure 976485DEST_PATH_IMAGE005
=
Figure 155793DEST_PATH_IMAGE006
式Ⅲ；
A3、由式Ⅲ解出的X、Y、VS值即得实际的炮弹落点坐标P(X,Y)以及震波在海水中的传播速度VS；
步骤A1-A3中，i=0,1,2,3，J=1,2,3。
本实施例的计算过程，将第一～第四传感浮标Q0～Q3近似为同一水平面。若欲做更精确的计算，也可进行球面修正。
同样的，如果传感器载具采用其他自带动力的浮标装置，也是通过直升机或快艇布设和回收；如果传感器载具采用遥控小艇或人工驾驶的小艇，则通过遥控或者人工驾驶的方式进行布设、回收。

Claims (7)

1.一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统，其特征在于：包括内置解算软件的上位机、信号接收装置和第一～第四传感器载具A0～A3，每个传感器载具分别安装有与之对应的传感器阵列、传感器前置放大器、单片机预处理电路、定位装置和信号发送装置；
定位装置通过信号接收装置与上位机相连，定位装置将其当前位置发出之后、由信号接收装置接收并发送至上位机；
所述传感器阵列的输出端通过传感器前置放大器与单片机预处理电路相连，单片机预处理电路通过信号发送装置与信号接收装置相连、进而与上位机相连，传感器阵列接收震波信号后输出相应的数据至传感器前置放大器，传感器前置放大器将收到的数据放大之后输出至单片机预处理电路，单片机预处理电路将收到的数据预处理之后通过信号发送装置、信号接收装置发送至上位机；
上位机结合收到的数据和位置信号，利用内置解算软件计算得出结论。
2.根据权利要求1所述的舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统，其特征在于：第一～第四传感器载具A0～A3采用第一～第四遥控小艇B0～B3、第一～第四人工驾驶的小艇C0～C3，或者第一～第四自带动力的浮标装置D0～D3。
3.根据权利要求2所述的舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统，其特征在于：所述第一～第四自带动力的浮标装置D0～D3为第一～第四传感浮标Q0～Q3；
所述第一～第四传感浮标Q0～Q3结构相同，为中空圆柱形壳体结构，包括自上而下依次设置的浮子舱、控制舱、动力舱、传感器舱和电池舱；
所述定位装置包括GPS/北斗定位模块和天线，传感器阵列包括N个传感器，所述天线和信号发送装置设置在浮子舱内，传感器前置放大器、单片机预处理电路和GPS/北斗定位模块设置在控制舱内，动力舱内设置有动力装置，N个传感器于传感器舱的侧壁上周向均匀排列，电池舱内设置有电源；
其中，4≤N≤8。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统，其特征在于：所述信号接收装置采用无线数传电台或北斗系统短报文接收装置，信号发送装置采用无线数传电台或北斗系统短报文发送装置。
5.一种舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶方法，采用权利要求1-4任意一项所述的舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶系统实现，其特征在于：该方法按照以下步骤顺序进行，
一、在上位机中设定海上虚拟射击目标的坐标为PT( XT,YT )，同时将第一～第四传感器载具A0～A3随机设在海上虚拟射击目标坐标附近的海面上，第一～第四传感器载具A0～A3通过各自对应的定位装置确定各自同步的时钟及坐标(X0,Y0)、(X1,Y1) (X2,Y2) (X3,Y3)并发送至上位机；
二、训练中，指挥舰炮瞄准海上虚拟射击目标射击，实际的炮弹落点坐标为P(X,Y)；
三、第一～第四传感器载具A0～A3通过各自对应的传感器阵列实时检测炮弹爆炸时在海水中产生的震波，并分别将震波由实际的炮弹落点坐标P(X,Y)传输至第一～第四传感器载具A0～A3的时间T0～T3发送至上位机；
四、上位机通过内置解算软件计算出实际的炮弹落点坐标P(X,Y)以及震波在海水中的传播速度VS。
6.根据权利要求5所述的舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶方法，其特征在于：完成步骤四之后，根据实际的炮弹落点坐标P(X,Y)进一步计算得出射击误差为EX=X-XT；EY=Y-YT。
7.根据权利要求5或6所述的舰炮虚拟目标海上实弹射击自动报靶方法，其特征在于：所述步骤四包括以下步骤，
A1、计算炮弹落点P(X,Y)至第一～第四传感器载具Ai(Xi,Yi)的距离Li，则Li=
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式Ⅰ；
计算震波由炮弹落点P(X,Y)传输至第一～第四传感器载具Ai(Xi,Yi)的时间
Figure 879528DEST_PATH_IMAGE002
，则
Figure 734352DEST_PATH_IMAGE002
=
Figure DEST_PATH_IMAGE003
=
Figure 389455DEST_PATH_IMAGE004
式Ⅱ，
A2、计算震波由炮弹落点P(X,Y)传输至AJ(XJ,YJ)(J=1,2,3)的时间与传输至A0(X0,Y0)的时间之差为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
=
Figure 722347DEST_PATH_IMAGE006
式Ⅲ；
A3、由式Ⅲ解出的X、Y、VS值即得实际的炮弹落点坐标P(X,Y)以及震波在海水中的传播速度VS；
步骤A1-A3中，i=0,1,2,3，J=1,2,3。
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