CN115081251A - 一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法 - Google Patents

一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法 Download PDF

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CN115081251A CN202210959995.9A CN202210959995A CN115081251A CN 115081251 A CN115081251 A CN 115081251A CN 202210959995 A CN202210959995 A CN 202210959995A CN 115081251 A CN115081251 A CN 115081251A
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，基于考虑多因素的火炮弹道方程组，引入诸元误差，模拟射弹散布。然后利用仿真数据，分析影响射弹散布的因素，并经过非参数检验，确定了散布类型及其分布参数。最后，基于得出的射弹散布分布参数，进行模拟火炮打击，计算毁伤概率以及平均弹药消耗量，评估打击效果，为炮手发射和指挥员战术安排提供参考意见。

Description

一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法
技术领域
本发明属于电子信息技术，具体涉及一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法。
背景技术
近年来，虚拟现实技术的应用越来越广泛，已服务于气候、航天、通信、医学、化工、生物、社会经济系统等自然科学以及社会科学的各个领域。虚拟现实技术，具有开发周期短，可重复性强、费用低、环保和保密性强等优点。同时，虚拟现实技术也是作战和武器装备发展研究的必要环节和趋势。
虚拟现实技术在军事上的应用，也称为虚拟战场，就是用模拟的方式，再现战场上作战双方的作战行为和战斗的进程和结局。建立作战实验室，以全新的革命化的研究方式对改变战争的方法进行实验采用以作战模拟、虚拟模拟(包括模拟器模拟和虚拟现实技术)和实兵演练相结合的方法，对我军在未来多维联合作战环境中新的概念、作战思想和原则等课题进行研究、实验和评估，以寻求增强联合部队战斗力的方法和途径。
对于火炮武器系统这样一种复杂的高技术武器装备，系统仿真技术在武器系统的方案论证、优化设计、飞行试验预测、质量保证、试验定型以及作战效能评估等方面具有十分重要的作用，同时，作为作战武器的一种，其仿真技术模式和经验也可应用于其它武器仿真中。所以火炮系统仿真在作战实验室占有很重要的地位。
因而，应用虚拟技术模拟火炮打击具有切实可行的优势，并结合统计学的理论对打击效果进行评估可得出近似实战演练的效果。
发明内容
本发明提出了一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，在作战实验室条件下，基于火炮弹道模型，分析影响射弹散布的因素，并结合具体的分布类型及分布参数进行模拟射击，计算出射击效率，以评估火炮的打击效果。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，步骤如下：
步骤一：建立多因素影响的火炮弹道方程组，转入步骤二。
步骤二：基于火炮弹道方程组，确定火炮落点散布分布，转入步骤三。
步骤三：根据落点散布分布，计算平均弹药消耗量与毁伤概率，转入步骤四。
步骤四：根据平均弹药消耗量与毁伤概率，对火炮打击效果进行评估。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明在改造已有弹道模型的基础上，通过分析影响射弹散布的因素，得出散布的具体类型及参数，并进行主次因素分析。在此基础上，根据目标参数，寻求最佳的发射方案，评估打击效率，为炮手发射提供参考意见，或为指挥员战术安排提供参考意见。
附图说明
图1为本发明的基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法流程图。
图2为本发明的坐标落点示意图。
图3为本发明的射程分布直方图。
图4为本发明的射程非参数检验图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
结合图1，一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，步骤如下：
步骤一：建立多因素影响的火炮弹道方程组，具体如下：
考虑空气、有风条件、地球表面曲率及重力加速度随高度变化以及柯氏加速度因素时，火炮弹道方程组如下：
Figure 883522DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，以正东方向为X轴正方向，正南方向为Z轴正方向，垂直地面向上为Y轴正方向，建立直角坐标系。v x 、v y 、v z 为炮弹在直角坐标系下xyz三个方向的速度分量。(x, y, z)分别表示炮弹飞行过程中在直角坐标系下的坐标。t为炮弹飞行的时间。C为弹道系数。R为地球半径。地球自转角速度
Figure 69784DEST_PATH_IMAGE002
。
Figure 996151DEST_PATH_IMAGE003
为炮弹飞行过程中的仰角。
Figure 217048DEST_PATH_IMAGE004
为炮弹发射过程中相对于正北方向的方位角。w x 与w z 分别为X轴与Z轴两个方向的风速分量，g 0为炮弹所在地面的重力加速度，p为大气压强、g为随高度变化的重力加速度。ρ为炮弹所处高度的空气密度。H(y)为大气密度函数。
中间函数
Figure 570669DEST_PATH_IMAGE005
炮弹飞行线速度v r ：
Figure 244227DEST_PATH_IMAGE006
（2）
Figure 974286DEST_PATH_IMAGE007
为阻力系数，
当前环境下的音速c s ：
Figure 548224DEST_PATH_IMAGE008
（3）
其中，
Figure 72746DEST_PATH_IMAGE009
为实测的火炮飞行环境的温度值，气体常数
Figure 233600DEST_PATH_IMAGE010
，k为空气绝热指数，k=1.39。
大气密度函数
Figure 767350DEST_PATH_IMAGE011
为
Figure 697260DEST_PATH_IMAGE012
（4）
炮弹所处高度的空气密度
Figure 658263DEST_PATH_IMAGE013
。
Figure 306413DEST_PATH_IMAGE014
表示地面空气密度。
当起始条件
Figure 112695DEST_PATH_IMAGE015
时：炮弹X轴方向初速度
Figure 490586DEST_PATH_IMAGE016
，炮弹Y轴方向初速度
Figure 730813DEST_PATH_IMAGE017
，炮弹Z轴方向初速度
Figure 990893DEST_PATH_IMAGE018
，令
Figure 476232DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 505368DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 683539DEST_PATH_IMAGE021
是实测的地面气压值，
Figure 165336DEST_PATH_IMAGE022
为炮弹发射方位角；
Figure 454366DEST_PATH_IMAGE023
表示初始速度；
假设采样时间为
Figure 338009DEST_PATH_IMAGE024
，根据式（1）中的子式4-7计算出此时的x、y、z与p；并代入式（1）中子式1-3，得到下一个时刻的速度增量，进而得出v x ，v y 和v z ；依次类推，得到导弹运动轨迹。
转入步骤二。
步骤二：基于火炮弹道方程组确定火炮落点散布分布，具体如下：
S2.1、确定影响散布的因素及其分布：
从式（1）中可以看出，影响因素如下：
1）影响射程散布的主要因素有：射角纵向波动、初速偏差、温度偏差、气压偏差、湿度偏差、纵风偏差。
2）影响侧偏散布的主要因素有：射角横向波动、温度偏差、气压偏差、湿度偏差、横风偏差。
在研究落点散布分布前，需要明确上述各个因素的分布特性：
1）射角横向和纵向波动范围，可按波动范围分为四个等级，波动类型为高斯分布。
2）影响风速的因素很多，根据中心极限定理，可以认为其波动类型为高斯分布。
3）温度、气压、湿度等波动是由于测量产生的误差，也认为是高斯分布。
S2.2、确定散布的主次因素：
按照上述分析，采用蒙特卡洛仿真方法，利用式（1），逐个计算导弹各点位置信息，最后计算当火炮落地位置信息，可得结论如下：
1）当各因素波动幅度小于5%时，其对散布的影响近似服从线性关系；
2）射程越远，各影响因素波动对散布的影响越大；
3）在影响射程散布的因素中，初速偏差和纵风偏差是主要因素，其他为次要因素；
4）在影响侧偏散布的因素中，必须考虑横风偏差以及射角横向波动。
S2.3、确定火炮落点散布分布类型：
由于弹道方程涉及到多个因素，各个参数对落点的影响不是线性关系，因此可以采用蒙特卡洛仿真方法，实现对同一种火炮的落点的进行多次仿真，然后分析落点的具体情况。处理的方法如下：
1）假设影响弹道方程的因素个数为L，随机产生符合该分布的某因素取值的随机数集，数集中元素个数为M。将L个因素所有取值进行组合，形成一组仿真参数，个数为ML。
2）L为10-100，则ML随M的增加将激增，因此我们根据2.2分析得到的结论，仅对主要因素取值M个，其他非主要因素取值1个或3个。这样可大大降低仿真次数，个数为K，形成仿真参数集。
3）将仿真参数集的参数组逐一代入火炮弹道方程组，从而求出此时仿真的落点。记录该落点位置。
4）根据落点情况，绘制落点坐标以及射程的直方图，利用非参数检验，确定落点的分布。
模拟37mm高射炮的2000次发射实验，考虑各种因素同时作用，发射角纵向波动方差
Figure 185617DEST_PATH_IMAGE025
密位，发射角横向波动方差
Figure 154710DEST_PATH_IMAGE026
密位，初始速度方差
Figure 981851DEST_PATH_IMAGE027
，温度方差
Figure 251159DEST_PATH_IMAGE028
，气压方差
Figure 771133DEST_PATH_IMAGE029
，湿度方差
Figure 227522DEST_PATH_IMAGE030
，X轴方向风速方差
Figure 858355DEST_PATH_IMAGE031
，Z轴方向风速方差
Figure 451010DEST_PATH_IMAGE032
，则可得到落点坐标示意图及分布直方图如图2和图3所示。对射程进行非参数检验，结果如图4所示，曲线的线性程度很好，证明射程近似服从正态分布。
转入步骤三。
步骤三：根据落点散布分布，计算平均弹药消耗量与毁伤概率，具体如下：
3.1、根据落点散布分布参数，计算毁伤概率
Figure 640421DEST_PATH_IMAGE033
：
设诸元误差无系统误差，即诸元误差的散布中心通过目标中心，则
Figure 584106DEST_PATH_IMAGE034
（5）
Figure 18629DEST_PATH_IMAGE035
为诸元误差正态分布的密度函数，表达式为
Figure 731370DEST_PATH_IMAGE036
（6）
Figure 758549DEST_PATH_IMAGE038
为炮弹所处高度的空气密度；
Figure 731184DEST_PATH_IMAGE039
表示N发炮弹至少有一发能毁伤目标的条件毁伤概率。
在炮兵实际射击中，诸元误差总是有限的，在X轴与Z轴构成的落点平面上，积分限取为任意落点A的有限值范围为
Figure 564011DEST_PATH_IMAGE040
，若将上述范围分别等分n段，则使得对应的积分域分成
Figure 853083DEST_PATH_IMAGE041
个方格，
Figure 771360DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 547686DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 969440DEST_PATH_IMAGE044
为距离中间误差、
Figure 500916DEST_PATH_IMAGE045
为方位中间误差；设任意方格（i,j）的中心点为（x i , z j ），并以
Figure 516276DEST_PATH_IMAGE046
的分布密度
Figure 220927DEST_PATH_IMAGE047
代表该方格的分布密度，则
Figure 638133DEST_PATH_IMAGE048
（7）
其中，
Figure 402827DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 138439DEST_PATH_IMAGE050
，方格在X轴方向上的宽度
Figure 646781DEST_PATH_IMAGE051
，方格在Z轴方向上的宽度
Figure 918494DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 588509DEST_PATH_IMAGE053
。
3.2、根据落点散布分布参数，计算平均弹药消耗量：
若需达到规定的毁伤概率
Figure 578462DEST_PATH_IMAGE033
，可能需要发射不止一发炮弹，此时需要计算平均弹药消耗量，使得式（8）成立的最小N即为平均弹药消耗量：
Figure 359336DEST_PATH_IMAGE054
（8）
Figure 751135DEST_PATH_IMAGE055
表示发射一发炮弹的条件毁伤概率；N为整数。
转入步骤四。
步骤四：根据平均弹药消耗量与毁伤概率，对火炮打击效果进行评估。
毁伤概率的计算：以火箭炮射击为例。
目标与火炮距离D pm =18000m，射击诸元距离中间误差E d =105m，方向中间误差E f =126m，距离散布误差B d =96m，方向散布误差B f =134m，目标幅员S=2l d *2l f ，其中l d =200m，l f =300m，N=1，经解算，得到单发毁伤概率为0.4787。
若毁伤概率R N =0.9，得到平均弹药消耗量N=6发。
火炮作为一种火力覆盖大、破坏力强的常规武器，在现代战争中具有不可替代的作用。实施火炮打击时，由于存在弹道诸元误差，造成了射弹散布的现象。本发明基于考虑多因素的火炮弹道方程组，引入诸元误差，模拟射弹散布。然后利用仿真数据，分析影响射弹散布的因素，并经过非参数检验，确定了散布类型及其分布参数。最后，基于得出的射弹散布分布参数，进行模拟火炮打击，计算毁伤概率以及平均弹药量，评估打击效果，为炮手发射和指挥员战术安排提供参考意见。

Claims (6)

1.一种基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：建立多因素影响的火炮弹道方程组，转入步骤二；
步骤二：基于火炮弹道方程组，确定火炮落点散布分布，转入步骤三；
步骤三：根据落点散布分布，计算平均弹药消耗量与毁伤概率，具体如下：
3.1、根据落点散布分布参数，计算毁伤概率
Figure 105819DEST_PATH_IMAGE001
：
设诸元误差无系统误差，即诸元误差的散布中心通过目标中心，则
Figure 129270DEST_PATH_IMAGE002
（5）
Figure 216175DEST_PATH_IMAGE003
为诸元误差正态分布的密度函数，表达式为
Figure 830827DEST_PATH_IMAGE004
（6）
Figure 95903DEST_PATH_IMAGE006
为炮弹所处高度的空气密度；
Figure 37314DEST_PATH_IMAGE007
表示N发炮弹至少有一发能毁伤目标的条件毁伤概率；
在炮兵实际射击中，诸元误差总是有限的，在X轴与Z轴构成的落点平面上，积分限取为任意落点A的有限值范围为
Figure 822868DEST_PATH_IMAGE008
，若将上述范围分别等分n段，则使得对应的积分域分成
Figure 216940DEST_PATH_IMAGE009
个方格，
Figure 175669DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 971586DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 919252DEST_PATH_IMAGE012
为距离中间误差、
Figure 535041DEST_PATH_IMAGE013
为方位中间误差；设任意方格（i,j）的中心点为（x i , z j ），并以
Figure 297461DEST_PATH_IMAGE014
的分布密度
Figure 947885DEST_PATH_IMAGE015
代表该方格的分布密度，则
Figure 75241DEST_PATH_IMAGE016
（7）
其中，
Figure 709485DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 947699DEST_PATH_IMAGE018
，方格在X轴方向上的宽度
Figure 452630DEST_PATH_IMAGE019
，方格在Z轴方向上的宽度
Figure 813204DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 606848DEST_PATH_IMAGE021
；
3.2、根据落点散布分布参数，计算平均弹药消耗量
若需达到规定的毁伤概率
Figure 445491DEST_PATH_IMAGE001
，至少发射一发炮弹，此时需要计算平均弹药消耗量，使得式（8）成立的最小N即为平均弹药消耗量：
Figure 336086DEST_PATH_IMAGE022
（8）
Figure 802315DEST_PATH_IMAGE023
表示发射一发炮弹的条件毁伤概率；N为整数；
转入步骤四；
步骤四：根据平均弹药消耗量与毁伤概率，对火炮打击效果进行评估。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，其特征在于：步骤一：建立多因素影响的火炮弹道方程组，具体如下：
考虑空气、有风条件、地球表面曲率及重力加速度随高度变化以及柯氏加速度因素时，火炮弹道方程组如下：
Figure 145572DEST_PATH_IMAGE024
（1）
式中，以正东方向为X轴正方向，正南方向为Z轴正方向，垂直地面向上为Y轴正方向，建立直角坐标系；v x 、v y 、v z 为炮弹在直角坐标系下xyz三个方向的速度分量；(x, y, z)分别表示炮弹飞行过程中在直角坐标系下的坐标；t为炮弹飞行的时间；C为弹道系数；R为地球半径；地球自转角速度
Figure 522326DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 205112DEST_PATH_IMAGE026
为炮弹飞行过程中的仰角；
Figure 907488DEST_PATH_IMAGE027
为炮弹发射过程中相对于正北方向的方位角；w x 与w z 分别为X轴与Z轴两个方向的风速分量，g 0为炮弹所在地面的重力加速度，p为大气压强、g为随高度变化的重力加速度；ρ为炮弹所处高度的空气密度；H(y)为大气密度函数；
中间函数
Figure 472462DEST_PATH_IMAGE028
炮弹飞行线速度v r ：
Figure 856170DEST_PATH_IMAGE029
（2）
Figure 455779DEST_PATH_IMAGE030
为阻力系数，
当前环境下的音速c s ：
Figure 532319DEST_PATH_IMAGE031
（3）
其中，
Figure 584589DEST_PATH_IMAGE032
为实测的火炮飞行环境的温度值，气体常数
Figure 568725DEST_PATH_IMAGE033
，k为空气绝热指数，k=1.39；
大气密度函数
Figure 229032DEST_PATH_IMAGE034
为
Figure 273212DEST_PATH_IMAGE035
（4）
炮弹所处高度的空气密度
Figure 750460DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 272709DEST_PATH_IMAGE037
表示地面空气密度；
当起始条件
Figure 846909DEST_PATH_IMAGE038
时：炮弹X轴方向初速度
Figure 999673DEST_PATH_IMAGE039
，炮弹Y轴方向初速度
Figure 292114DEST_PATH_IMAGE040
，炮弹Z轴方向初速度
Figure 555737DEST_PATH_IMAGE041
，令
Figure 250023DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure 370426DEST_PATH_IMAGE043
，
Figure 822267DEST_PATH_IMAGE044
是实测的地面气压值，
Figure 951897DEST_PATH_IMAGE046
为炮弹发射方位角；
Figure 435443DEST_PATH_IMAGE047
表示初始速度；
假设采样时间为
Figure 992327DEST_PATH_IMAGE048
，根据式（1）中的4-7子式计算出此时的x、y、z与p；并代入式（1）中1-3子式，得到下一个时刻的速度增量，进而得出v x ，v y 和v z ；依次类推，得到导弹运动轨迹。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，其特征在于：步骤二中，基于火炮弹道方程组，确定火炮落点散布分布，具体如下：
S2.1、确定影响散布的因素及其分布；
S2.2、确定散布的主次因素；
S2.3、确定火炮落点散布分布类型。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，其特征在于，S2.1、确定影响散布的因素及其分布，具体如下：
1）影响射程散布的主要因素有：射角纵向波动、初速偏差、温度偏差、气压偏差、湿度偏差、纵风偏差；
2）影响侧偏散布的主要因素有：射角横向波动、温度偏差、气压偏差、湿度偏差、横风偏差；
在研究落点散布分布前，需要明确上述各个因素的分布特性：
1）射角横向和纵向波动范围，按波动范围分为四个等级，波动类型为高斯分布；
2）根据中心极限定理，认为影响风速的因素波动类型为高斯分布；
3）温度、气压、湿度波动是由于测量产生的误差，也认为是高斯分布。
5.根据权利要求3所述的基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，其特征在于，S2.2、确定散布的主次因素，具体如下：
采用蒙特卡洛仿真方法，利用式（1），逐个计算导弹各点位置信息，最后计算当火炮落地位置信息，散布的主次因素如下：
1）当各因素波动幅度小于5%时，其对散布的影响近似服从线性关系；
2）射程越远，各影响因素波动对散布的影响越大；
3）在影响射程散布的因素中，初速偏差和纵风偏差是主要因素，其他为次要因素；
4）在影响侧偏散布的因素中，必须考虑横风偏差以及射角横向波动。
6.根据权利要求3所述的基于虚拟战场的火炮打击效果评估方法，其特征在于，S2.3、确定火炮落点散布分布类型，具体如下：
1）假设影响弹道方程的因素个数为L，随机产生符合该分布的某因素取值的随机数集，数集中元素个数为M；将L个因素所有取值进行组合，形成一组仿真参数，个数为ML；
2）L为10-100，则ML随M的增加将激增，根据散布的主次因素分析得到的结论，仅对主要因素取值M个，次要主要因素取值1个或3个；仿真次数为K，形成仿真参数集；
3）将仿真参数集的参数组逐一代入火炮弹道方程组，从而求出此时仿真的落点，记录该落点位置；
4）根据落点情况，绘制落点坐标以及射程的直方图，利用非参数检验，确定落点的分布。
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