一种基于闭环校射系统的局部战场平均风快速确定方法

技术领域

本发明属于外弹道学弹道修正理论、炮兵射击学、火炮武器系统应用领域，特别是一种基于闭环校射系统的局部战场平均风快速确定方法。

背景技术

地炮闭环校射系统是一种能够自动测得弹丸落点坐标并进行自动校射的系统。在该系统中，弹丸在飞行过程中可实时测得自身的位置和速度等信息，并发回火炮阵地进行解算得到落点坐标和射击诸元偏差量，进而调整火炮进行下一次更精确的射击。

在火炮射击中，气象条件是影响火炮射击精度的重要因素。实际的风速和风向是沿高度变化的，在弹道学中，为了便于修正，往往用一个不变的平均风(横风和纵风)来代替随高度变化的平均风，使其对射程和侧偏产生的效果相同。在射击开始诸元解算、弹道修正中，特别是应用微分法修正弹道过程中，平均风扮演着极其重要的角色。在传统方法中，通常采用准确层权或近似层权来计算平均风。当测量得到高空气象数据后，这种方法将弹道分为多层，每层赋予不同的权重，将不同高度的风进行加权处理，得到平均风。采用传统方法计算得到的平均风是一个恒定的风，不随高度变化，同时也不随距离变化。然而，随着武器装备射程越来越远，从发射点到目标点之间的气象变化较大。在目前即使是远程火炮在100多公里的范围内，由于地形、气团和阵风的影响，气象条件随距离的变化规律仍相当复杂。因此，用全程不变的平均风来代替整个弹道的气象诸元将会产生很大的误差，给射击开始诸元解算、弹道修正带来不利影响。特别地，当没有高空气象的测量数据时，即使是对于含有误差的平均风，传统方法也是难以计算的。

因此，目前急需一种更高精度的平均风确定方法，特别是在没有实测高空气象的情况下，依然能够获得比较准确的平均风，但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的是在无高空实测气象数据的条件下，为如何快速确定局部战场平均风，特别是随距离变化的平均风，提供一种解决方案，以此为基础，形成闭环校射系统平均风求解方法，为提高射击准确度提供基础。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于闭环校射系统的局部战场平均风快速确定方法，包括以下步骤：

建立包含时变局部平均风的弹道运动方程组：将纵风w

建立局部平均风弹道优化模型：将时变的纵风w

对局部平均风弹道优化模进行离散化处理；

对校射头测量数据进行重构：在滑动窗口内首先利用测量数据拟合最佳弹道，然后利用拟合得到的弹道计算出伪谱离散点上的数据值；

采用优化算法求解离散后的非线性规划问题，最终得到最优的局部平均风。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明拓展和补充了现有平均风确定方法，不再将纵风和横风当做常值来处理，充分考虑了平均风随弹道距离的变化特性，可高效捕获平均风在弹箭飞行过程中的变化规律，在无实测高空气象条件下，实现对平均风的良好逼近。

(2)本发明主要面向地炮闭环校射系统，重点考虑该系统会存在通讯数据丢失的问题，提出了基于弹道模型的校射头回传数据重构方法，最大程度降低无线通讯数据丢失所对平均风的求解带来的不利影响。

附图说明

图1为弹道数据重构示意图。

图2为弹道数据重构流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本发明的技术方案可描述为：①准备气象数据；②开展闭环校射系统综合试验，获取试验数据；③建立包含时变平均风的弹道运动方程组；④以时变的平均风作为虚拟控制变量，建立一种局部平均风弹道优化模型；⑤对局部平均风弹道优化模型进行离散化处理；⑥建立一种基于弹道模型的校射头测量数据重构方法；⑦采用优化算法求解离散后的非线性规划问题，最终得到最优的局部平均风。

步骤1：准备气象数据

测量当地海拔、地面气温和气压值，依据标准气象规律，将地面气温气压外按高度进行外推，得到不同高度下的气温气压值。

步骤2：开展闭环校射系统综合试验

开展闭环校射系统综合试验。记录如下数据：

a)弹丸结构参数及气动参数；

c)实测弹重值；

d)实际射角、射向；

e)实测初速；

f)根据校射头回传的弹丸卫星数据，获取以炮口为原点的地面坐标系中的弹丸飞行全弹道数据实测值。

步骤3：建立包含时变局部平均风的弹道运动方程组

考虑到计算精度和计算速度的要求，以四自由度弹道模型作为弹道计算模型。四自由度弹道模型的状态变量为：

式中，v

式中，v

式中：

x

a

其中m″

步骤4：建立局部平均风弹道优化模型

本发明的主要目的是，根据测量得到的弹道数据，确定出随弹丸飞行时间变化的参数w

步骤5：对局部平均风弹道优化模进行离散化处理

式(4)为连续形式的弹道优化模型，本小节采用Radau伪谱法对该模型进行离散，以便于后续求解。首先，引入变量

式中

式中，L

对近似状态变量(式(6)所示)求导，得到状态变量在离散点τ

式中，D

式中F

通过上述转换，式(5)中连续形式的动力学方程约束在节点τ

经过上述转换，将连续的弹道优化模型离散为如下的非线性规划问题：

步骤6：对校射头测量数据进行重构

连续形式的弹道优化问题(5)离散为非线性规划问题(11)是在离散点τ

1)设置滑动窗口的长度L

2)以当前伪谱离散点τ

3)在滑动窗口内利用测量数据最小二乘拟合弹道，具体方法如下：

a)以滑动窗口起点作为初值，给定默认阻力系数值；

b)积分质点弹道方程直至窗口结束点时刻；

c)利用积分得到的弹道数据和实测弹道数据，计算二者的残差；

d)判断残差值是否达到最小值，如否，重新调整阻力系数值，重复b)～d)；如已达到最小值，则结束计算。

4)在得到最佳拟合弹道后，计算拟合弹道上τ

5)遍历所有伪谱离散点τ

上述校射头测量数据重构流程如图2所示。

步骤7：数值求解局部平均风优化问题

经过Radau伪谱法离散、弹道测量数据重构后，下面就可以对非线性规划问题(11)进行求解，得到各离散节点上虚拟控制量的值，进而得到纵风w