基于测量误差的CCIP命中精度仿真分析

2022-06-06欧阳寰杨明绪吕鑫燚

仪器仪表用户 2022年6期

欧阳寰，李林，杨明绪，吕鑫燚

（海军航空大学青岛校区，山东青岛 266041）

0 引言

随着科技不断发展，不仅给人们的生活带来了极大的便利，也为制造各种新式武器和增强国防实力提供了技术基础。未来的战场必将是信息化的战场，各武器、各攻击方式协同作战才能发挥最大的作战实力。在现代战争中，空对地攻击仍是海空军最主要的战术策略之一，只有最大限度地破坏敌方指挥站、通讯站等地面目标，才能以最少代价获得战争的胜利。

连续计算命中点（Continuously Computed Impact Point，以下简称CCIP）是现代作战飞机挂载航空炸弹实施空对地攻击常用方式之一[1]。由于各种原因，计算的命中点与实际爆炸点之间会存在偏差。为减少偏差，提高CCIP 的攻击效率，可通过现代技术手段从源头上减少误差[2-5]。影响火控计算精度的因素众多，各因素之间或多或少存在关联。本文将从CCIP 瞄准机理和航空武器系统相关设备上寻找误差源，进一步分析误差规律并建立误差数学模型，通过MATLAB 仿真得出CCIP 攻击方式在不同环境和不同目标的最佳使用范围。飞行员可以通过这一范围更好地捕捉攻击目标，提高命中概率，同时也可以对突发情况做出相应的处理，针对不同情况下的目标采取相应的攻击条件，提高了部队整体战斗力。

1 CCIP瞄准机理

1.1 CCIP工作过程

CCIP 瞄准原理是目前主战机型平视火控设备实施轰炸或进行空对地攻击时普遍采用的一种瞄准原理[5]。

CCIP 的主要工作过程是：机载火控计算机根据攻击机飞行高度H、俯冲角λ、飞行空速V1、弹道参数和风速风向等攻击条件[6]，连续计算出如果当前时刻投弹，该炸弹在地面上的命中点的位置，并以命中点标志符号在平视显示器上显示出来，如图1。

图1 CCIP水平轰炸平视显示器典型画面Fig.1 Typical screen of CCIP horizontal bombing HUD

飞行员操纵飞机机动，通过平视显示器观察命中点位置，先用炸弹落下线压住目标，然后使目标沿着炸弹落下线的方向向命中点移动，完成方向瞄准，再继续保持这个方向水平等速飞行，等目标和命中点重合时，完成距离瞄准，即可将炸弹投下。

1.2 CCIP解算模型

为了便于分析，减少各误差因素互相干扰，先假定俯冲角λ=0°，画出航向坐标系中的水平轰炸瞄准图，表示投弹瞬间攻击机、目标、炸弹三者相互位置和运动关系的几何图形，如图2。

图2 (OXYZ)H航向坐标系中的水平轰炸瞄准图Fig.2 (OXYZ)HHorizontal bombing aiming diagram in the heading coordinate system

从图2 中可以看到，飞机速度矢量V1和X 轴指向相同，Y 轴指向飞机右翼，飞行员观察命中点C，形成瞄准线。在投弹点O 处用瞄准线瞄准目标M 并投下炸弹，经过炸弹落下时间T 后，炸弹命中目标M。

命中点C 的位置，可以用（OXYZ）H坐标系中的3 个坐标表示，即

式中，A0—炸弹无风射程；T—炸弹落下时间。

A0和T 都是投弹高度H、投弹速度V1、炸弹标准落下时间Θ 的函数，可由轰炸弹道表查出，而对于某型弹来说，炸弹标准落下时间Θ 是一定的，而最后影响投弹命中精度的主要因素有高度H、速度V1、风速U 和风向角ε。其中，风速U、风向角ε是通过测量偏流角α的方式间接得到的，在此不作详细介绍。本文主要考虑高度和速度测量误差对命中精度的影响。

2 测量误差分析

从炸弹发射到炸弹爆炸的过程中，会有各种各样的因素影响武器弹药的命中精度，在平显上的命中点位置与实际爆炸点位置之间总是有一定偏差。这就造成了武器弹药不能准确地消灭目标，要去除这些偏差是没有办法的。因此，进行误差分析的目标就是掌握造成这些偏差的原因特性，然后通过合理的措施，尽可能地降低偏差造成的影响，以满足战场对命中精度的要求。为了对这些偏差进行全方面地、细致地研究，就必须去定义这种偏差，而在进行分析研究时，往往把这种偏差称之为误差。

2.1 误差分类

按误差的特点和性能，误差可分为系统误差、随机误差以及粗大误差3 类。

系统误差：在同一条件下多次测量时，误差的数值保持不变或按一定规律变化，往往因为系统原理形成的称为系统误差。

随机误差：在同一条件下对某变量进行测量时，其值随意变化且没有任何规律的误差称为随机误差[7]。

随机误差最主要的特征就是具有抵偿性，即当测量次数变大的时候，随机误差的算术平均值会趋近于0，只要有抵偿性的误差都可以看作随机误差。但要记住一点，不是所有随机变化的误差都是随机误差，这两者不是互等的关系，还是要看这个误差具不具备抵偿性。

粗大误差：故意写错测量结果或结果有明显错误的误差称为粗大误差。

2.2 CCIP误差源

在对CCIP 理论模型研究的基础上，可以发现不同的变量在一定范围内变化时会对CCIP 的精度产生或多或少的影响，同时一些设备、发射装置等因为出厂设置或者维护不到位等原因也会对其精度产生一定影响，再就是炸弹本身参数设置的问题。下面是列举地能够直接或间接影响攻击精度的主要误差源：

1）飞行员自身瞄准误差：在武器投放瞄准过程中，飞行员用瞄准标记符号跟踪瞄准目标时所产生的误差。

2）弹丸散布误差：由于制造水平的约束和其它因素造成弹丸形状及物理特性等的变化所产生的弹丸散布误差。

3）飞行参数的测量误差：由于系统误差往往都是装置、原理上的误差，所以参数测量装置在进行加工制造时就应尽量做到减少系统误差。在进行水平轰炸时，综合不同机型的参数测量装置配备情况，一般包括下面这些参数测量误差：气压高度误差、真空速误差、马赫数误差、法向加速度误差、载机姿态误差、攻角误差、侧滑角误差等[7]。

4）弹道拟合误差：在进行水平轰炸时，主要包括航箭弹道拟合误差、炸弹弹道拟合误差。

5）显示器定位误差：由于显示器光学校准误差、阴极射线置零位、线性误差及其它失真引起的显示字符的位置误差。

由于篇幅所限，下面仅就高度和速度的测量误差进行分析。

2.3 高度测量误差

目前测量飞机高度方法有两种：一是在低高度时通过无线电高度表测得，另一种是在较高高度时通过气压高度表测得。无线电高度表测量的高度是飞机距离地面的真实高度，气压高度表根据大气压力随距海平面高度而逐渐衰减的函数关系，通过测量大气静压间接测量飞行高度，两者在飞机上一起工作。由飞机控制系统根据当前高度选用合适的测量数值，不管是无线电高度还是气压高度。由于装置本身或外界因素影响的原因，其数值总是与飞机实际高度有一定偏差，因而平视显示器上标注的命中点符号的位置与地面爆炸点不在同一位置。

表1和表2 分别是某型飞机无线电高度表和气压高度表在不同高度下的误差精度范围。

表1 无线电高度表不同高度误差精度范围表Table 1 Radio altimeter error accuracy range table at different altitudes

表2 气压高度表不同高度误差精度范围表Table 2 The accuracy range of barometric altimeter at different altitudes

2.4 速度测量误差

飞机空速矢量也是影响炸弹命中精度的重要因素，能间接影响命中点的横向射程和侧向射程，飞机空速是由空速管通过飞机的气流气压得到的，而空速管因其位置、攻角、制造安装等误差得到的空速值往往存在一定的偏差，表3 是某型飞机不同空速下的误差精度范围。

表3 不同空速误差精度范围表Table 3 Different airspeed error accuracy range table

3 仿真分析

3.1 高度误差仿真分析

飞机高度参数信息是由无线电高度表和气压高度表共同测量的，火控计算机根据当前高度选择合适的高度表。正常来说，飞机在1500m 以下时，选用无线电高度表测量的数据，在1500m 以上高度时，选用气压高度表测得的数据。根据误差精度范围表，基于Mat lab 仿真平台首先建立一个高度函数，仿真软件流程如图3。

图3 流程图Fig.3 Flowchart

仿真软件在航向坐标系下输入飞机的速度V1（600km/h）、风速U（10m）、向角ε（15°）等初始条件，并装订某型航空炸弹弹道参数，高度范围定为1000m ～9000m，根据高度的误差值按一定间隔自动计算出每个高度正负误差值下的命中点位置坐标，并以图像形式表现出来，计算出命中点误差百分比。在改变输入高度的大小，其他变量不变时，分析不同高度下命中点误差百分比的变化。命中点误差百分比最小时的高度，即为当前状态下的最佳攻击高度。仿真计算命中点分布仿真图时，高度间隔为1000m，因为排版和清晰度的原因，只展示高度为3000m时命中点分布图，如图4。

图4中左图为命中点分布全景图，右图为命中点位置的局部放大图，原点为投弹点，也是飞机的位置坐标，蓝色线是投弹点与命中点之间的连线，红线是命中点连线，黑线是高度没有误差情况下的爆炸线。通过仿真图可以看出，在只有高度变化时，命中点的侧向射程是不变的，不同高度的命中点误差百分比是有较大变化，将不同高度下的命中点误差百分比以曲线图形式表现出来，可以得到命中精度随高度变化而变化的趋势图，如图5。

图4 高度为3000 m时命中点分布图Fig.4 Distribution of hit points at a height of 3000 m

图5 命中点误差百分比随高度变化图Fig.5 The percentage of hit point error varies with height

通过表1 和表2 可以看出，在高度5000m 时，误差规律发生变化，因此误差百分比也会发生“跳跃”，但从变化图中能够看出，当高度在5000m 以下时，高度越高，命中精度越高；当高度在5000m 以上时，高度越高，命中精度越高。在对地攻击过程中，在其他因素不变的前提下，飞行员可以针对某一弹型，在飞机允许的安全飞行高度范围内，根据当前飞行参数选择适合的攻击高度，以获得最大的杀伤命中概率。

3.2 速度误差仿真分析

飞机空速能够影响投弹的水平初速，而水平方向的速度也是影响命中点纵向射程的最大因素，理论上来讲当飞机空速存在一定误差时，一定会对纵向射程产生很大影响。

从表3 可以看出：当飞机速度为600km/h 时，最大误差为5km/h，相当于3.125m/s，在高度为4600m 处投弹的话，某型炸弹落下时间为31.31s，而又因为无风射程就是包括飞机空速在内的函数计算得来的。因此，可以推测飞机速度的变化会给命中点的纵向射程造成较大的偏差，而且侧向射程应该也会因为炸弹落下时间T 的变化而变化。通过查某型弹轰炸弹道表可以看出，飞机空速是以每次50km/h 递增的，所以可以分别对多组飞机空速进行仿真，研究在飞机空速上下变化50km/h 时命中点的分布规律。

仿真软件流程基本如图3，条件变化在空速上，在航向坐标系下输入飞机的高度H（4600 m）、风速U（10 m/s）、风向角ε（15°）等初始条件，在使用不同空速时需要对照轰炸弹道表输入对应的炸弹落下时间T 和瞄准角φ 值，从而分别得出在空速为550km/h、600km/h、650km/h 时的命中点分布图像，然后在一个三维坐标内观察不同空速下的命中点位置，研究空速变化对命中精度的影响程度。命中点分布图如图6。

从图6 中可以看到，3 种空速下的命中点分布图有很大的不同，不仅是命中点的纵向射程发生变化，侧向射程也有细微的改变。这是误差为5km/h 的情况，在X 轴上的误差而在Y 轴上的误差造成的命中点偏差也较大。因此，飞机空速误差是造成命中精度低的特别重要的因素。但从空速的误差精度范围表可以看出，空速的误差在空速大于185km/h 后基本不随空速变化而随时变化，但在日常维护中也应对飞机空速测量装置进行定期检查保养，防止进行误差累积对飞机火控系统实时解算造成更大的偏差。