初速可调下的新型舰炮对海作战能力需求生成
许俊飞， 卢发兴， 王航宇， 吴玲
(海军工程大学 兵器工程学院，湖北，武汉 430033 )
摘 要 ：为实现新型舰炮对海作战中由任务向能力的转化，建立了作战能力需求框架模型，从对海作战流程出发，分析对海作战子任务与能力指标之间的映射关系，建立新型舰炮在对海作战过程中的探测概率、最大发现距离、反应时间、单发命中概率等数学模型，仿真验证新型舰炮在不同初速下，以要达到指定单发命中概率射击20 km 处目标时的火控系统精度为标准，分析在不同射击距离下对新型舰炮的能力指标要求，以及不同初速下能力指标的变化趋势. 结果表明，火控系统精度越高，单发命中概率越大；对近距离目标，初速越大，单发命中概率越好，而距离较远时，初速的优势体现得不明显.
关键词 ：系统工程; 能力需求生成; 映射模型; 能力指标; 单发命中概率
当前严峻的海上作战形势促使了新型舰炮武器的快速发展，电磁轨道炮、电热化学炮等初速可调的新型武器[1]应用前景广泛，其作战能力能否满足当前海上作战的需求，需对其进行科学的论证. 通过作战能力需求分析实现由“任务”向“能力”的转化，对新型舰炮提出一系列匹配当前海上作战态势的性能指标要求，因此需求分析结果的合理性与科学性对武器装备的发展与建设具有指导性的现实意义.
目前对能力需求分析的研究有很多，主要针对能力需求生成的框架构建以及生成步骤等，对具体装备的作战模型及定量分析不够，本文在其基础上，针对新型舰炮武器高初速的特点开展能力需求生成研究，通过舰炮对海作战流程，分析对海作战任务与能力的映射关系，根据映射关系建立舰炮武器对海作战过程中的数学模型，在具体作战想定下，通过建立的数学模型进行舰炮能力指标的需求生成，并分析能力指标对作战能力的影响关系.
1 框架构建
以新型舰炮作战任务为牵引，本文提出新型舰炮武器系统对海作战能力需求生成框架[2]，如图1所示. 明确舰炮对海作战任务进行分解，建立舰炮对海作战能力指标结构，分析作战任务与能力指标之间的映射关系；根据映射关系，建立舰炮在对海作战过程中的能力需求映射模型，确定能力指标的生成过程；结合仿真实验设计思路，仿真分析在不同初速不同射击距离下的能力指标值.
图1 模型框架
Fig.1 Model framework
2 对海作战任务与能力映射关系分析
新型舰炮对视距内海上目标火力打击时，由舰载传感器提供目标信息，本舰作战系统向武器系统发送目标指示，由跟踪传感器自动跟踪目标，跟踪好后将数据传给火控设备，火控设备解算后控制火炮进行射击，武器系统控制跟踪传感器获取目标观测信息，进行校射和毁伤评估.
由于作战任务比较抽象，任务分解降低了使命任务的模糊性、复杂度，对武装执行作战行动具有很大的促进作用[3]，结合作战流程，舰炮对海作战过程可以分解为搜索探测、目标指示、目标跟踪等子任务. 能力指标是武器装备作战能力需求的度量标准，分析舰炮对海作战任务与能力指标的映射关系，可将执行作战任务转化成所需的作战能力，为作战能力需求生成提供方法途径[4]. 舰炮对海作战任务与作战能力指标的映射匹配关系如图2所示.
尽管近些年来我国的钣金工艺技术水平取得了长足的进步，但是即便是从当下来看，依然存在技术投入不足的问题。早在上个世纪的80年代初期，我国就引入了国际上的先进钣金技术，但是由于资金投入不足、建设规模较小，目前许多先进技术依然没有得到广泛的应用和推广，这也导致我国的先进制造企业的数量相比于国际领先水平存在不小的差距。
图2 作战活动与能力指标映射图
Fig.2 Mapping relationship between operational activity and capability indicator
3 映射模型的建立
结合舰炮武器系统对海作战流程以及舰炮对海作战任务与作战能力指标的映射匹配关系，依次建立舰炮武器在对海作战中的数学模型之间相互关联，共同影响着能力指标的需求生成.
在作战初始阶段，需对目标进行搜索探测，由作战任务建立对目标的探测概率模型.
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3.1 探测概率模型
雷达发现并跟踪捕获目标的过程称做探测，一般雷达部署确定后，其本身固有参数的影响也就随之确定，结合雷达方程，通过一系列恒等变换[5]，可得到雷达在不同距离处的探测概率计算模型为
P d(R )=exp
(1)
式中:R r为距离；R Pd0 为约束检测概率为P d0时雷达的最大探测范围. 根据模型可知当雷达的探测距离等于雷达的最大探测距离时，雷达的探测概率为0.5，因此取P d0=0.5；P fa为虚警概率，一般取10-6.
3.2 最大发现距离模型
当舰炮武器对海作战时，相对来说，舰炮与敌目标处于同一平面上，建立如下的舰炮射程模型，在舰炮武器系统设计中，要求雷达的发现距离足以保证及时发现目标，从而使第1次发射的导弹能在舰炮射程与目标相遇[6]，以确保射击效能.
图3 最大发现距离
Fig.3 Maximum detection distance
因此对目标的最大发现距离R d为
(2)
式中：t r为武器系统反应时间，即从发现目标到弹动所需时间，由总体指标给出；t c2为系统指挥控制时间;t f为从弹动到弹丸在最大射程和目标遭遇的时间；p t为目标的航路捷径；Q t为目标航路角；v t为目标速度.
3.3 跟踪距离模型
根据面积等效原则，得到舰艇目标的命中界模型，
图4 最大跟踪距离
Fig.4 Maximum tracking distance
式中:L z为舰艇目标的方向命中界;L x为舰艇目标的距离命中界;θ c为弹丸落角.
(3)
3.4 误差模型
舰炮武器在对目标进行射击时，主要以单发弹命中目标的方式而使目标达到毁伤，在射击过程中，总存在一定的误差，射击误差是弹丸的落点(或炸点)相对于目标(或预定点)的偏差，可分为系统误差和随机误差，根据舰炮武器系统工作过程，射击误差包括射弹散布误差和射击诸元误差两大类，如图5所示[7].
图5 射击误差分析
Fig.5 Influence factors of single-shot probability
3 .4 .1 射击密集度
对于舰炮系统，射击密集度是其主要性能指标之一，舰炮射击密集度习惯上也称为舰炮射击精度，射击密集度是指弹着点相对散布中心的偏离程度，对于舰炮武器系统，射击密集度是以舰炮散布误差的大小来衡量，即以其距离方向概率误差来表征.
(4)
式中：C d、C z为舰炮散布修正系数，C d=C z=1.1～1.3；C m为密位变为弧度的转换系数,C m=1/955；E d0、E z0为射弹散布误差；f dθ0为射角改变1 mil时的距离改变量；E φm、E βm为火控系统精度的概率误差.
由于世界范围内的国家在语言、文化、民族、风俗礼仪及历史文化等多个方面之间存在不同，因此在国际商务活动之中，需要在商务英语的翻译工作中准确和熟练的使用英语专业术语，并且最大程度上保证商务英语翻译活动的准确性及生动性。在商务英语的翻译过程中应结合交谈对象的民族特点、地理环境、风俗礼仪、历史文化等多方面内容，继而将商务英语的语义表述更加完整化，使得在商务交谈过程中双方能够准确的接收到具有完整性的表达，确保商务合作活动的完整性、准去性、有序性开展。
弹道气象准备误差可通过前期的射击准备予以消除，考虑射击准备方法及技术水平比较低的情况下，弹道气象误差主要受初速、空气密度、弹道风的影响. 初速、空气密度、纵风引起距离改变量，横风引起方向改变量为
平整土地，拾净根茬，亩施优质农家肥6000 kg以上，尿素(颗粒型) 35 kg、过磷酸钙(颗粒型) 40 kg、硫酸钾(颗粒型) 25 kg或尿素(颗粒型) 30 kg、磷酸二铵(颗粒型)10 kg、硫酸钾(颗粒型) 25 kg或48%早熟马铃薯专用配方肥(N：P2O5：K2O=23：7：18)70 kg，增施阿维菌素有机肥 40-80 kg（效果更好）。亩用毒死蜱（或地克虫）2 kg拌土15 kg与基肥一同撒施防治地下害虫；深翻30-35 cm，随即耙耱，保持土壤表面疏松、上下细碎一致。
(5)
3 .4 .3 火控系统误差
式中:f dv0 为初速变化1%时的距离改变量；E v0 为初速偏差的概率误差；f dρ 为空气密度变化10%时的距离改变量；E ρ为空气密度偏差的概率误差；f dw 为纵风速为10 m·s-1时的距离改变量；f zw 为横风速为10 m·s-1时的方向改变量；E wd、E wz为风速偏差的概率误差，取值相同.
在对海射击误差分析中，火控系统误差包括观测设备测量误差、确定目标运动参数误差及指挥仪计算误差，为简化计算，可将火控系统作为一个整体进行分析，在提前点引起距离方向上的线误差为
(6)
式中(E βf,E φf)为火控系统精度的概率误差.
① 当系统为自动工作方式时，目标指示时间很短，可以忽略不计. 火控处理滤波时间主要取决于点迹形成航迹的滤波方法，而在所有的滤波方法，最小二乘滤波是适用性最强的滤波方法[10]，在此基础上考察目标检测概率(P dr)和目标速度(v m-马赫数)对位置滤波、外推误差的影响关系. 二乘滤波的位置滤波均方误差P 11(n |n )和一步外推均方误差P 11(n +1|n )公式为
系统误差的产生主要是火控系统误差中观测设备与指挥仪造成的，火控系统精度的数学期望为(m βf,m φf)，则系统误差为
2014年8月中共中央政治局召开的会议审议通过的 《关于深化考试招生制度改革的实施意见》，对分类考试、综合评价、多元录取的考试招生模式进行了深化改革。在面对中西部地区和人口大省的高考录取率问题上，农村学生能否上重点高校的教育公平问题，以及中小学招生时存在的择校难和择校热的现状上，将采取适当对招生计划分配方式进行改进。在教育生态系统中，逐步健全教育公平、选人用人趋于科学、体制机制的实施监督有力，将各级各类教育衔接和沟通，逐步实现对多种学习成果均多元认可且学分转化，搭建终身学习“立交桥”。
(7)
3.5 射击命中界模型
海上目标命中面积是弹丸可击中的目标面积，可根据等面积替代原则，用规则形状的目标面积近似代替舰艇命中面积. 设目标舰艇甲板面等效矩形长为L j，宽为B j，舰艇平均舷高为H p.
3 .4 .2 弹道气象误差模型
发现来袭目标后，目标的回波信号会进一步增强，只有增强到一定程度时，雷达才能对其进行稳定跟踪，同发现距离不同，在进行目标指示后，雷达对目标进行稳定跟踪一段时间之后，根据探测到的目标信息进行诸元解算准备舰炮的发射，为充分利用新型舰炮武器的射程，对目标的稳定跟踪距离应当满足如图4关系.
(8)
因此目标的稳定跟踪距离R t为
3.6 单发命中概率模型
对于海上舰艇目标，一般近似处理为矩形目标，设矩形目标的边长为2L x和2L z，射击误差的概率误差为E x、E z，系统误差为m x、m z. 对此矩形目标射击的单发命中概率[8-9]为
(9)
式中：φ (x ,z )为弹着散布误差分布密度;Φ (x )为拉普拉斯函数.
本次研究以PO2、PCO2、6 min步行实验、术后住院天数、胸管留置时间、胸管引流总量为效果判定指标。6 min步行实验以病房区走廊内的30 m为范畴，要求患者在下午3时到4时之间进步行，并测试步行前后的脉氧、脉搏、血压等指标。同时，以Borg分级方法对胸外科患者的呼吸困难及全身疲劳情况进行评价，共划分为四个等级：1级不足300 m；2级介于300 m到375 m；3级介于375 m到450 m；4级超过450 m。级别越高则说明胸外科患者的心肺功能恢复情况越高，3级或者4级是心肺功能正常的表现。
(10)
3.7 反应时间模型
舰炮武器系统反应时间规定为：从接收目标指示到首发炮弹出炮膛所需要的时间，反应时间贯穿目标指示、目标跟踪、火控解算等作战任务.
3 .4 .4 系统误差
(11)
式中:n 为采样点数；σ 为量测的常数均方根误差；α 、β 为修正系数，是以工程实践指标或以战术技术任务书和技术规格书为依据进行优化确定的，在以后的计算中，取优化结果α =1/3、β =1/2[11]；P dr(0≥P dr≤1)为目标探测概率.
定义计及P dr和v t影响时的位置滤波和一步位置外推均方误差对量测方差σ 2之比为其误差压缩系数R F(n ,v m,P dr)、R P(n ,v m,P dr)的平方，对应于位置滤波和一步外推误差压缩系数的平方，分别求小于或等于要求值λ 2的最小的n .
微信抽奖荐书，利用图创的开采系统的荐书与微门户大厅相结合的优势，引发荐书参与抽奖的创意，此种方式抽奖活动，读者获得主动荐书的权利，用一种新型趣味的方式体现出来，将图书馆的活动与读者紧密相连，带动读者参与活动的积极性。
(12)
对任意的
有
上述系统在误差压缩系数为λ 时的采样点数n 在
条件下为
因此火控系统平滑滤波时间t p为
t p=(n p-1)τ .
(13)
λ 为误差压缩系数的要求值，显然0<λ ≤1；τ 为系统采样时间间隔；关于λ 的取值，存在着人为的因素，根据目前我国关于火控处理等时间工程实践经验(以战术技术任务书和技术规格书要求为准)，火控处理时λ =0.5.
② 而对舰炮武器系统的调舷、捕获和锁定跟踪目标以及协调击发时间t oth相对目标指示t t与火控处理时间t p要小很多，同时调舷等时间t oth与舰炮武器、雷达自身的特性有关，在分析系统反应时间时，可将这部分时间t oth近似处理为常数.
综合以上论述可知，舰炮武器系统反应时间为
t r=t p+t oth.
(14)
4 仿真分析
在具体作战想定下，舰炮对海作战的能力指标需求生成可看作一个输入输出问题，如图6所示.
教学中若能不断创设课堂情境来激发学生的学习兴趣，将收到事半功倍的教学效果，也能使学生顺利地渡过高一这一学习难关。利用物理学史的故事激发学生兴趣，在物理课堂教学中讲一些物理学的故事和科学家的趣事，通过播放一些与物理有关的生活中的例子的视频，可以激发学生兴趣，并有助于学生对概念和规律的理解。从学生已有的知识出发，巧设悬疑，加以联想，以启发学生的思考，激起学生探求新知识的欲望，因此新课引入中要注意形成悬念。
图6 模型求解流程图
Fig.6 Procedure flow chart of modeling
输入的是在具体作战想定下，对作战效果的要求，通过能力需求生成映射模型的仿真分析，输出的是能够有效完成作战任务目标的舰炮武器装备所应具备的能力指标值，对于当前海上作战，我方利用新型舰炮打击一定距离外的目标舰艇，仿真参数见表1.
表1 仿真参数
Tab .1 Simulation parameters
仿真实验设计思路为：确定弹丸初速，根据作战要求，新型舰炮所要达到的单发命中概率作为牵引，分析不同射击距离下的火控系统精度，以视距临界处20 km的火控系统精度要求作为标准，计算在此系统要求下对不同距离目标射击的能力指标值，因为新型舰炮在对视距内目标进行射击时，倘若对临界距离处的目标能达到指定命中概率要求，射击距离变小时，一定能达到要求；新型舰炮的优点在于初速可调，同样的思路，分析初速对新型舰炮能力指标变化趋势的影响. 流程如图6所示.
孩子们的话竟让我有些不知所措。说实话，这群孩子还是挺听话的，上课时很安静，极少有交头接耳的，尤其是做笔记，是我见过的学生中最自觉的，名列前茅的期末考试成绩也一直让任课教师引以为豪。然而，我眼前却不禁出现了这样的画面：早读课，教师把事先准备好的多音字、反义词练习布置给学生，孩子们老老实实地埋头苦抄；本应活跃的课堂，却如一潭死水。
某工程是1座常见的砖烟囱，高45 m。工程位于山西省孝义市，建设单位为西山吕梁德威公司德顺煤矿。工程采用国家标准建筑设计图集《砖烟囱施工标准图集》G611(六)中编号为45/1.4-508-250-15型号的烟囱。基础直径为7 m，筒身入口外径4.41 m，入口内径3.33 m，出口内径1.4 m。烟囱基础为C25混凝土。
在进行仿真计算时，弹丸飞行时间、弹丸落角、各类偏差量等指标可通过新型舰炮外弹道模型计算得到[12].
(4)由图6可以看出，结构的平动变形最大值和扭转变形最大值均出现在墩顶，结构整体平动变形最大值为1.253 4 cm，最大扭转变形值约为0.578′，平动变形较大，扭转变形很小；且由墩顶至墩中再到墩底，结构的变形逐渐变小，靠近墩底部，结构的变形值为0。
当要求单发命中概率达到8%，弹丸初速v w为2 000 m/s时，火控系统最高精度暂定0.1 mil，对舰炮武器系统其他方面能力指标的要求见表2.
由表2可知：随着射击距离的增大，为达到单发命中概率8%的要求，对火控系统精度要求越来越高，在实战中，火控系统的精度不会达到很高的水平，以视距20 km处的火控系统精度作为标准，分析不同射击距离上能力指标的需求，计算结果见表3.
表2 不同射击距离下的能力指标需求生成
Tab .2 Capability indicators requirement generation at different shooting distance
表3 以20 km处火控系统精度为标准的能力指标需求生成
Tab .3 Capability indicators requirement generation with the accuracy of the fire control system at 20 km
由表3可以看出，当射击距离小于20 km时，单发命中概率远远达到要求. 新型舰炮的特点在于初速可控，以初速为1.5，2.0，2.5 km/s为例，当射击距离为20 km时，计算结果见表4.
表4 不同初速射击20 km时能力指标需求生成
Tab .4 Capability indicators requirement generation with different initial speed at 20 km firing distance
以射击20 km处达到指定命中概率时的火控系统精度为标准，仿真计算初速不同时，能力指标随着射击距离的变化趋势，如图7～图10所示.
图7 初速不同时探测概率随射击距离的变化趋势
Fig.7 Trend of detection probability changing with firing distance when muzzle velocity is different
图8 初速不同时反应时间随射击距离的变化趋势
Fig.8 Trend of reaction time changing with firing distance when muzzle velocity is different
图9 初速不同时最大发现距离随射击距离的变化趋势
Fig.9 Trend of maximum detection distance changing with firing distance when muzzle velocity is different
图10 初速不同时单发命中概率随射击距离的变化趋势
Fig.10 Trend of single-shot probability changing with firing distance when muzzle velocity is different
5 结 论
通过构建舰炮武器对海作战能力需求生成框架，建立舰炮武器在作战过程中的映射模型，以单发命中概率为原则，基于火控系统精度对其能力指标生成的影响，对新型舰炮不同初速下进行仿真可得如下结论.
① 雷达对目标的探测概率随射击距离的增大而减小，射击距离一定时，弹丸初速对探测概率没有影响，因为雷达对目标的探测主要与雷达、目标的特性有关，探测概率会影响系统的反应时间.
由于本工程地下水位位于桩底以上，全干孔作业需要先行降低地下水位，实施难度大，成本花费高，安全系数低，故不予考虑；湿孔作业能达到施工要求，但近年来，郑州市环保要求高，钻孔泥浆造成大量污染，储存及运输难度大，不利于环境治理。故综合考虑选择半湿孔钻孔作业，既加快了进度，减少了投入，又有利于环境治理。
② 系统反应时间随射击距离的增大而增大，影响反应时间的因素较多，主要有受滤波影响的目标指示、火控滤波时间以及调舷、捕获、跟踪、瞄准击发等时间. 受滤波影响的目标指示、火控滤波时间与探测概率有关，探测概率越小则滤波时间越长，调舷等时间与武器系统本身特性有关，因此随着射击距离的增大，系统反应时间不断增大；当射击距离一定时，弹丸初速越大则反应时间越小.
老年重症肺炎（CAP）是引起老年患者呼吸衰竭的主要原因之一[1]，目前，临床上主要采取机械通气（MV）等方法支持呼吸。MV是抢救呼吸衰竭患者的重要手段，能够维持患者的SPO2水平。但治疗期间容易引起肺实质感染性炎症，即呼吸机相关性肺炎（VAP）[2]。VAP是一种严重的院内感染，主要发生于机械通气治疗2 d 后及停机拨管后2 d内，不仅会加重患者病情，同时还会严重威胁患者生命安全。有报道称，积极、有效的护理干预能够提升CAP并发VAP患者的治疗效果，改善其预后。因此，本文对老年CAP并发VAP患者加强护理干预，并观察其对患者治疗效果的影响，现报道如下。
③ 系统最大发现距离主要受系统反应时间、弹丸飞行时间、指挥控制时间以及目标的速度影响，在当射击距离一定时，弹丸初速对最大发现距离的影响并不大，最大跟踪距离同理.
④ 根据外弹道模型理论，随着射击距离的增大，随机误差与系统误差也会增大，因此单发命中概率P 会随着射击距离的不断增大而呈减小趋势；当距离较近时，初速越大，单发命中概率体现的优势越明显；而初速较小时，影响并不大；当射击距离较远时，弹丸初速的提高不会增强射击效果，反而会增加技术难度，提高成本，因此当距离较远时，应使用制导弹药进行误差修正，才能提高命中概率.
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Anti -Sea Combat Capability Requirement Generation of New Naval Gun with Adjustable Muzzle Velocity
XU Jun-fei， LU Fa-xing， WANG Hang-yu， WU Ling
(College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan,Hubei 430033, China)
Abstract :In order to realize the transformation of naval gun from task to capability in anti-sea combat, the framework model of capability requirement was established. The paper analyzed the mapping relationship between sea combat task and combat capability based on the naval gun combat process. According to the mapping relationship, the mathematical models of the detection probability, maximum detection distance, reaction time and single-shot probability were established. The simulation experiment analyzed the capability requirements of the new naval gun at different firing distances with the fire control system accuracy when shooting at 20 km as the standard under the variable initial velocity of new naval gun, and analyzed the change trend of the capability index at different initial speeds. The result shows the higher precision of fire control system, the greater single-shot probability. For targets within sight distance, the higher the initial velocity, the better the single-shot probability. But the advantage of initial velocity is not obvious for long distance targets. The method has important theoretical and practical significance for scientific development of naval gun weapon equipment.
Key words :system engineering; capability requirement generation; mapping model; capability index; single-shot probability
中图分类号 ：N945 .1
文献标志码： A
文章编号： 1671 -4512 (2019 )02 -0155 -07
DOI ：10 .15918 /j.tbit1001 -0645 .2019 .02 .008
收稿日期 ：2018-03-29
基金项目 ：国家自然科学基金资助项目(61703419)．
作者简介 ：许俊飞(1990—)，男，博士研究生，E-mail：xjf09531@163.com.
通信作者 ：王航宇(1965—)，男，教授，E-mail：utopia531@sina.com.
(责任编辑：刘雨)
标签：系统工程论文; 能力需求生成论文; 映射模型论文; 能力指标论文; 单发命中概率论文; 海军工程大学兵器工程学院论文;