СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕИВАНИЯ СНАРЯДОВ ПРИ СТРЕЛЬБЕ ИЗ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУЖИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к полигонным испытаниям и может быть использовано для определения характеристик рассеивания снарядов при стрельбе залпом или очередью из артиллерийского оружия.

Известен способ для измерения скорости метаемого тела, заключающийся в измерение скорости метаемого тела на основе измерения временного интервала между моментами срабатывания двух пространственно разнесенных неконтактных датчиков, при этом конструкция неконтактных датчиков выполнена в виде двух перпендикулярных линеек излучающих диодов и фотоприемников, определение координат пролета метаемого тела, на основе фиксации комбинации сработавших элементов фотоприемников, выдачи информации о скорости метаемого тела и координат его пролета относительно первого и второго датчиков (Ефанов В.В., Мужичек С.М., патент РФ на изобретение №2285267 от 10.10.2006 г.).

Известно устройство для измерения скорости метаемого тела, которое содержит два разнесенных неконтактных датчиков, первый и второй измерительные приборы, связанный с выходами неконтактных датчиков, первый, второй, третий, четвертый элемент ИЛИ, первый и второй блок логики, при этом конструкция неконтактных датчиков выполнена в виде двух перпендикулярно расположенных линеек излучающих диодов и линеек фотоприемников, причем выходы горизонтально расположенной линейки фотоприемников первого неконтактного датчика соединены одновременно с входами первого элемента ИЛИ и первыми входами первого блока логики, выходы вертикально расположенной линейки фотоприемников первого неконтактного датчика соединены одновременно с входами второго элемента ИЛИ и вторыми входами первого блока логики, выходы горизонтально расположенной линейки фотоприемников второго неконтактного датчика соединены одновременно с входами третьего элемента ИЛИ и первыми входами второго блока логики, выходы вертикально расположенной линейки фотоприемников второго неконтактного датчика соединены одновременно с входами четвертого элемента ИЛИ и вторыми входами второго блока логики, выход первого и второго элемента ИЛИ соединены соответственно с первыми входами первого и второго измерительных приборов, выходы третьего и четвертого элемента ИЛИ соединены соответственно со вторыми входами первого и второго измерительных приборов, выход источника питания соединен с линейками излучающих диодов, блок логики состоит из матрицы элементов И, из матрицы триггеров, блока индикации, причем первые входы матрицы элементов И соединены с первыми входами блока логики, а вторые входы соединены со вторыми входами блока логики, а выходы элементов И соединены с входами триггеров, выходы которых соединены с блоком индикации (Ефанов В.В., Мужичек С.М., патент РФ на изобретение №2285267 от 10.10.2006 г.).

Недостатком данных способа и устройства является невозможность определения характеристик рассеивания снарядов при стрельбе из артиллерийского оружия.

При стрельбе группой выстрелов из артиллерийского оружия при одном нажатии на боевую кнопку случайные координаты точек попадания снарядов оказываются зависимыми между собой вследствие того, что ошибки, связанные с прицеливанием и наводкой орудий на цель, являются составной частью ошибки каждого выстрела.

При стрельбе очередью или серией из артиллерийского оружия в течение некоторого времени прицеливание и наводка корректируются, вследствие чего ошибки прицеливания изменяются от выстрела к выстрелу. Однако выстрелы остаются связанными в той или иной степени, которая зависит от удельного веса общих, одинаковых для всех выстрелов ошибок в суммарном рассеивании: чем больше доля таких ошибок, тем теснее зависимы выстрелы. Если все случайные ошибки одинаковы для всех выстрелов, то зависимость становится жесткой (функциональной). Наиболее простой тип зависимости между выстрелами - при стрельбе залпом, когда все случайные ошибки можно четко разделить на две независимые группы: групповые ошибки, одинаковые для всех выстрелов и смещающие всю группу выстрелов как единое целое, и индивидуальные ошибки, вызывающие независимые между собой отклонения каждого снаряда внутри залпа. Групповыми являются все ошибки прицеливания и наводки орудий на цель, а индивидуальными - ошибки, связанные с техническим и баллистическим рассеиванием снарядов: эти ошибки создают рассеивание внутри залпа.

Технической задачей изобретения является повышения информативности за счет определения характеристик рассеивания снарядов при стрельбе залпом или очередью.

Решение технической задачи достигается тем, что в способе определения характеристик рассеивания снарядов при стрельбе из артиллерийского оружия, заключающемся в измерении скоростей снарядов, на основе фиксации временных интервалов при пролете снарядов двух разнесенных между собой неконтактных датчиков, при этом конструкция неконтактных датчиков выполнена в виде двух линеек излучателей и фотоприемников, размещенных в вертикальной и горизонтальной плоскостях, определении координат пролета снарядов, на основе фиксации комбинации сработавших элементов фотоприемников, дополнительно определяют координаты попадания снарядов в мишень на основе фиксации комбинации сработавших элементов линеек фотоприемников, определяют при стрельбе залпами групповые ошибки в каждой опытной стрельбе в соответствии с выражением:

где n - количество орудий в залпе Z_ik, y_ik - координаты каждой пробоины, определяют математическое ожидание групповых ошибок в соответствии с выражениями:

где N_p - количество залпов, Z_K У_k - координаты групповых ошибок при одном выстреле, определяют среднее квадратичные отклонения групповых ошибок в виде выражений:

определяют среднее квадратичные отклонения суммарных ошибок в виде выражений:

определяют коэффициенты корреляции в виде выражений:

осуществляют запись данных о результатах испытаний в блок памяти, осуществляют передачу данных о результатах испытаний через приемное устройство, устройство согласование на микроЭВМ, определяют траектории движения снарядов на основе анализа координат пролета снарядов относительно первого и второго неконтактных датчиков, определяют зависимость характеристик рассеивания снарядов от их скоростей движения, высвечивают на индикаторе координаты попадания снарядов в мишень и характеристики рассеивания снарядов.

Решение технической задачи достигается тем, что в информационно-вычислительную систему для определения характеристик рассеивания снарядов при стрельбе из артиллерийского оружия, содержащим два разнесенных в пространстве неконтактные датчики, блок определения параметров движения снарядов, который содержит первый и второй измерительные приборы, связанные с выходами неконтактных датчиков, первый, второй, третий, четвертый элементы ИЛИ, первый и второй блоки логики, при этом конструкция неконтактных датчиков выполнена в виде двух перпендикулярно расположенных линеек излучающих диодов и линеек фотоприемников, выходы горизонтально расположенной линейки фотоприемников первого неконтактного датчика соединены одновременно с входами первого элемента ИЛИ и первыми входами первого блока логики, выходы вертикально расположенной линейки фотоприемников первого неконтактного датчика соединены одновременно с входами второго элемента ИЛИ и вторыми входами первого блока логики, выходы горизонтально расположенной линейки фотоприемников второго неконтактного датчика соединены одновременно с входами третьего элемента ИЛИ и первыми входами второго блока логики, выходы вертикально расположенной линейки фотоприемников второго неконтактного датчика соединены одновременно с входами четвертого элемента ИЛИ и вторыми входами второго блока логики, выход первого и второго элементов ИЛИ соединены соответственно с первыми входами первого и второго измерительных приборов, выходы третьего и четвертого элементов ИЛИ соединены соответственно со вторыми входами первого и второго измерительных приборов, выход источника питания соединен с линейками излучающих диодов, блок логики состоит из матрицы элементов И, из матрицы триггеров, причем первые входы матрицы элементов И соединены с первыми входами блока логики, а вторые входы соединены со вторыми входами блока логики, а выходы элементов И соединены с первыми входами триггеров, выходы которых являются выходами блока логики, первым, вторым, группой третьих и четвертых выходов блока определения параметров движения снарядов, являются соответственно выходы первого и второго измерительных приборов, первого и второго блоков логики, дополнительно введены электронная мишень, блок обработки сигналов, приемное устройство, устройство согласования, микроЭВМ, индикатор, при этом дополнительно в блоки логики введена дифференцирующая цепь, вход которой связан с выходом кнопки «огонь», а выход со вторыми входами матрицы триггеров, выход копки «огонь» соединен с пятым входом блока определения параметров движения снарядов и седьмым входом блока обработки сигналов, причем пятый вход блока определения параметров движения снарядов и седьмой вход блока обработки сигналов является третьими входами блоков логики, первая и вторая группа выходов электронной мишени, а также первый, второй, группа третьих и четвертых выходов блока определения параметров движения снарядов, соединены соответственно с группой первых, вторых, третьим, четвертым, группой пятых и шестых входов блока обработки сигналов, выход которого соединен по бесконтактной линией связи с входом приемного устройство, выход которого через устройство согласования соединен с входом микроЭВМ, выход которого соединен с выходом индикатор, блок обработки сигналов содержит блок логики, блок определения характеристик рассеивания снарядов, блок памяти, передающее устройство, причем группа первых и вторых входов, третий, четвертый, группа пятых и шестых входов блока обработки сигналов является соответственно группой первых и вторых входов блока логики, а также третьим, четвертым, группой пятых и шестых входов блока памяти, группа выходов блока логики соединены одновременно с входами блока определения характеристик рассеивания снарядов и группой вторых входов блока памяти, выход блока определения характеристик рассеивания снарядов соединен с первым входом блока памяти, выход которого соединен с входом передающего устройства, выход которого является бесконтактным выходом блока обработки сигналов.

На фиг. 1 приведена структурная схема информационно-вычислительной системы определения характеристик рассеивания снарядов при стрельбе из артиллерийского оружия, на фиг. 2 - структурная схема блока определения параметров движения снарядов, на фиг. 3 - структурная схема блока обработки сигналов, на фиг. 4 - структурная схема блока логики, на фиг. 5 схема двух групп ошибок.

Ошибки стрельбы вызывают случайные условия отделения средств поражения от орудия или летательного аппарата, которые определяются индивидуальными конструктивными особенностями подвески его на ЛА и колебаниями установки под влиянием сил отдачи при стрельбе из автоматического оружия. Отклонения баллистических характеристик снаряда (массы, размеров, формы, собственной начальной скорости и др.) от номинальных значений и турбулентности атмосферы вызывают случайное отклонения времени полета снаряда от расчетного значения, что приводит к ошибке стрельбы, называемой баллистической (Калабухова Е.П. Основы теории эффективности воздушной стрельбы и бомбометания: Учебник для студентов вузов. М.: изд. Машиностроение 1991 г. - 332 с.).

Закон рассеивания снарядов близок к нормальному. Следовательно, достаточно определять его числовые характеристики, для оценки которых требуется статистический материал сравнительно небольшого объема (несколько десятков наблюдений).

Информационно-вычислительная система определения характеристик рассеивания снарядов, содержит артиллерийское оружие 1, снаряды 2, первый 3 и второй 4 неконтактные датчики, электронную мишень 5, блок 6 определения параметров движения снарядов, блок 7 обработки сигналов, приемное устройство 8, устройство 9 согласования, микроЭВМ 10, индикатор 11, конструкция неконтактных датчиков (3, 4) и электронной мишени 5 выполнена в виде двух перпендикулярных излучающих диодов 12 и фотоприемников 13, при этом излучающие диоды подсоединены к источнику питания 14.

Блок 6 определения параметров движения снарядов содержит первый 15 и второй 16 измерительный прибор, первый 17, второй 18, третий 19, четвертый 20 элемент ИЛИ, первый 21 и второй 22 блок логики.

Блок 7 обработки сигналов содержит блок 23 логики, блок 24 определения характеристик рассеивания снарядов, блок 25 памяти, передающее устройство 26.

Блоки 21, 22, 23 логики состоят из матриц элементов И 27, из матриц триггеров 28, дифференцирующей цепи 29.

Описание работы устройства.

Для определения характеристик рассеивания снарядов при стрельбе из артиллерийского оружия создается мишенная обстановка в виде двух разнесенных между собой неконтактных датчиков (3, 4) и электронной мишени 5, выходы которых соединены соответственно с входами блока 6 определения параметров движения снарядов и блока 7 обработки сигналов (фиг. 1).

Для осуществления прицеливания на электронную мишень 5 наклеивается картон или плотная бумага, с центром прицеливания в виде перекрестия. В канал ствола артиллерийского оружия (АО) вставляется трубка холодной пристрелки (ТХП) и наводятся стволы по центру прицеливания электронной мишени 5, после наводки стволов АО, ТХП вынимается из канала ствола.

Затем производится стрельба из артиллерийского оружия и на выбранной картинной плоскости в виде электронной мишени 5, фиксируется декартовые координаты точек попадания снарядов 2.

При этом при нажатии боевой кнопки, сигнал выдается на пятый и седьмой входы соответственно блока 6 определения параметров движения снарядов и блока 7 обработки сигналов (фиг. 1), обеспечивая при этом обнуления первого 22 и второго 23 блока логики входящего в состав блока 6 определения параметров движения снарядов и блока 23 логики входящей в состав блока обработки сигналов, через дифференцирующую цепь 29, выдачей сигналов «обнуления» на их третьи входы.

В момент пролета очереди снарядов относительно первого 3 неконтактного датчика происходит срабатывание определенной комбинации чувствительных элементов линейки фотоприемников 13 (фиг. 1, фиг. 2). Сигналы с выходов фотоприемников 13, первого 3 неконтактного датчика, через первые 17 и вторые 18 элементы ИЛИ, поступают одновременно на запуск первого 15 и второго 16 измерительного прибора и на первые и вторые входы первого 21 блока логики (фиг. 2).

В момент пролета очереди снарядов относительно второго 4 неконтактного датчика происходит срабатывание следующей комбинация чувствительных элементов линейки фотоприемников 15 (фиг. 2). Сигналы с выходов фотоприемников 13, второго 4 неконтактного датчика через третий 19 и четвертый 20 элементы ИЛИ поступают одновременно на остановку первого 15 и второго 16 измерительного прибора и на первые и вторые входы второго 22 блока логики (фиг. 2).

Таким образом, обеспечивается определение скоростей снарядов на основе измерения временного интервала его движения относительно двух разнесенных в пространстве неконтактных датчиков.

Код сигнала, поступающий на первые и вторые входы блока 21 логики, соответствует координатам пролета снарядов относительно первого 3 неконтактного датчика (фиг. 2) и обеспечивает срабатывания определенной комбинации матрицы элементов И 27, сигналы с выхода которых обеспечивают срабатывания триггеров 28.

Аналогично определяются координаты пролета снарядов относительно второго 4 датчика.

В дальнейшем при движении снарядов они попадают в электронную мишень 5, с группы первых и вторых выходов, которой поступают на первые и вторые группы входов блока 7 обработки сигналов и соответственно на группу первых и вторых входов блока 23 логики, обеспечивая срабатывания определенной комбинации матрицы элементов И 27 и триггеров 28, соответствующих координатам попадания снарядов.

На третий и четвертые входы, пятый и шестой входы блока 25 памяти поступает соответственно информация о скоростях движения снарядов и координатах их пролета относительно первого 3 и второго 4 неконтактных датчиков.

С группы выходов блока 23 логики, сигналы поступают одновременно на группу вторых входов блока 25 памяти и входы блока 24 определения характеристик рассеивания снарядов.

Блок 24 определения характеристик рассеивания снарядов определяет групповые ошибки в каждой опытной стрельбе в соответствии с выражением:

где n - количество орудий в залпе Z_ik, y_ik - координаты каждой пробоины.

Кроме того определяет математическое выражение групповых ошибок в соответствии с выражениями:

,

где N_p - количество залпов, Z_K У_k - координаты групповых ошибок при одном выстреле, определяют среднее квадратичные отклонения групповых ошибок в виде выражений

определяет среднее квадратичные отклонения суммарных ошибок в виде выражений

определяет коэффициенты корреляции в виде выражений;

.

Блок 25 памяти осуществляют запись данных о скоростях, координатах движения, координатах попадания и характеристиках рассеивания снарядов. С выхода блока 25 памяти данная информация через передающее устройство 26 по линии бесконтактной линии связи передается на приемное устройство 8, с выхода которого через устройство 9 согласование поступает на вход микроЭВМ 10.

В микроЭВМ 10 определяются траектории движения снарядов на основе анализа координат пролета снарядов относительно первого 3 и второго 4 неконтактных датчиков, зависимость характеристик рассеивания снарядов от их скоростей движения.

На индикаторе 11 высвечивается информация о координатах попадания снарядов в мишень и характеристиках рассеивания снарядов.

При стрельбе очередью или серией в течение некоторого времени прицеливание и наводка корректируются, вследствие чего ошибки прицеливания изменяются от выстрела к выстрелу. Однако выстрелы остаются связанными в той или иной степени, которая зависит от удельного веса общих, одинаковых для всех выстрелов ошибок в суммарном рассеивании: чем больше доля таких ошибок, тем теснее зависимы выстрелы. Если все случайные ошибки одинаковы для всех выстрелов, то зависимость становится жесткой (функциональной).

Рассмотрим стрельбу, состоящую из n выстрелов. Координаты n точек попадания на картинной плоскости представляют собой систему 2n случайных величин

где z_i, у_i - координаты точки попадания при i-м выстреле.

Наиболее общей характеристикой системы случайных величин (1) является ее закон распределения, который принимается нормальным. Отклонения относительной траектории снаряда от расчетной, обусловлено действием большого числа в основном независимых факторов, ни один из которых не преобладает существенно над всеми другими по такой характеристике, как дисперсия. Поэтому закон рассеивания согласно центральной предельной теореме близок к нормальному закону. Опытные стрельбы неуправляемыми снарядами и бомбами подтверждают это положение.

Исчерпывающими характеристиками закона распределения случайных величин являются: математические ожидания:

средние квадратические отклонения:

и две нормированные корреляционные матрицы, характеризующие зависимость между выстрелами

где коэффициенты корреляции

По главным диагоналям корреляционных матриц располагаются единицы, поскольку при i=j корреляционные моменты

При стрельбе группой выстрелов в течение некоторого времени коэффициенты корреляции в матрицах (4) обычно убывают по мере удаления от главной диагонали. Это объясняется тем, что зависимость для близких по времени выстрелов больше, чем для удаленных.

Зависимость средних точек попадания от номера выстрела определяется методом стрельбы, установкой орудия на самолете и влиянием сил отдачи на движение ЛА в течение очереди. Возможны, разумеется, случаи, когда для всех выстрелов очереди (или залпа) математические ожидание и дисперсии будут одинаковыми.

Наиболее простой тип зависимости между выстрелами - при стрельбе залпом, когда все случайные ошибки можно четко разделить на две независимые группы: групповые ошибки, одинаковые для всех выстрелов и смещающие всю группу выстрелов как единое целое, и индивидуальные ошибки, вызывающие независимые между собой отклонения каждого снаряда внутри залпа (фиг. 5). Такой тип зависимости между выстрелами назван Е.С. Вентцель схемой двух групп ошибок. Групповыми являются все ошибки прицеливания и наводки орудий на цель, а индивидуальными - ошибки, связанные с техническим и баллистическим рассеиванием снарядов: эти ошибки создают рассеивание внутри залпа.

При стрельбе группой выстрелов при одном нажатии на боевую кнопку случайные координаты точек попадания снарядов оказываются зависимыми между собой вследствие того, что ошибки, связанные с прицеливанием и наводкой орудий на цель, являются составной частью ошибки каждого выстрела.

При стрельбе очередью или серией в течение некоторого времени прицеливание и наводка корректируются, вследствие чего ошибки прицеливания изменяются от выстрела к выстрелу. Однако выстрелы остаются связанными в той или иной степени, которая зависит от удельного веса общих, одинаковых для всех выстрелов ошибок в суммарном рассеивании: чем больше доля таких ошибок, тем теснее зависимы выстрелы. Если все случайные ошибки одинаковы для всех выстрелов, то зависимость становится жесткой (функциональной).

При схеме двух групп ошибок случайные координаты точки попадания каждого снаряда могут быть записаны в следующем виде:

где Z_Г, У_г - случайные групповые ошибки, одинаковые для всех снарядов залпа; Δz_Иi, Δу_Иi - случайные индивидуальные ошибки i-го снаряда, не зависящие ни от групповых, ни от индивидуальных ошибок других снарядов.

Определим, какими параметрами характеризуется закон рассеивания снарядов при схеме двух групп ошибок. Так как все систематические ошибки i-го снаряда от всех источников включены в координаты центра рассеивания m_zi, m_yi, то из выражения (5) следует, что

где ; - дисперсии группового рассеивания; ; - дисперсии индивидуального рассеивания i-го снаряда.

На практике часто, особенно при стрельбе из одинаковых орудий, дисперсии индивидуального рассеивания от номера i зависят незначительно, так что можно считать их примерно одинаковыми.

Тогда и дисперсии суммарного рассеивания будут одинаковыми для всех снарядов залпа:

Корреляционные моменты случайных величин z_i, z_j, y_iy_j, определяются в соответствии с выражениями:

Так как все систематические ошибки i-го снаряда от всех источников включены в координаты центра рассеивания m_zi, m_yi, то

Кроме того, поскольку индивидуальные ошибки не зависят от групповых и не зависят между собой для различных снарядов, то для любого номера i можно записать

Раскрыв скобки под знаком математического ожидания в (6) и учитывая формулы (7) и (8), получим:

Переходя к коэффициентам корреляции, будем иметь:

Таким образом, при схеме двух групп ошибок закон рассеивания определяется:

- координатами центров рассеивания для всех n выстрелов;

- средними квадратическими отклонениями суммарного рассеивания;

- коэффициентами корреляции, равными отношениям дисперсий группового и суммарного рассеиваний.

При этом если коэффициенты корреляции равны нулю, то выстрелы можно считать практически независимыми; при коэффициенте корреляции, равном единице выстрелы функционально зависимы, в этом случае вся группа снарядов рассеивается как единое целое по закону группового рассеивания. Это означает, что координаты точки попадания первого снаряда однозначно определяют координаты точек попадания всех остальных снарядов.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение информативности за счет дополнительного определения координат попадания снарядов в мишень и характеристик рассеивания снарядов при стрельбе из артиллерийского оружия.