CC BY
40
4. Мальцев В.А., Кольцов В.В. Математическое моделирование динамики роста навыков оператора ПТРК при обучении на электронном тренажере // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 2. С. 136-143.
5. Галатенко В.А. Информационная безопасность: практический подход. М.: Наука, 1999.
301 с.
6. Новоселов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1991. 336 с.
Булгаков Павел Николаевич, сотрудник, andrkup@yandex.ru, Россия, Тула, ПАО «НПО
«Стрела»
THE STRUCTURE OF BUILDING ALGORITHMS FOR FUNCTIONAL SOFTWARE OF A MOBILE RECONNAISSANCE POINT
P.N.Bulgakov
The structure of building algorithms for functional software of a mobile reconnaissance point is proposed. The functional areas of the screen for information output are considered, algorithms for working with the screen in modes of different types of preparation of a mobile reconnaissance point are given. The universal structure of algorithms of functional software of automated workplaces of the operator and commander is considered.
Key words: informativeness, commander, operator, automated place, combat work, enemy object, decision-making, functional software.
Bulgakov Pavel Nikolaevich, employee, andrkup@yandex.ru, Russia, Tula, PAO «NPO «Strela» УДК 623.55.025
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-451-457
АЛГОРИТМ ВЕДЕНИЯ СТРЕЛЬБЫ В АРТИЛЛЕРИЙСКОМ ЗЕНИТНОМ КОМПЛЕКСЕ
П.Н. Мельников
Рассматриваются особенности алгоритма ведения стрельбы на примере скорострельного малокалиберного зенитного артиллерийского комплекса ближнего рубежа обороны корабля.
Ключевые слова: алгоритм стрельбы в артиллерийском зенитном комплексе.
Для эффективного решения задачи обороны корабля исключительно важным является поиск ответа на вопросы: в какой момент воздушного налета открывать стрельбу, и каким количеством снарядов? Задачу тактики ведения стрельбы в зенитном комплексе традиционно решает человек (командир, номер расчета). В зенитных комплексах с малой скорострельностью его свобода в управлении режимом стрельбы ограничивается лишь собственными представлениями (опытом) о целесообразности огневого применения оружия в сложившихся условиях атаки противника на обороняемый объект. И как следствие, действия человека-оператора привносят элемент нестабильности в результат обороны объекта. Развитие технических средств автоматизации управления системами зенитного комплекса определило тренд на ограничение свободы человека-оператора по огневому применению оружия. Так, например, реализация в реальном времени задачи расчета границ зоны стрельбы наложила ограничение на возможность открытия огня в моменты времени, пока цель не вошла в расчетную зону поражения. Это ограничение позволило сократить неэффективный расход боеприпасов.
Дальнейшие ограничения в области управления огневым применением оружия были направлены на упорядочивание режима стрельбы очередями. Решения, направленные на ограничение длительности очереди, особенно важны для высоко скорострельных зенитных установок с большим боезапасом (что характерно для корабельных комплексов). Так, например, для зенитного автомата установки АК-630М максимальная разрешенная длительность очереди составляет 400 выстрелов [1]. Дальнейшее увеличение длительности очереди ведет к перегреву стволов, необратимым потерям в точности стрельбы и разрушениям стволов автомата. После проведения стрельбы такой очередью необходим технологический перерыв не менее 5-10 секунд для охлаждения стволов. Аппаратура (алгоритм управления стрельбой) накладывает ограничения на действия человека-оператора: он не сможет произвести очередь по длительности более разрешенной автоматикой комплекса и может начать новую только по истечении времени технологического перерыва. Ограничение автоматикой длительности очереди снизу связано с низкой вероятностью поражения цели отдельным выстрелом. Для разработанного зенитного вооружения рас-четно-опытным путем определяется количество снарядов в очереди, которые позволят поразить типовую цель с минимально допустимой вероятностью. Аппаратура накладывает ограничения на действия
451
человека-оператора: он не сможет произвести очередь по длительности менее разрешенной автоматикой комплекса (например, 25-30 выстрелов в очереди). И как результат, в управлении зенитной артиллерийской стрельбой закрепились два режима: стрельба «длинной очередью» и стрельба «короткой очередью». Как правило, длинной очередью обстреливают малоразмерные цели, а короткой очередью - крупноразмерные. Количество снарядов в длинной очереди не обязательно принимается равным предельно допустимому значению, указанному в документации на конкретный зенитный автомат. При ее назначении, кроме показателей кучности стрельбы, учитываются величина боезапаса и живучесть стволов.
Дальнейшие ограничения на действия человека-оператора в области управления стрельбой направлены на внедрение более гибких алгоритмов расчета количества снарядов в текущей очереди, оставляя за оператором свободу назначения момента стрельбы. Разработчики вооружения возлагают на автоматику более сложные расчеты по длительности очереди, величину которой ставят в зависимость от размеров (малоразмерная, крупноразмерная), скорости (скоростная, медленная), параметров траектории (атакующая, пролетающая) цели. В стремлении увеличить эффективность стрельбы эти мероприятия дополняются расчетами и выводом на монитор оператору (в удобной для его восприятия форме) развернутой информации о зонных параметрах, скорости и ускорении цели.
Однако, в связи с все возрастающей скоротечностью активной фазы обороны объекта, а также ограниченностью психофизических возможностей человека-оператора, дальнейшее увеличение эффективности зенитной стрельбы разработчики стали связывать с решением о полной автоматизации процесса тактики ведения зенитной стрельбы. И как результат, в управлении зенитной артиллерийской стрельбой закрепились следующие два режима стрельбы: «огонь ручной» и «огонь автоматический». Режим «ручной» полностью сохраняет все наработанные ранее возможности автоматизации. Режим ручной стрельбы (по нажатию оператором кнопки «огонь») предлагается назначать по включению питания. Такое решение объясняется стремлением обеспечить эксплуатационную безопасность зенитного комплекса. Режим автоматической стрельбы должен назначаться оператором (по нажатию оператором соответствующей кнопки). Стрельба в автоматическом режиме должна вестись только при наличии автоматического сопровождения цели по углам и дальности. После окончания циклограммы автоматического обстрела автоматика зенитного комплекса должна назначить ручной режим стрельбы.
Ниже приводятся выдержки из указанных источников, в которых отмечаются особенности ведения артиллерийского огня очередями.
Комплекс АК630 [2]: «По итогам испытаний был введен режим работы по скоростным воздушным целям - 4-5 очередей по 20-25 выстрелов с максимальной дальности с перерывами в 3-5 сек с переходом на непрерывный огонь (400 выстрелов) на дистанции наиболее эффективного поражения. Дальность действия: 4000 м (по воздушным целям); 5000 м (по самоликвидатору и по надводным целям); 500-600 м (эффективная). Скорострельность - 4000-5000 выстр/мин. Ресурс автомата АО-18 - 8000 выстрелов.»
Комплекс «Дуэт» АК-630М1-2 [3]: «Несмотря на имеющуюся систему жидкостного охлаждения, для сохранения достаточных характеристик система управления артустановки соблюдает чередование очередей и перерывов между ними: очереди по 200 выстрелов с перерывами около полутора секунд или по 400 с перерывами в 5-6 сек. После каждых шести очередей требуется дополнительное время на охлаждение стволов и механики. При соблюдении рекомендованных режимов работы ресурса стволов хватает на 12 тыс. выстрелов, после чего падает начальная скорость снарядов.»
30-мм ЗАК «Голкипер» [4]: «При боевой стрельбе комплекса продолжительность типовой очереди по ПКР составляет 3 сек. (190 снарядов), но может достигать 5 сек. Стволы артустановки выдерживают очередь продолжительностью 8 сек. (560 снарядов), после чего необходим кратковременный перерыв для их охлаждения.»
Из анализа представленного материала следует, что при разработке алгоритма автоматического ведения огня необходимо учитывать конкретные особенности построения зенитного комплекса: максимально разрешенная длительность очереди, текущий боезапас, система охлаждения, ресурс работы стволов. Указанные параметры являются заданными и неизменными для разработчика алгоритма. Фактор неопределенности в процесс ведения огня могут вносить конструктивные решения при разработке зенитного комплекса. Например, разработан боевой модуль, в котором на едином основании (барбете) размещены зенитный автомат и оптическая система сопровождения цели. При артиллерийской стрельбе имеющие место механические воздействия приводят к срыву автоматического сопровождения цели оптикой. Чтобы минимизировать последствия от срыва сопровождения цели на результативность стрельбы, реализуется принудительное наведение систем комплекса по запомненным на момент открытия огня параметрам движения цели. Этот режим, так называемого принудительного инерционного сопровождения, сохраняется в течение стрельбы очередью. Во время перерыва в стрельбе возобновляется процесс захвата и автоматического сопровождения цели оптикой. Однако восстановление режима автоматического сопровождения цели может и не наступить. И как следствие, - дальнейшая прицельная автоматическая стрельба будет не возможна.
Следующими наиболее вариативными параметрами, которые необходимо учитывать в алгоритме автоматической стрельбы, являются параметры траектории движения цели относительно обороняемого объекта (корабля): скорость цели, траекторный параметр цели, время нахождения цели в зоне стрельбы, маневр цели.
Особенностью ударной артиллерийской стрельбы, основополагающей для поражения цели, является зависимость площади рассеивания снарядов (в картинной плоскости) от дальности до цели. При уменьшении дальности до цели по линейному закону площадь рассеивания снарядов уменьшается по квадратичному закону. Следовательно, увеличивается по квадратичному закону плотность снарядов на единицу площади рассеивания. А этот показатель определяет эффективность стрельбы (при отсутствии систематических погрешностей). Таким образом, чтобы стрельба была эффективной, необходимо начинать стрельбу в момент времени, когда цель находится в районе минимальной дальности от орудия, очередью, максимально возможной длительности. Поэтому анализ точностных и динамических характеристик процесса наведения орудия в районе минимальной дальности представляет дополнительный интерес.
Рассмотрим более детально алгоритм наведения орудия в упрежденную точку. Реализация алгоритма наведения ствола зенитного орудия включает решение следующей последовательности задач:
определение угловых координат и дальности до цели в палубной системе координат относительно места стояния на корабле системы сопровождения цели (нестабилизированная система координат);
определение угловых координат и дальности до цели в земной системе координат относительно центра масс корабля (стабилизированная система координат);
определение прямоугольных координат цели относительно центра масс корабля, а также скоростей и ускорений цели относительно грунта (цифровая фильтрация);
определение прямоугольных координат цели относительно места установки артиллерийского орудия на палубе корабля в стабилизированной системе координат;
определение вертикального и горизонтального углов наведения орудия: решение задачи внешней баллистики для расчета траектории снаряда, выпущенного под углом к горизонту в реальных метео условиях; решение задачи встречи снаряда и цели итерационным методом последовательных приближений;
определение вертикального и горизонтального углов наведения орудия в плоскости палубы (нестабилизированная система координат);
определение угловых ошибок наведения, угловых скоростей и ускорений, интеграла угловых
ошибок.
Угловые координаты (ошибки наведения), скорости, ускорения, интегралы от ошибок (в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно палубы корабля) предназначаются для управления приводными механизмами в процессе наведения зенитного орудия в упрежденную точку. Такое многофакторное управление необходимо для достижения требуемой точности наведения орудия, как для малоподвижных, так и для скоростных целей. Гибкое сочетание уровней сигналов, составляющих совокупное управление, позволяет выдерживать приемлемую величину ошибки привода в широком диапазоне изменения скоростей наведения. Важным требованием для приводных систем зенитного комплекса является обеспечение требуемой динамики отработки ступенчатых воздействий, даже в ущерб точности наведения. Связано это с требованием отработки приводными механизмами режима целеуказания за минимально допустимый интервал времени. Так называемый алгоритм переброса (режима целеуказания) предполагает использование искусственно задаваемой циклограммы изменения величин скоростей и ускорений, включающих предельно разрешенные значения для конкретного привода.
Далее предлагается раздельный анализ угловых параметров наведения орудия по горизонту и вертикали. Такой подход обусловлен не только различным характером изменения угловых параметров траектории цели в районе минимальной дальности, но и раздельным способом наведения орудия - двумя независимыми приводными устройствами. Динамические характеристики приводных механизмов могут существенно различаться. Как правило, привод вертикального наведения является более динамичным (разрабатывается в условиях менее жестких ограничений по массе перемещаемого груза и диапазону перемещения, чем горизонтальный привод). Приведем формульные зависимости для оценки угловых параметров цели, которые рассчитываются относительно зенитного орудия:
ё = sqrt(x2 + ^2); В = sqrt(x2 + у2 + г2); ё = (х • х + г • г)/ ё; В = (х • х + у • у + г • г)/В;
ё = (X2 + г2 + х• х + г• г2 -ё2)/ё; (1)
q = arctg(г, х); q = (х • г - г • х)/ й2; q = (х • г - г • х - • ё • q)/ ё2; р = аг^(у, ё); ф = (ё • у - у • ё)/ В2; ф = (ё • у - у • ё - 2Б • В •ф)/ В2; где х, х, х, у, у, у, г, г, г - прямоугольные координаты, скорости и ускорения цели; q, q, q - угловые параметры цели в горизонтальной плоскости; р, <ф, ф - угловые параметры цели в вертикальной плоскости.
Величина минимальной дальности до цели Омин (так называемого наклонного траекторного параметра РНАК) вычисляется по следующему алгоритму: ТПАР = -(х •х + у •у + г •г)/ V2- время движения цели до траекторного параметра: ТПАР < 0 - удаление цели, ТПАР > 0 - приближение цели к месту установки зенитного орудия. хПАР = х + х • ТПАР; уПАР = у + у • ТПАР; гПАР = г + г • ТПАР -прямоугольные
координаты точки траектории цели, когда она находится на минимальной дальности относительно места установки зенитного орудия. ВШ[Н = РНАК = (х2ПАР + у2^ + z2ПАР) - наклонный траекторный параметр
цели. Уц = sqrt(X2 + у2 + ¿2) - скорость цели. Минимальная дальность до цели и величина наклонного
траекторного параметра не являются идентичными характеристиками траектории цели. Траекторный параметр есть величина перпендикуляра, проведенного от места стояния орудия до вектора скорости цели. Траекторный параметр имеет физический смысл только в случае подвижной цели.
Далее анализу подвергается наиболее простая траектория горизонтального полета цели с постоянной скоростью. Такой подход позволит выявить, не усложняя условия постановки задачи, основные особенности зоны стрельбы при пролете цели в районе минимальной дальности от орудия. В качестве примера пролетной траектории цели приведена траектория с параметрами х0 = 4500м; у0 = 500м;
z0 = 500м; Х0 = -300м / с; у0 = 0; ¿0 = 0.
Угловые координаты, скорости и ускорения цели относительно орудия для пролетной траектории представлены на рис.1.
1ВО 160 140 120 1Ш
[град] Вертикаль [град/с]
[град/с/с]
Скорость^- ___Ускорение
Рис. 1. Угловые координаты, скорости и ускорения цели
Время полета цели, равное 15 секунд, есть время, когда цель находится на траекторном параметре (минимальная дальность до цели). Проведя качественный анализ графиков рис.1, можно отметить наличие максимальных значений угловых скоростей и ускорений цели, а также существенной нелинейности в изменениях угловых скоростей и ускорений в районе траекторного параметра. Максимумы и нелинейности угловых скоростей и ускорений в районе траекторного параметра зависят от соотношения величин скорости и минимальной дальности до цели. На рассматриваемые факторы величины скорости цели и минимальной дальности влияют разнонаправленно: влияние увеличивается с увеличением скорости и уменьшается с увеличением величины минимальной дальности. При неизменной скорости цели для горизонтальной плоскости решающее влияние на характеристики наведения орудия оказывает величина горизонтальной проекции минимальной дальности (величина горизонтального траекторного параметра РГОр). Так, например, при малой величине горизонтального траекторного параметра при подходе цели к
минимальной дальности фактически реализуется переброс горизонтального привода наведения орудия на 180 градусов. Выполнить требование точности наведения орудия в процессе переброса линии выстрела весьма проблематично. Для вертикальной плоскости характеристики наведения орудия зависят от величины наклонного траекторного параметра.
Справедливо утверждение: горизонтальная дальность (й) всегда меньше полной наклонной дальности (Б) до цели. Исходя из этого утверждения и анализа формульных зависимостей (1) можно предположить, что, при прочих равных условиях, угловые скорости и ускорения в горизонтальной плоскости обладают большим динамическим потенциалом, чем в вертикальной плоскости. В дополнение известно, что привод горизонтального наведения артиллерийского орудия менее динамичный, чем привод вертикального наведения. И как следствие, в дальнейшем ограничимся анализом процесса наведения орудия только в горизонтальной плоскости. Таким образом, задача оценки ограничений зоны стрельбы, когда пролетающая цель находится в районе минимальной дальности от зенитного орудия, сводится к анализу соотношения величины горизонтального траекторного параметра (РГОр) и величины проекции
скорости цели на горизонтальную плоскость (УГОР). Соотношение а)ГОР = УГОР / РГОР оценивает угловую
скорость линии визирования цели в горизонтальной плоскости при пролете в районе минимальной дальности. При реализации алгоритма управления приводами наведения орудия разработчику известна предельная величина угловой скорости (аДОП), которую привод в состоянии отработать без выхода за пределы допустимой ошибки. Если выполняется условие а>ГОР < аДООП, то привод отследит угловое положение цели при переходе из встречной зоны стрельбы в догонную зону. Если же это условие не выполняется, то должно вступить в силу ограничение зоны стрельбы на время, пока привод не «догонит» расчетное значение угла наведения (с допустимой ошибкой).
При наведении орудия в упрежденную точку в расчетах используются параметры траектории цели, баллистика орудия и снаряда, параметры движения и ориентации корабля относительно грунта. И как результат, рассчитываются углы, угловые скорости и ускорения для управления приводом наведения орудия (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) в палубной системе координат. Так как в основу расчетов заложены баллистические характеристики выстрела, то не представляется возможным представить результат в аналитическом виде. Поэтому угловые скорости и ускорения рассчитываются алгоритмами цифровой фильтрации, где входными данными являются отсчеты угловых координат наведения орудия в нестабилизированной системе координат. Практическая реализация цифровой фильтрации не позволяет точно рассчитать угловые скорости и ускорения в районе траекторного параметра по причине сложного характера изменения угловых величин. Для трехкаскадного апериодического фильтра [5] с частотой дискретизации отсчетов, равной 100Гц, и постоянной времени каскада, равной 0.15с, ошибки в оценках угловых скоростей и ускорений представлены на рис.2.
Расчеты показывают (рис.2) высокий уровень ошибок в оценках угловой скорости и, особенно, в оценках углового ускорения. Высокий уровень ошибок в управляющих сигналах привода снизит эффективность стрельбы в районе разграничения встречной и догонной зон. Однако, степень нелинейности и, соответственно, ошибки оценок угловых скоростей и ускорений уменьшаются с ростом величины горизонтального траекторного параметра и уменьшением величины скорости цели. Таким образом, за критерий, который оценивает степень нелинейности угловых параметров линии выстрела, можно принять величину а)гОР = УгОР / РгОР . Для значений а>гоР < соТор влияние ошибок в оценках угловых скоростей и
ускорений на точность выстрела можно принять как не существенное. Величина соМОИр зависит от настройки привода, то есть, от пропорции сигналов (ошибок, скоростей, ускорений), участвующих в формировании управления приводом. Для конкретного привода величина соТгор определяется расчетно-опытным путем.
Оценим временной интервал, который занимает участок нелинейности для скорости и ускорения в районе минимальной дальности до цели. Временной интервал, где проявляется нелинейность по скорости можно оценить по графику изменения ускорения. Расчеты показывают, что с изменением величины согор соответственно изменяются величины максимумов ускорений, а также происходит смещение
позиции точек максимумов относительно границы разделения встречной и догонной зон. При увеличении степени нелинейности максимумы смещаются к границе, а при уменьшении степени нелинейности отдаляются от границы разделения. И как следствие, временной интервал, где проявляется нелинейность параметров, практически остается постоянным, а именно, по 2-3 секунды в конце встречной и начале догонной зон.
В заключение можно отметить, что зона стрельбы в районе минимальной дальности пролета цели характеризуется максимальными значениями и существенной нелинейностью изменения угловых скоростей и ускорений линии наведения орудия. И как следствие, в случае превышения уровня допустимых ошибок при отработке приводом угла наведения, необходимо проводить усечение зоны стрельбы в районе границы встречной и догонной зон. Важным замечанием является то, что граница перехода от встречной к догонной зонам стрельбы для цели и орудия наступают в различные моменты времени. Для цели - когда цель находится на минимальной дальности от орудия (на траекторном параметре). Для орудия - когда упрежденная точка находится на минимальной дальности от орудия. То есть, для орудия -несколько раньше (на время полета снаряда на минимальную дальность до цели). Поэтому предлагается заканчивать очередь за несколько секунд до подхода цели к траекторному параметру во встречной зоне стрельбы и начинать следующую очередь через несколько секунд после прохода цели траекторного параметра в догонной зоне. При этом необходимо сдвинуть влево интервал перерыва в стрельбе на величину времени полета снаряда на минимальную дальность до цели. Сформированный таким образом перерыв предлагается использовать для охлаждения стволов после длинной очереди во встречной зоне стрельбы. Длительность паузы снизу ограничивается техническими требованиями на вооружение
(например, АК-630М1 для очереди в 200 выстрелов перерыв на охлаждение стволов должен быть не менее 2 секунд [1]). Так, например, для случая, рассмотренного на рис.1, можно принять время охлаждения стволов равной 5 секундам (2.5 сек. во встречной зоне и 2.5 сек. в догонной зоне).
На основании проведенного выше анализа сформулируем базовые требования к алгоритму автоматической стрельбы для случая пролетной траектории (скоростная воздушная цель):
- не открывать очередь без наличия автоматического сопровождения цели по углам и дальности;
- открывать длинную очередь при приближении цели к траекторному параметру (встречная зона стрельбы);
- выдержать перерыв на охлаждение стволов орудия в районе траекторного параметра;
- открыть длинную очередь при удалении цели от траекторного параметра (догонная зона стрельбы).
Базовые требования могут быть видоизменены или дополнены в зависимости от особенностей задач, решаемых конкретным зенитным комплексом. Так, например, может быть запрещена стрельба в догонной зоне, если комплекс предназначен для борьбы только с атакующими целями. В зависимости от времени нахождения цели в зоне поражения, а также от боезапаса и живучести стволов возможно назначение дополнительно 1-2 длинных (либо коротких) очередей во встречной зоне. Для обеспечения результативности стрельбы дополнительные очереди должны непосредственно примыкать к базовой очереди через необходимые по длительности перерывы для охлаждения стволов.
Список литературы
1. Автоматическая корабельная установка АК-630М. [Электронный ресурс] URL: http://armedman.ru/AK-630M (дата обращения: 05.04.2023).
2. Отечественная военная техника. [Электронный ресурс] URL: http ://militaryrussia.m/blog/topic-69.html (дата обращения: 05.04.2023).
3. Военное обозрение. [Электронный ресурс] URL: https://topwar.ru/10216-dvazhdy-shest-artilleriYskie-kompleksY-ak-630m1-2-i-ak-630m2.html (дата обращения: 05.04.2023).
4. Вестник ПВО. Зенитный артиллерийский комплекс "Голкипер". [Электронный ресурс] URL: http ://pvo .guns.ru/other/dutch/goal/index.htm (дата обращения: 05.04.2023).
5. Вернер В.Д., Мельников П.Н., Сазонов А.А. Восстановление полиномиального сигнала способом апериодической фильтрации. МИЭТ, Москва, 2006.
Мельников Петр Николаевич, канд. техн. наук, вед. науч. сотрудник, peter@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет электронной техники
THE ALGORITHM OF FIRING ARTILLERY ANTI-AIRCRAFT SYSTEM
P.N. Melnikov
The peculiarities of the algorithm of the firing on the example of small-caliber antiaircraft artillery system in the middle of the defensive line of the ship.
Key words: algorithm of the firing in the artillery of anti-aircraft system.
Melnikov Peter Nikolaevich, candidate of technical science, researcher, peter@olvs.miee.ru, Russia, Moscow, National Research University of Electronic Technology
