基于最小二乘法的氣象信息組網技術及實現*

張志遠 劉玉文

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

基于最小二乘法的氣象信息組網技術及實現*

張志遠 劉玉文

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

根據最小二乘法設計了一種陸戰場大區域氣象信息數據組網架構,改變了傳統的氣象保障途徑和模式,提高了遠程火力打擊氣象保障能力,給出了基于組網技術的氣象信息數據隨空域變化的全彈道精確調用實現方法。

炮兵射擊; 最小二乘法; 氣象保障

Class Number E915

1 引言

炮兵氣象信息主要包括地面氣溫偏差量、地面氣壓偏差量、彈道氣溫偏差量和彈道風等氣象要素,這些氣象要素對炮兵射擊的影響很大[1～2]。為了修正這些氣象要素對炮兵射擊的影響,首先要測得這些氣象要素,但是由于炮兵武器裝備的射程較遠,單憑一個氣象站所提供的氣象信息來修正射擊諸元的誤差較大。即使小范圍內,也可能由于地形起伏等原因造成氣象信息的變動,尤其是風的變化更是變幻莫測[3]。這些缺陷阻礙了對射擊諸元的修正,從而導致火炮射擊準確性降低。進一步提高氣象信息數據的精度,達到提高射擊精度,特別是遠程武器的精度迫在眉睫。因此,文章提出了一種氣象信息組網方式,一改目前炮兵氣象保障各自為政,氣象分隊只能臨時保障小范圍的射擊訓練的模式,實現氣象資料的大范圍共享,提高對遠程火力打擊的氣象保障能力。

2 氣象信息的組網共享

2.1 氣象信息的獲取

為了實現氣象信息的組網共享,首先要協調配置氣象探測單位,及時獲取這些氣象信息。傳統的炮兵氣象保障是通過有專門的氣象分隊保障的,炮兵氣象站機動能力差,需要氣象分隊在適當的時機和適當的位置開設氣象站,探測時間長,氣象探測器材與裝備自動化程度低,這些問題都決定了傳統的氣象站保障方式難以實現大范圍的協調配置和氣象信息的共享。為此,可以采用無人機攜帶下投式GPS探空儀的方式進行大范圍氣象信息的獲取。機載下投式探空儀具有部署及時,配置靈活,探測方式隱蔽,自動化程度高,能夠很好地實現氣象信息的組網共享[4～5]。

2.2 氣象信息的組網方法

炮兵氣象信息組網采用無人機空投探空儀的方式,對整個戰場按照一定的方式空投多個探空儀,探空儀在下落過程中可以探測得到垂直方向不同高度的溫度、濕度、氣壓和風的資料,然后對多個探空儀測得的氣象信息進行組網。氣象信息的組網方式可以采取多種形式,例如,可以根據陸戰場實際情況確定氣象站間距和排布方位,如果整個陸戰場都相對平坦,探空儀可以等間距排布;如果整個陸戰場地形不一致,可以在地形起伏較大的區域,密集排布探空儀,在地形起伏較小的區域,疏散排布探空儀。

圖1 氣象信息組網

為了說明的方便,這里假設整個陸戰場地形平坦,所以采取等間距的方式排布探空儀,通常取X、Z方向間距相等,如圖1所示。

圖1中,縱軸為X,橫軸為Z,每個交點代表一個探空儀,用Q(x,y)表示。

組網后,各探空儀在同一時刻測得的氣象信息全部傳輸到地面站總機,由總機根據各探空儀傳回的數據進行計算,獲得任意點氣象信息。

3 擬合法獲取任意點氣象諸元

下投式探空儀探測得到的是一點的垂直大氣資料,不能反映出整個戰場的氣象的變化規律。氣象站進行組網后,根據多個探空儀探測得到的氣象資料,整個網絡覆蓋范圍內任意點的氣象信息都可通過擬合多項式法計算獲得,擬合得到的多項式可以直接輸入計算機計算[6～7]。

3.1 最小二乘法擬合

設有n+1對表格數據(xj,yj)(j=0,1,2,…,n),從這些數據中尋找一個m(m

φ(x)=a0+a1x+axx2+…+amxm

(1)

用它去擬合給定的表格函數,當階次m確定后,只要求出a0,a1,a2,…,am,多項式就確定了。a0,a1,a2,…,am的求取是通過最小化誤差的平行和尋找數據的最佳函數匹配。根據求多元函數極小值原理[6～8],最終得到最小二乘法擬合的正規方程如下

(2)

求解式(2)即可得到m+1個多項式系數a0,a1,a2,…,am。

3.2 氣溫的獲取

采用最小二乘法獲取氣溫,首先要收集同一高程上組網中各站點的氣溫信息,根據正規化方程(2)計算出擬合多項式的系數,得到氣溫擬合多項式,再將任意點的坐標代入氣溫擬合多項式,計算出該點氣溫。

由于二次多項式具有擬合精度較高,計算量適中等優點,所以我們采用二次多項式來擬合氣溫多項式。首先,沿組網的X方向根據式(2)擬合出N條曲線(N為Z方向氣象站點個數),其表達式為

(3)

式中:z=l代表一個氣象站間隔。

將任意點R(x0,z0)的X軸坐標代入式(3),得到一系列z與T的對應點,再將這一系列點擬合成二次多項式,就得到經過任意點R的氣溫曲線表達式

T(z)=a0+a1z+a2z2(x=x0)

(4)

再把任意點R(x0,z0)的Z軸坐標代入式(4),就計算出了任意點R的氣溫。

(5)

式(5)就是任意點氣溫的計算公式。

氣壓的獲取與溫度的獲取方法類似,在此不做贅述。

3.3 風的獲取

與氣溫的獲取不同,風由于是一個矢量單位,既有大小又有方向,因此需要對風這一矢量進行分解,將其分解成X和Z方向上的標量[9],設風與X軸夾角為θ,則X和Z方向的風分別為

(6)

再分別對X方向和Y方向的風進行二次多項式擬合,得:

(7)

(8)

式中:z=l代表一個氣象站間隔,N為Z方向氣象站點個數。

將任意點R(x0,z0)的X軸坐標代入式(7)和式(8),得到一系列z與Wx、Wz的對應點,再將這一系列點擬合成二次多項式,就得到經過任意點R的縱風、橫風曲線表達式:

(9)

再把任意點R(x0,z0)的Z軸坐標代入式(9),就計算出了任意點R的縱風WX(x0,y0)和橫風WZ(x0,y0),最后根據合成運算公式得出任意點的風:

(10)

圖2 任意點風向的求取

由于任意點風向可以是平面360°中的任何一個角度,因此按照任意點風速R(WRx,WRz)在平面坐標系的不同象限,可按照不同的公式求取,如圖2所示。如果R(WRx,WRz)在第一象限,則按照式(11)計算得出,其他類推。

(11)

如果R(WRx,WRz)在第二、三象限,則按照式(12)計算得出

(12)

如果R(WRx,WRz)在第四象限,則按照式(13)計算得出

(13)

3.4 氣象信息組網軟件實現

Visual C++是目前普遍采用的一種面向對象的設計語言,具有較強的功能。對于開發者,提供了可視化的開發環境,對于用戶,提供了友好的界面,以及簡便易學的操作[10]。為了獲取組網中任意點氣象諸元,根據上面的計算模型,這里采用Visual C++設計語言,開發設計了氣象信息組網與數據調用模塊,軟件總體框圖如圖3所示。

圖3 氣象組網軟件

1) 任意點氣象諸元的獲取

在任意點氣象諸元的獲取界面中,分別輸入任意點的橫、縱坐標和高度,然后點擊“計算”按鈕,則計算結果顯示在“氣象諸元”的編輯框中。由于在獲取任意點氣象諸元時所使用的數據是彈道氣象通報的數據,因此溫度、氣壓均顯示的是偏差量。

2) 炮目中點氣象諸元的獲取

在短距離射擊中,通常采用炮目中點的氣象諸元作為全彈道氣象諸元,因此獲取炮目中點氣象諸元意義重大,它的獲取與任意點氣象諸元獲取類似,只需先根據炮陣地和目標坐標計算出炮目中點位置即可。

3) 兩(站)點氣象通報的獲取

兩(站)點氣象通報的獲取根據用兩點氣象通報代替全彈道氣象通報的思想,把全彈道平均分成兩段,取每段中點的氣象通報代替全彈道氣象通報。方法與炮目中點氣象諸元獲取類似,只是兩(站)點氣象通報的獲取需要對所有高度的氣象信息進行插值運算,并將獲得的氣象信息規整為氣象通報的形式顯示出來。

4) 全彈道氣象通報的獲取

由于實際彈道需要根據炮彈實際飛行情況獲得,無法精確獲得沿彈道方向各點的高度,因此我們首先根據彈道方向各點水平坐標計算出其氣象通報,當炮彈飛過該點時,就可以根據彈道實際高度調用相應高程的氣象諸元,修正彈道。這里,我們在沿彈道水平方向上,每1km取一個點進行計算,直至到達目標點。

圖4是該軟件的主界面。在該界面點擊“任意點氣象諸元”、“炮目中點氣象諸元”、“兩站點氣象通報”、“全彈道氣象通報”,分別可以實現獲取任意點氣象諸元、炮目中點氣象諸元、兩站點氣象通報和沿彈道變化的氣象通報等功能。

圖4 氣象信息組網主界面

4 結語

根據最小二乘法首次設計了一種陸戰場大區域氣象信息數據組網架構,氣象信息擬合精度高,能夠較真實地反映戰場的氣象變化規律,通過氣象信息的組網,根據射彈彈道可以求取隨空域變化的全彈道的精確氣象諸元,改變了傳統的氣象保障途徑和模式,大大提高了遠程火力打擊氣象保障精度,具有顯著的軍事效益。開發了氣象信息組網、數據隨空域變化調用軟件,實現大范圍戰場空域任意點氣象諸元和氣象通報的獲取,可嵌入指揮信息系統、火控系統等武器中,滿足了部隊訓練需要。

[1] 劉玉文.軍用氣象條件亟待改進的若干問題的商榷[J].氣象科學,2005(9):12-13.

[2] 刁滿春,董鴻志.炮兵氣象通報中亟待解決的有關問題[J].軍事氣象,1998(6):50-53.

[3] 王兆勝.氣象條件的時空變化對射擊精度的影響[J].彈道學報,2006(1):46-47.

[4] 王榮華,張鵬銳.機載GPS下投式探空儀發展及展望[J].空軍裝備研究,2010,4(3):63-65.

[5] 董鴻志.GPS定位系統在炮兵防空兵氣象探測裝備中的應用[J].氣象水文裝各,2008(1):49-50.

[6] 丁軍,楊麗麗.科學與工程數值算法北京[M].北京:清華大學出版社,2003:52-54.

[7] 王雪琴.數學建模[M].北京:解放軍出版社,2000:32-34.

[8] 周儉新,蔣卓平.關于彈道風基礎數據的整理[J].南京炮兵學院學報,1990(3):25-28.

[9] 鄭人杰,殷人昆,等.實用軟件工程[M].北京:清華大學出版社,1997:12-13.

Meteorological Information Network Technology Based on Least Square Technique

ZHANG Zhiyuan LIU Yuwen

(Army Officers Academy, Heifei 230031)

A kind of marine major regional meteorological information data network architecture has designed based on least square method, the traditional meteorological guarantee way and pattern has changed, the remote fire hit the meteorological support capability has improved, spatial changes of the trajectory accurately call methods based on the meteorological information data networking technology are given.

artillery fire, least squares technique, meteorological report

2014年4月9日,

2014年5月26日

張志遠,男,碩士研究生,研究方向:武器系統運用與保障工程。劉玉文,男,博士,教授,博士生導師,研究方向:外彈道學

E915

10.3969/j.issn1672-9730.2014.10.020