基于曲面地表的彈箭射程計算方法

鐘揚威,王良明

(南京理工大學能源與動力工程學院,江蘇南京 210094)

基于曲面地表的彈箭射程計算方法

鐘揚威,王良明

(南京理工大學能源與動力工程學院,江蘇南京 210094)

為了研究地表曲面對彈箭射程的影響,基于Kane方法建立計及地表曲面、重力加速度大小和方向變化的改進剛體彈道模型,將大地線的概念引入到彈箭射程計算中,討論大地主題反解法、正球體兩點距算法、橢球體兩點距算法、高斯投影距算法4種在曲面地表情況下計算射程的方法,比較改進剛體彈道模型和普通剛體彈道模型計算射程的差異。計算結果表明,在300 km范圍內,橢球體兩點距算法計算射程具有較高的精度,可作為曲面地表上的射程計算方法;考慮地表曲面后,采用改進剛體彈道模型比普通剛體彈道模型精度更高。

兵器科學與技術;曲面地表;彈道模型;射程

0 引言

在彈箭的彈道計算過程中,通常假設地表為平面,即認為地表與地面坐標系y=0平面重合,重力加速度方向也始終豎直向下。實際上,地球表面是一個曲面。在考慮曲面地表后,彈道的落點并不是地面坐標系的y=0,并且重力加速度的大小和方向也是時刻變化的,因此,橢球地表會對彈箭的射程產生影響。目前,在外彈道計算和射表編制中,多采用修正理論對此偏差進行處理。許多學者為解決這一問題做了研究,文獻[1]給出了考慮正常重力和橢球地表的彈道模型,雖然很精確,但其模型復雜,計算量大,使用起來不是很方便。文獻[2]中提出了使用射向內切圓逼近橢球地表的圓球地表模型,這種方法簡單,具有一定的精度,但其只適用于射程在100 km以內的彈道。文獻[3]設計了一種落點坐標系彈道模型,計算表明對質點彈道精度很高,但對6自由度彈道的精度沒有考慮。本文給出了一個計及曲面地表和重力加速度大小、方向變化的改進剛體彈道模型,分析了射程計算方法,比較了兩種彈道模型的計算差異。計算結果表明,在300 km范圍內,橢球體兩點距算法精度較高且公式簡便,可作為曲面地表上的射程計算方法。曲面地表對彈箭的射程影響較大,在100 km范圍內最大差異可達1 km,且其影響隨射程、緯度和射向的變化而不同。為了減小射程計算差異,可采用本文建立的改進剛體彈道模型及射程計算方法。

1 坐標系及其轉換關系

1.1 坐標系的定義

1)慣性坐標系Oexiyizi:不隨地球自轉,Oe為地心,Oezi軸沿地球自轉軸,Oexi和Oeyi軸在赤道平面內,指向太陽系外的任意恒星,構成右手正交系。忽略地球公轉。

2)地心坐標系Oexeyeze:Oe為地心,Oeze軸沿地球自轉軸,Oexe軸在赤道平面內,與零度子午線相交,Oeye軸與Oeze軸和Oexe軸構成右手正交系。

3)地理坐標系Cxgygzg:C為彈箭質心,Cyg軸垂直當地水平面,沿當地垂線向上為正,Cxg軸和Czg軸在當地水平面內,分別沿當地經線和緯線的切線方向,Cxg軸指向北,Czg軸指向東。

4)發射坐標系Cxfyfzf:C為彈箭質心,發射坐標系由地理坐標系繞Cyg軸轉動-ψ0角得到。Cxfyf稱為射擊面,ψ0角稱為射擊方位角。

5)彈軸坐標系Cξηζ:C為彈箭質心,Cξ軸沿彈軸方向,Cη軸和Cζ軸在垂直彈軸的平面內,與Cξ軸構成右手正交系。彈軸坐標系可視為由發射坐標系按3-2次序轉動φ1和-φ2角得到。

1.2 坐標系轉換關系

根據以上坐標系的定義,坐標系的轉換可用四元數來表示。

從地理坐標系到發射坐標系的四元數qψ為

2 改進剛體彈道模型

2.1 彈箭運動方程組

利用彈箭Kane動力學原理,考慮地表為橢球面,經過推導,得到彈箭的一般運動方程組,可表示為

式中:x=[u1u2u3u4u5u6φ1φ2γ B L H]T,其中u1、u2、u3表示彈丸在地理坐標系3個方向上的速度,u4、u5、u6表示彈丸在彈軸坐標系3個方向上的轉動角速度,φ1、φ2和γ分別為彈軸高低角、彈軸方位角和滾轉角,B、L和H分別為地理緯度、地理經度及高度。

2.2 慣性矩陣、廣義力矩陣和廣義慣性力矩陣

矩陣mpq、fp和Δf*

p中元素的求法如下:

式中:I、vp、ωp、at、εt分別為彈箭的轉動慣量矩陣、偏速度向量、偏角速度向量、加速度向量和角加速度向量;F和M分別為彈箭所受合力和合力矩向量;m為彈箭質量。

2.3 偏速度、偏角速度和加速度及角加速度

彈箭的偏速度vp和偏角速度ωp按表1計算,表中:iE、iN、iU分別表示地理坐標系三軸的單位向量;iξ、iη、iζ分別表示彈軸坐標系三軸的單位向量。

表1 偏速度和偏角速度Tab.1 Partial velocity and partial angular velocity

式中:R0為某緯度上考慮了該緯度的離心加速度影響所選取的有效地球半徑[4],通常可取為地球的平均半徑;g0為海平面處的重力加速度,根據1979年國際地球物理及大地測量聯合會推薦的正常重力公式為

3 曲面地表時的彈箭射程及計算方法

大地線是連接橢球面上兩點的最短線,它具有平面上的直線和球面上的大圓弧類似的特性。因此,考慮地表為橢球面時,彈箭的射程應當是橢球地表上,介于彈道起點和落點之間的大地線長度。

3.1 大地主題反解法

橢球面上點的大地經度L、大地緯度B和兩點間的大地線長S叫做大地元素。已知兩點的經緯度,計算它們之間的大地線長,叫做大地主題反解。

橢球面上的大地主題解算比平面和球面上的相應計算復雜,這是因為橢球面上的數學性質比平面和球面復雜。由于對計算精度的要求不同及計算工具和技術的發展,許多測量學者提出了種類繁多的解算公式和方法。文獻[5]中介紹了幾種典型的計算公式和方法。本文在下面的計算中采用的是高斯平均引數大地主題反解公式和貝塞爾大地主題反解公式計算兩點間的大地線長。

3.2 近似計算

由于大地主題解算公式復雜,且常需要進行迭代,計算不是很方便,目前發展了多種計算橢球面上兩點間距離的近似算法。

3.2.1 正球體兩點距算法

設地球上彈道起點O的經緯度坐標為(LO, BO)、彈道落點C的經緯度坐標為(LC,BC),當將地球視為正球體時,則兩點的距離D的計算公式為

式中:R取地球平均半徑。

3.2.2 橢球體兩點距算法

地球參考橢球上的任意一點的大地經緯度和高度坐標(L,B,H)與地心直角坐標(x,y,z)的變換關系式為[6]

考慮地表為曲面,則使用兩點間的貼地面弧長D作為兩點間的距離更接近實際情況,修正弧長

3.2.3 高斯-克呂格投影距算法

高斯-克呂格投影屬于地圖投影的一種,地圖投影是建立橢球面與平面上點與點的一一對應關系,其按投影面、投影變形性質的分類方法很多,文獻[5]中介紹了幾種常用的投影計算公式。

本文計算采用高斯六度帶投影法,空間大地坐標系轉換成平面直角坐標系的計算公式為

4 計算結果與比較

4.1 不同射程計算模型計算比較

為比較幾種不同的射程計算方法計算射程的差異,在不同緯度上選取起點,在不同距離上選取落點,起點經度都選取為東經115°,用上文4種方法計算兩點間距離,其中橢球體取1975年國際地球物理及大地測量聯合會推薦的橢球參數,正球體半徑取地球平均半徑,結果如表2所示。

由大地主題反解法算出的距離精度最高,可作為標準值。由表2可以看出,在不同緯度和不同距離上,由橢球體兩點距算法算出的距離和標準值基本相同。正球體兩點距算法有明顯的偏差,最大相對偏差為0.24%,中緯度上偏差小于低緯度和高緯度。高斯投影距算法在不同緯度和距離上與大地主題反算法計算出的結果基本吻合,最大相對偏差為0.02%,可以看出高斯投影距算法計算精度較高。在精度允許的范圍內,橢球體兩點距算法公式簡便,可作為彈箭射程的計算方法。

表2 不同計算方法射程計算差異Tab.2 The ranges calculated by different calculation methods

4.2 不同彈道模型計算比較

為了考察改進剛體彈道模型與文獻[4]中6自由度剛體彈道模型計算射程的差異,以某型火箭彈為研究對象進行對比計算(通過改變火箭的裝藥質量來改變其射程),計算結果如表3所示。表中Xc、Xi分別為6自由度剛體彈道模型和本文的改進剛體彈道模型計算得到的射程,ΔX=Xc-Xi為兩種模型計算的射程差。改進剛體彈道模型中,彈道起點經度為東經115°.

由表3可以看出,在相同的初始條件下,改進剛體彈道模型計算的射程隨著緯度的升高而減小。在不同射程和緯度上,普通6自由度剛體彈道模型計算射程比改進剛體彈道模型計算的射程大,其差異隨著射程的增大而增大,在100 km時最大射程差可達到1 000 m.射程越遠,地表曲面對射程的影響越大。正北和正西射向時的射程差異大于正東和正南射向。正北和正西射向時的射程差異隨緯度的升高而增大,而正東和正南射向時的射程差異隨緯度的升高而減小。

表3 不同彈道模型射程計算差異Tab.3 The ranges calculated by different ballistic models

5 結論

本文建立了基于地表曲面的改進剛體彈道模型,定義了地表曲面上的射程。討論了射程計算方法,比較了兩種彈道模型計算射程的差異。不同射程計算方法計算結果表明,在300 km范圍內,大地主題反解法和橢球體兩點距算法精度最高,高斯投影距算法精度也較高,最大偏差為0.02%,正球體兩點距算法偏差較大,最大偏差可達0.24%.在精度允許的范圍內,橢球體兩點距算法計算公式簡單,因此在射程計算時可采用該方法。兩種彈道模型計算結果顯示,曲面地表對彈箭的射程影響隨射程、緯度和射向的變化而不同。射程越遠,影響越大。正北和正西射向時的影響大于正東和正南射向。正北和正西射向時的影響隨緯度的升高而增大,而正東和正南射向時影響相反。本文建立的改進剛體彈道模型及射程計算方法對于射表編制、試驗射程標準化及彈箭設計有一定的參考價值。

References)

[1] 林獻武,王中原,王天明,等.正常重力和橢球地表對彈道計算的影響[J].南京理工大學學報,2009,33(5):607-611.

LIN Xian-wu,WANG Zhong-yuan,WANG Tian-ming,et al. Effect of normal gravity and ellipsoid earth surface on trajectory calculation[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2009,33(5):607-611.(in Chinese)

[2] 林獻武,王中原,常思江.曲面地表對彈道影響的一種計算方法[J].彈道學報,2008,20(4):12-15.

LIN Xian-wu,WANG Zhong-yuan,CHANG Si-jiang,et al.A calculation method for influence of curved earth surface on calculating trajectory[J].Journal of Ballistics,2008,20(4):12-15.(in Chinese)

[3] 劉鵬云,薛曉中,孫瑞勝,等.曲面地表對遠程火箭彈彈道影響的計算方法[J].火力與指揮控制,2012,37(8):44-46.

LIU Peng-yun,XUE Xiao-zhong,SUN Rui-sheng,et al.A calculation method for influence of curved earth surface on far range rocket projectile calculating trajectory[J].Fire Control and Command Control,2012,37(8):44-46.(in Chinese)

[4] 韓子鵬.彈箭外彈道學[M].北京:北京理工大學出版社, 2008:127-143.

HAN Zi-Peng.Exterior ballistics of projectiles and rockets[M]. Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2008:127-143. (in Chinese)

[5] 熊介.橢球大地測量學[M].北京:解放軍出版社,1988:109 -165.

XIONG Jie.Ellipsoidal geodesy[M].Beijing:Chinese People's Liberation Publishing House,1988:109-165.(in Chinese)

[6] 衛宇.考慮地球曲率情況下兩點距離問題的求解[J].航空兵器,2008,6(3):7-12.

WEI Yu.Solution of distance between two points considering curvature of the earth[J].Aero Weaponry,2008,6(3):7-12.(in Chinese)

Method of Calculation on the Range of Projectiles and Rockets Based on Curved Earth's Surface

ZHONG Yang-wei,WANG Liang-ming
(School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

To study the effects of curved earth's surface on the ranges of projectiles and rockets,a modified rigid body trajectory model is built based on Kane method in which the curved earth's surface and the changes in both the size and direction of the gravity acceleration are considered.The concept of geodesic line is introduced to the range calculation of projectiles or rockets.Four calculation methods for the range under the condition of curved earth's surface are discussed,such as inverse solution of geodetic problem and so on.The range errors calculated with the modified rigid body trajectory model and the ordinary rigid body trajectory model are compared.The result shows that the spheroidal distance algorithm has a high calculation precision in the range of 300 km,and can be used to calculate the range on the curves earth's surface.The modified rigid body trajectory model is more accurate than the ordinary rigid body trajectory model in the consideration of the curved earth's surface.

ordnance science and technology;curved earth's surface;trajectory model;range

TJ012.2

:A

:1000-1093(2014)08-1187-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.008

2013-07-22

鐘揚威(1989—),男,博士研究生。E-mail:zyw_601@163.com;王良明(1963—),男,教授,博士生導師。E-mail:lmwang802@163.com