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跨越「方向盘」阶段迈向「数字化」目标之研究– 以美军为例

发布时间:2019-07-01 15:43 来源:未知 编辑:admin

  炮兵早期因迁就科技条件与各「专业」(测地、射向赋予、观测)间需求差异有限,致选择功能广泛、用途多元与补保容易之「方向盘」,达成「单一装备」满足「多数专业」之目的。时至今日,科技条件、战场环境与专业需求等与半世纪前差异甚大,传统型式「方向盘」已优势不再,势将由数字(自动)化之「新式系统」取代。

  美军自 1960 年采用 M2(含 M2A2)方向盘,取代 M1 方向盘,至 1991 年全军总数高达 2,290 套。「沙漠风暴」后,美军开始检讨「M2 方向盘」适应性,除测地已纳编「定位定向系统」(PADS)外,并计划 1995 年起区分五年期程换装「火炮射向赋予与定位系统」(GLPS),率先跨越「方向盘」阶段,迈向「数字化」目标,其成效已通过战场考验。

  T炮兵于XX 66 年将 M1 换装为 M2 方向盘后,遂行长达 40 年之炮兵连测地与射向赋予作业,即使已藉由翻修改善现况,仍无法满足当前作战需求。笔者建议可借镜美军研发思维与经验,将炮兵连测量班、战炮排分别换装符合「数字化」(自动化)条件之「全测站经纬仪」、新式「射向赋予系统」,俾能符合个别专业之特殊需求,提升炮兵战力。

  自 1950 年起,「方向盘」(aiming circle)即为炮兵连测地、射向赋予为主,观测为辅之制式装备。「方向盘」在炮兵长达半世纪的服役中,即使经历科技蜕变、战争转型与火炮数次世代交替,仍无改变其重要地位。直至第一次波湾战后(1991 年)检讨,美军发现 M2 方向盘结构老旧且功能有限,已无法满足现阶段作战需求,亟需换装新式系统,以解决战场上日益升高之定位与定向问题。因此相继换装新一代的「测地」与「射向赋予」系统,率先跨越「方向盘」阶段,迈向「数字化」(自动化)目标,且获得具体成效。

  T炮兵与美军相似,早期使用 M1 方向盘(如图一),XX 66 年后换装M2 方向盘(如图二),遂行长达 40 年之炮兵连测地与射向赋予作业(如表一),即使目前藉由翻修改善老旧现况,仍无法满足当前「数字化」(自动化)战场需求。未来是否仍继续使用「方向盘」系列产品?或换装符合专业需求之新式系统?诚宜审慎规划,以符实需。

  M2方向盘外观与测量「经纬仪」相似,可用于测量水平、高低(俯仰)与方位角,加装滤光镜后可对太阳观测实施「天体观测」(Astronomy observations,即天文定向)。炮兵早期因迁就科技条件与各专业(测地、射向赋予、观测)间需求差异有限,致选择功能广泛、用途多元与补保容易之「方向盘」,达成「单一装备」满足「多数专业」之目的。时至今日,科技条件、战场环境与专业需求等与半世纪前差异甚大,传统型式之方向盘已优势不再,被新式系统取代为必然趋势。M2 方向盘现况检讨如下。

  定向精度不佳:M2 方向盘定向系以「磁针」为主,「天体观测」为辅。惟两种定向方式所得之「方格方位角」,精度有限。

  磁针定向:M2 方向盘设置磁针,作为定向与测方位角使用。惟磁针以磁北为基准,须利用「磁针方格偏差常数」(Declination constant,简称磁偏常数)将「磁方位角」修正为「方格方位角」(如图三),方可提供炮兵使用。因磁北变异甚剧且影响磁针精度之因素甚多,如未与影响磁针之物体保持安全距离或磁针生锈、磁性异常、「均重」(Counter weight)不当、枢轴磨损,以及未实施「磁偏校正」(Declination)或磁偏校正站数据误差等,皆可能导致测地「定向」或「方位角法」射向赋予精度不佳。

  天体观测:M2 方向盘利用天体观测定向时,不仅易受天候与光害限制、作业繁琐,且须经「方格偏差修正」将「正方位角」修正为「方格方位角」,致甚少使用。

  望远镜倍率不足:M2 系列方向盘之望远镜倍率仅 4 倍,视界仅 10 度(约 180 密位),除无法调整焦距外,反觇体亦不明显。当测地时测站过远,或射向赋予时阵地幅员宽广、各炮间隔纵深过大、天色较暗时,即测角或觇视(标定)困难,造成测地与射向赋予不便。

  无法测距:测地须获得测站间精确距离求算坐标、标高,战炮排则须测取「炮遮距离」作为阵地射击准备。因 M2 方向盘无法测距,测地须藉卷尺量距,阵地「炮遮距离」则由采目测、图上量取方式决定,不仅影响测地速度与精度,易影响最小射角计算之结果。

  缺乏数字化条件:就当前科技发展要件观察,「数字化」为「自动化」之必要条件。惟 M2 方向盘采传统「机械式」设计,不仅无法自动计算「测地成果」或射向赋予、测定炮位,亦缺乏数据储存与传输功能,影响作业时效。五、夜间操作困难:M2 方向盘夜间照明装置使用传统灯泡与 BA30 电池(1 号电池)×2,由「标线灯」照明望远镜内标线分划,「指灯」则照明反觇体、磁针归北、看读方向、高低分划与锤球定心等。当夜间测地与射向赋予时不仅使用不便,亦因反觇体不明显(体积过小、高度不足且无法自行发光),造成标定、判读分划与反觇困难。

  分划设计不够精密:M2 方向盘之方向、高低分划设计皆为 1 密位(最小可看读至 0.5 密位),因精密度较低,就炮兵连测地而言,测量班甚难于时限(1 小时内)建立符合:坐标1/500、方位角±2 密位精度要求之测地成果。就射向赋予而言:XX 72 年后获得之 M110A2、M109A2、M109A5 式自行火炮,其「瞄准具」(周视镜)之方向分划最小可装定至 0.25 密位,惟 M2 方向盘仅可显示至1 密位,因两者差距甚大,影响射向赋予作业配合度与精度。

  机械度盘容易空回:M2 方向盘为光学机械式设计,因考虑不影响磁针定向精度,分划度盘采较易磨损之铜质「精密齿轮」(如图四)。当长期使用或操作不当时(如未将方向补助分划归零,即大方向转动本分划),易使齿轮不正常磨损而导致空回,将影响连测地与射向赋予精度。

  气泡膨胀影响精度:M2 方向盘计有「管形水平气泡」×2,规格须小于左、右三条刻划。惟「管形水平气泡」无泄压设计,当长期曝晒阳光或环境温度变化过大时容易膨胀,其大小目前均到达左、右三条刻划中间的长刻划(99、 100 年翻修时并未全数换新),已逐渐影响器材水平与测高低角之精度。如水平气泡大于左、右三条刻划最外面之短刻划时,将严重影响作业精度(如图五)。

  自二次世界大战起,炮兵迁就科技条件与考虑各专业间差异有限,选择具备功能涵盖广泛、用途多元且补保容易条件之传统「方向盘」(M1、M2、M2A2 型式),作为炮兵测地、射向赋予与观测装备。至 90 年代后,在科技蜕变、战争转型与新式火炮需求改变冲击下,美军体认「数字化」(自动化)重要性与「单一装备」无法满足炮兵「多数专业」特殊需求之现实,致传统方向盘之重要性明显改变,将由其他「目标陆军装备」(Objective Army Requirements,OAR)取代。就美军炮兵为例,测地、射向赋予、观测等专业,已逐渐回归专业本质,纳编符合专业需求、数字(自动)化、增大战场存活力、精简人力、提升效率与射击精度之装备。美军无疑为全球少数拥有科技创造能力与强大财力,可依据实际需求研发所望战具与战法之部队,鉴于现阶段对抗各种不明确威胁与反恐、反叛乱之兵力投射战略,对联合火力支持需求迫切,陆军部分则积极发展野战炮兵战力,其测地与射向赋予跨越「方向盘」阶段,迈向「数字化」目标之研发思维与经验(如表二),可供T参考。

  1981 年美军为提升炮兵营(含)以上层级之测地能力,已开始纳编「定位定向系统」(PositionAzimuth Determining System,PADS)。至 90 年代,美军开始采用「每营三个连、每连八门炮、区分两个战炮排」(简称 3×8)取代原本 3×6 编组方式,俾增大火力运用弹性、提高战场存活力、杀伤力与后勤整补速度。惟此举测地作业量将增至 2 倍(3×8 较 3×6 增加 3 个排阵地中心)以上,须将营部连测量班增编为:「定位定向系统」(PADS)组×2、测量组×1(编制:T16 经纬仪、SEDME-MR 中距离测距仪、SIAGL 定向陀螺仪),负责各炮兵连之战炮排、目标获得设施之测地作业(如表三)。各炮兵连测量班则同时精简编组,M2 方向盘办理缴回。

  当炮兵营测地作业由原本的「劳力密集」,转变为「装备与技术密集」型态后,已可充分涵盖炮兵连原使用 M2 方向盘执行之测地任务(装备性能比较,如表四)故可精简连测量班,将员额转用其他编组。如有其他应急定位、定向需求,则可由战炮排 1995 年后编配之「火炮射向赋予与定位系统」(GLPS)支持。

  美军于1991 年波湾战争期间,美军仍使用 M2(M2A2)「方向盘」作为炮兵射向赋予之主要装备(如图六)。1995 年决定采用「火炮射向赋予与定位系统」(Gun Laying andPositioning System,GLPS),计划区分五年期程采购 717 套,预定 2000 年之前,全数拨发至牵引炮或「非」M109A6 式自行火炮单位,「初始作战能力」(Initial OperationalCapability,IOC)则定于 1998 会计年度。未来每个六门炮之炮兵连或四门炮之炮兵排皆可配赋乙套 GLPS(如图七),可有效解决战场上日益升高之定位、定向问题。GLPS 为瑞士「莱卡」(LEICA)工业技术公司制造,系统涵盖惯性定向、雷射测距、GPS 定位、光电测角与电子计算等组件,堪称先进且全功能之系统。

  (一)系统组成:GLPS 为模块化设计,可视用户之特定需求组合构型。系统通常包括 SKK3-08 指北陀螺仪、T502S 电子经纬仪、MRF-2000-2 模块测距仪(如图八)、PLGR 接收机、SZ19 觇标杆、电池组、SST90 三脚架、携行箱与附件等。重要组成之构造与特性,分述如后。

  SKK3-08 指北陀螺仪:为惯性系统,不受「电磁干扰」,可于 3.5 分钟完成定向作业,在南、北纬 65 度之间地区,可提供 0.2 密位(公算偏差,PE)精度之方位角;南、北纬 65–75 度之间地区,则为 0.3 密位(PE)。

  T502S 电子经纬仪:为电子式结构,使用电子气泡定平,具备测量水平角、高低角与整合全部系统能力(如使用接口、中央处理等)。包括 MRF-2000-2 模块测距仪、SZ19 觇标杆等,皆安装于 T502S 电子经纬仪上。

  MRF-2000-2 模块测距仪:由 T502S 电子经纬仪之望远镜光轴发射雷射,测距能力可达 2 公里以上,精度为±1 公尺。MRF-2000-2模块测距仪为非危险性之「Ⅰ级护眼雷射」(ClassⅠeye-safeLaser),符合 1993 年「美国国家标准协会」(ANSI)所定之 Z136.1 雷射使用安全标准(ANSI Z136.1)。

  PLGR 接收机:为体积小、重量轻、可手持操作,具「反欺骗」(Anti-Spoofing,A-S)能力,机体结构坚固、防震、防水之 GPS 接收机(装备程序 AN/PSN-11)。区分为「标准定位服务」(Standard PositioningService,SPS)与「精确定位服务」(PrecisePositioning Service,PPS)两种机型,平均定位精度为坐标 10 公尺(圆形公算偏差,CEP)、标高 10 公尺(PE),可与 GLPS 联机使用。

  (二)系统功能:「火炮射向赋予与定位系统」(GLPS)与「M2 方向盘」比较,具备精度高、功能完整与数字化条件等优点(如表五)。其功能分述如下。

  快速定位:GLPS 通常整置于战炮排阵地「选择点」,可使用 GPS 与「一点反交会」两种方式决定「选择点」(系统)位置,系统将显示该点之「1984年世界大地系统」(WGS-84)UTM 方格坐标。

  GPS 定位:由联机之 PLGR 直接传输「选择点」(系统)所在位置之坐标、标高,至系统之 T502S 电子经纬仪。

  一点反交会:A.输入适当且可确认之已知点坐标、标高。B.测定「选择点」(系统)至已知点方位角、距离与高低角,再由系统自动计算「反交会点」(选择点或系统)位置。C.储存「选择点」(系统)位置数据。

  精确射向赋予与测定炮位:(1)SKK3-08 指北陀螺仪完成指北,并于 T502S 电子经纬仪输入「射击指挥所」通报之「炮检(目)方位角」。(2)T502S 电子经纬仪之望远镜标定火炮瞄准具,测定至火炮之方位角、距离与高低角,并宣读火炮射向赋予「方向」。(3)T502S 电子经纬仪自动计算炮位,并储存炮位坐标、标高。

  测定炮遮距离:T502S 电子经纬仪之望远镜直接瞄准遮蔽物或瞄准背立于遮蔽物上之炮手,以 MRF-2000-2 模块测距仪精确测定「炮遮距离」。

  图六 1991 年波湾战争期间美军第 18 空降军炮兵使用 M2 方向盘射向赋予

  T使用 M2 方向盘已逾 40 年,其结构与性能已不符「数字化」(自动化)条件,亦无法满足连测地与射向赋予之个别专业需求,尤其未来炮兵将规划火炮性能提升与精准弹药射击,相关装备宜前瞻任务同步更新,以符实需。前述美军跨越「方向盘」,迈向「数字化」之作为与经验,可供T规划连测地与射向赋予装备参考(如表六、七)。相关建议,分述如后。

  一、连测地装备提升为「全测站经纬仪」:自「精进案」后,T炮兵已采用与美军相同之 3×8 炮兵营编组,惟营部连测量班仍维持原来定位定向系统组 ×1、测量组×1(7 人)编制,实无法满足倍增之测地需求。基此,炮兵连测量班(4 人)依需要将支持炮兵营测地,无法比照美军精简,且不宜再使用效率较低的 M2 方向盘,建议换装「全测站经纬仪」(Electronic total station),将可符合编制条件,且提升测地速度与精度(如表八)。相关理由分述如后。

  就装备条件而言:就「测绘学辞典」解释:「全测站经纬仪」为集光、机、电子为一体之高科技测量器材,具备水平角、垂直角、距离、高差测量功能之测量装备,因整置后即可完成测站全部测量而称之,T炮兵目前使用之蔡司 Rec Elta-13、徕卡TPS700 测距经纬仪皆属「全测站经纬仪」。「全测站经纬仪」包括测角系统、测距系统、电源、数据处理、通信接口、显示屏、键盘等部分,较传统方向盘功能多元、完整,炮兵连测量班可就任务,选择倍率、测距能力、测角精度较现行炮兵营使用「测距经纬仪」差,价格较低之机种,将可获较大效益。

  就作业编组而言:炮兵连测量班(班长、测量士、测量兵×2,合计 4 人),目前使用 M2 方向盘(导线 人)操作或由连上抽调余员支持,并准备多数标竿始可遂行。如采「全测站经纬仪」时(导线 人),作业编组仅缺 1 人,由班长兼任纪录手即可作业,较符合编制条件。

  就整体效益而言:通常 M2 方向盘测地速度为每小时 1 公里、精度为 1/500,当陌生地形或不良天候状况下,速度更慢。「全测站经纬仪」测地速度为每小时 2公里、精度为 1/1,000,不仅连单独执行任务时,可增进测地速度与精度;即使营全部测地时(不论有、无「定位定向系统」作业型态),皆可适切支持,俾减轻营部连测地负荷,确保测地任务达成。

  二、战炮排换装新式「射向赋予系统」:除美军所使用之 GLPS 外,数种新式「射向赋予系统」已使用于先进国家炮兵,均具备优异性能,符合当前战炮排迫切需求之定位、定向、炮位计算、射向赋予、射向检查、阵地准备作业等功能,可获致 M2 方向盘更大之效益。相关理由分述如后。

  就未来新式火炮兼容性而言:T炮兵战力提升区分为「现有M109A2、M109A5 式自行火炮性能提升」与「采购新式火炮取代其他旧型牵引炮」两大方向,而未来射向赋予所使用之装备,应前瞻与新式或性能提升后之火炮系统兼容性。如规划未来使用 M777 系列 155 榴牵引炮,则传统方向盘已无法配合,采用新式「射向赋予系统」为必然趋势。

  就战场存活力而言:炮兵在战场主要威胁来自「空中」与「反火力战」。美军依据「伊拉克自由作战」(OIF)经验:当反炮(迫炮)雷达「侦测目标」至「反火力战射击」全部流程仅需 6 分 37 秒(如图九),以「料敌从宽」思维模式,敌亦可能具备相同能力。因此准则中明确律定 M109A6 自行火炮在中、高度威胁环境之「存活运动」(SurvivabilityMovement)策略,除须采机动与分散部署,且在射击区内须实施 300-500 公尺之存活运动,藉以脱离反火力战威胁。至于「非」M109A6 自行火炮单位,无法自行定位、定向,惟有藉「火炮射向赋予与定位系统」(GLPS)特殊性能,达成存活运动之目的。即使测地无法及时支持,战炮排仍可自行确定炮位与射向赋予。

  就精准弹药射击需求而言:「精准导引武器」系运用寻标(感测)器侦测自目标(参考点)反射之电磁能量或「相关科技」比对,经过处理程序后,使之导引目标之武器。惟目前精准弹药多采 GPS 方式导引,须输入「发射点」与目标(参考点)位置,当炮弹发射后,利用弹头内GPS 立即寻址数据持续比对与目标关系,并适时修正弹道方位与姿态,将炮弹导引至目标。基此,射击精准弹药须由火炮内建或外部输入位置数据,因新式「射向赋予系统」可测量各炮精确位置,符合射击精准弹药需求。

  就实际效益而言:1995 年「火炮射向赋予与定位系统」(GLPS)与以色列 TAMAN「定北/射向赋予系统」(NorthFinding System / Gunlaying and Positioning System,NFS/GLS)共同参与美国炮校举办之技术性能测试(NFS/GLS,如图十),经审慎评估后美军决定采用 GLPS,其评估效益为:增取作战时效、提升反应能力、增大战场存活力、有效替代 PADS、适切精简兵力、因应「过渡阶段」(M109A2 提升为 A6 式自行火炮)、节约维修预算等七点。部分效益符合T需求,可供参考。

  图十 以色列 TAMAM 工业生产之「定北/射向赋予系统」(NFS/GLS)

  1950 年起,美军炮兵即使用「方向盘」遂行测地、射向赋予与观测作业。 90 年代后,在科技蜕变、战争转型与新式火炮需求改变等冲击下,深刻体认「数字化」(自动化)重要性与「单一装备」无法满足「多数专业」特殊需求之现实,将测地换装「定位定向系统」(PADS),射向赋予则采用「火炮射向赋予与定位系统」(GLPS),率先跨越「方向盘」阶段、迈向「数字化」目标,其成效已通过战场考验。

  T炮兵目前 M2 方向盘使用已逾 40 年,其结构老旧、功能有限,为不争之事实。建议可参考美军研发思维与经验,将炮兵连测量班、战炮排分别换装符合「数字化」(自动化)条件之「全测站经纬仪」、新式「射向赋予系统」,俾能符合个别专业之特殊需求,提升炮兵战力。

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