射爆撃理論の基礎

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1 誤 差

(1)誤差の要因からみた区別

      射撃に至るまでには、大まかにいって、「目標情報取得」→「射撃諸元算定」→「諸元設定」→「発射

 の段階を経る。ここでは、このような段階を経て統計処理上意味のある多数弾が発射されるものとして論を

 進めます。

  発射された弾は目標に命中する場合もありますが、外れる場合もあります。外れる場合、すなわち誤差を生

 ずる要因としては、@ 「過失誤差」、A 「系統誤差」、B 「偶然誤差」の3つに区別して考察する必要がありま

 す。

@  過失誤差

  過失誤差は人為的なものですから、射撃に至る各段階で生じますが、特に、目標情報の取得段階において

 過失が多くは生じます。それは、目標が敵領域に属する場合が多いので、どうしても不確かさがつきまとうから

 です。その結果、見間違いや、過大評価、過小評価あるいは、場合によっては虚偽の報告などまで生起します。

  目標情報の精度は、時間とコストをかければ向上しますが、それでは、戦機に適しません。最近のコソボ戦闘

 でも数多くの過失誤差(誤爆)が起きています。

  この種の誤差は、射爆撃理論になじまないので、ここでこれ以上言及しませんが、人間のやることなど当てに

 はならないから、人為的な誤差は最初から折り込んでおく必要があるでしょう。

A 系統誤差

  系統誤差は、多数弾を射撃した結果、弾着点の平均位置が目標からずれる原因となる誤差です。このずれ

 は通常、「偏り」又は「バイアス」と呼ばれています。射撃における系統誤差は、射撃において、基準となるも

 のの狂いによって生じます。例えば、目標情報取得段階における目標位置決定の誤差、射撃諸元算定段階に

 おける計算誤差そして射撃諸元設定段階における方向盤(方位測定器具)や象限儀(射角測定器具)などの

  射撃諸元設定器具の狂いや各種メータの零点規正の狂いなどによって生じます。

  これらの誤差は、一般に、結果を観測して、射角や射向を修正することで応急的に対応します。もちろん、

 戦闘中に結果を観測したのでは間に合わないので、事前に、試射を行って修正量を得ておくことになります。

  例年問題になる、大学入試センター試験の選択科目の平均点の調整などもこの種の誤差の修正と同類の

 ものですが、問題が問題だけに、事前に試射を行うわけに行かないことと、その修正量をいかほどにしたら

 社会的公正が保たれるか難しい問題を含んでいます。

  射撃結果、偏りが生じた場合の目標の撃破確率は、正規分布において、偏りを平均値とすることによって求

 めることができます。

B 偶然誤差

   偶然誤差は、射撃の結果として弾着点が平均弾着点の周りにばらつき、平均弾着点に一致しない誤差の

  ことです。 そしてこのばらつきの度合いを「精度」(precision)といい、系統誤差によって生じた偏りの誤差

  の度合いを「確度」(accuracy)と呼びます。

    偶然という言葉、一般的に、原因からあらかじめ結果を予知できない事象が生じたたときに使われますが、

  射撃で使われている偶然誤差必ずしもそうではありません。例えば、木の枝から木の葉がハラリと落ちたとき、

  地上のどの点に落ちるか正確に予知できませんが、それは、木の葉の空力特性を完全に記述できないことや

  それに作用する大気の状態を瞬時かつ正確に測定できないからであります。ところが、通り魔に遭って、一命

  を落とすといったことは、まさしく偶然であって、そこに理論式は存在しません。

   ある火砲の標準的な弾道については、標準的な弾薬(重量、初速、装薬温度など)と標準的な気象状態

  (風向、風速、気温、湿度、弾道密度など)を設定して、弾道に関する各種のデータを計算と実験から求め

  「射表」(range table)として編纂されています。射撃をする場合は、この標準状態をもとにして、標準状態

  との違いに基づく修正量を計算して修正射撃諸元として火砲に設定します。このためには、弾道に及ぼす

  各種の要因を正確かつ迅速に測定しなければなりませんが、実際に射撃を行うときと時間がずれますので、

  風向や風速などは変わってしまいます。また、いったん砲から発射され弾丸はもはや修正のしようがありま

  せん。砲身内腔の摩耗は初速を低下させますが、戦闘中に正確に測定し、それを射撃に反映させることは

  不可能です。否、不可能というより、そんな暇があったら1弾でも多く射撃をした方が任務達成に寄与します。

   このように、射撃における偶然誤差は主として、修正不完全ないし修正不可能あるいは意図的な修正放棄

  の結果としても生じます。

    交通事故に遭うことなどは個人にとっては偶然かもしれませんが、日本では、毎年平均的に1万人に1人

  程度の割合で交通事故で死亡しています。その原因については、詳しく分析されていて、例えば、運転者に

  起因する原因としては多い順に、@ 前方不注意、A 速度超過、B 運転操作、となっていて、これだけで全

  体の5割以上を占めています。したっがて、これらの原因を取り除けば、交通事故死は理論的には半減する

  ことが期待できるわけですが、そのためには、莫大な社会的コストがかかります。また、自動車を無くしてしま

  えば、事故はなくりますし、排気ガスによる環境汚染も無くなりますが、経済活動に支障をきたすとともに、その

  利便性を享受できなくなります。

(2)誤差関数

   いま、射撃諸元(野戦砲を例にとれば、射角や射向(方位)など)を算定後、同一諸元を砲に設定し、多数

 弾を発射したとすると、射弾は平均弾着点の周りに散布することになるが、その密度は平均弾着点から離れ

  るに従って、薄くなります。その景況を数式で示すと、一般的に次の誤差関数で表現されます。

    y = ( h/sqrt(π))・exp(−h・ x          (1)

    (注) 根号 √ を sqrt( ) で表現しています。

 ここで、 は「正確度」又は「精度係数」と呼ばれ、この値が大きいほど、精度が高くなります。ちなみに、

 規分布関数では h の値は、標準偏差 σ をもって次のように表されます。

    h=1 / ( sqrt(2)・σ )                    (2)

 なぜ誤差関数が(1)式のような形になるかについて興味のある方は、次の文献を参照してください。

    一瀬正巳:「誤差論」、培風館、昭和28年10月20日

    廣川友雄:「誤差論と最小自乗法」、アース社、昭和50年10月3日

(3)誤差積分

  (1)式において、 h=1 とおき、また、偶関数であることに注意して、 0〜x まで積分した値を「確率積分

  erf(x) といい、式で示すと次のようになります。

    erf(x)=(2/ sqrt(2))・∫exp(−t)dt                                            (3)

  この値は、誤差に関する専門書の巻末付録として載っています。(3)式は簡単に計算できませんが、

    erf(x)=(2/ sqrt(2)){x− (x/3)+(x/5・2!)−(x/7・3!)+・・・}         (4)

  を使って、近似的に計算できます。(4)式を積分範囲0〜5において小数点以下5桁の精度で計算するプロ

  グラムの例を他のページに示します。なお、積分範囲 0〜5 は、正規分布に換算すると、0〜±7σの範囲

  に相当します。

計算のためのソースプログラムを参照したい方はここをクリックして下さい。

   確率の計算によく使われる正規分布は次に示すような数式で表されますが、この式から直接計算できま

  せんので、数表化され確率統計の本の巻末に載せています。

     Φ(x)={1/sqrt(2π)σ}・∫exp{−(t−μ)/2σ}dt     (5)

  上式の積分区間は本によって @ -∞〜xA 0〜x 、B +∞〜x と異なっていますので、

  使用する場合によく確かめて、目的に適合するように適宜変換する必要があります。

  また、正規分布の数表は、(5)式において、平均値 μ=0、標準偏差 σ=1 とおいた

  「標準正規分布」についての計算値を示しているので、この値から(5)式の値を求めるには

     z=(t−μ)/σ

  の変換を介して(6)式を適用します。

     Φ(x)={1/sqrt(2π)}・∫exp(−Z/2)dZ          (6)

  数表を使ったこれらの計算は、やっかいで、しばしば間違いを生じますので、(3)式と(6)式の間に次のよう

  な関係があることを使って正規分布(「標準正規分布」及び「非標準正規分」)の値を求めるプログラム作成

  しました。

     erf(X)=2Φ(sqrt(2)・X)−1          Φ の積分範囲 : -∞〜x

  または、

     Φ(X)={(erf(X/sqrt(2))+1}

計算のためのソースプログラムを参照したい方はここをクリックして下さい。

 

2 CEP、SSKP、Kill と Over Kill

(1)CEP(Circular Error Probability;半数必中界)

  射弾がほぼ同心円状に散布するものと仮定して、射弾数の1/2が含まれる同心円の半径をcep(セップ

 と呼びます。cepは火砲や弾道弾の命中精度の尺度としてよく使われ、cepが小さいほど精度が高くなります。

 目標の半径がsepに等しい場合はcepの定義から命中確率は50%になりますが、目標の半径が2倍になっ

 た場合の命中確率はいかほどになるかなどは、これだけではわかりません。ここでは,cepがわっかていいる

 場合の命中確率の計算ができるようにします。

  いま、目標を中心とする同心円を考え、半径r〜rの帯状の円環上に弾着する確率は、(1)式をつかって、

    ∫r1r2(h/π)・exp(−h)・(2πr)dr=exp(−h)−exp(−h)                 (7)

 したがって、半径 r の目標全体に、着弾する確率は

    exp(−h・(0)2)−exp(−h)=1−exp(−h)                                            (8)

 確率50%で命中する半径は、(8)式の右辺=1/2とおいて

        1−exp(−h)=1/2

        exp(−h)=1/2

 両辺の対数をとり

         r = cep = sqrt(log2)/ h                                                                         (9)

    h = sqrt(log2)/ cep                                                                                (10)

 (10)式を(8)式に代入し、その確率を cep 確率関数 cep(r) と呼ぶことにすると、半径 r 以内に入る確率

 は次のようになる。

        cep(r)=1−exp(−(log2)・(r/cep))              (11)

  なお、cepと正規分布関数の標準偏差σとの間には次の関係があります。

        cep=sqrt(2)・sqrt(log(2))=1.1774σ                (12)

  (11)式から(r/cep)の代表的な値について確率を計算してみると次のようになります。

r/cep

確率(%)

備     考

0.5 15.9 半径が cep の1/2 の円
1/sqrt(2) 29.3 面積が cep 円の1/2 の円
1.0 50.0 半径が cep に等しい円
sqrt(2) 75.0 面積が cep 円の2倍の円
2.0 93.8 半径が cep の2倍の円

 計算のためのソースプログラムを参照したい方はここをクリックして下さい。

 参考のためにプログラムで計算した結果をグラフに示します。

 

cep1.gif (6591 バイト)

 

(2) Lethal Area(致命域) と SSKP(Single Shot Kill Probability ;単一射弾撃墜確率)

   弾丸に対する目標の脆弱の度合いによって、必ずしも目標に直撃しなくても、爆風や破片などで、目標の

  戦闘機能を消失させることができる場合もあり、反対に直撃しても当たりどころが悪ければ不成功に終わります。

   目標とそれに対する使用武器を想定して、目標の破壊確率をを求めると、その確率は目標の中心から測っ

  た弾着位置の関数として表されます。目標から離れるに従って、当然その確率は低下して行くわけですが、

  多数弾を射撃した場合、一々その弾着点から撃破確率を計算することは大変ですから破壊確率曲線で囲ま

 れた面積を高さ 1 の矩形で近似して、矩形内では100%撃破でき、それ以外の区域では撃破確率が0とみ

  なして計算を進めます。 このようにして求めた区域を致命域、またその半径を致命半径と呼んでいます。致

  命域は同じ目標でも、その 状態、例えば暴露した人員に対する爆撃の場合、立っている場合に対して伏せ

 ている場合は致命半径がほぼ 1/2 に減少します。

  致命半径が決まると前節のcep とこの致命半径から1弾を射撃したときの、目標撃墜(又は撃破)確率が求

 められます。この確率を sskp と呼びます。

(3) Kill と Over Kill

   p=sskp として、同一射撃諸元で n 発の弾を撃つ場合を考えましょう。sskp は、その定

  義から1発でも命中すれば撃墜(破)できる確率ですから、n発中1発以上命中する確率を求

  めればよいことがわかります。 n 発射撃したときの命中弾と非命中弾の組み合わせは、2項

  分布で表されます。 例えば、最も単純化して a 弾と b 弾の2発射撃するとしますと、@ a 

  弾,b 弾2発とも命中、A a 弾命中、b 弾非命中、B a 弾非命中、b 弾命中、C a 弾、b

  弾ともに非命中、の4つの組み合わせ生じます。これらの各組の確率はa弾、b弾ともにその

  sskpが等しくpであるとし、命中しない確率を q=1−p とすると次式で表されます。

        (p+q) = p+pq+pq+q = p+2pq+q = 1               (1)

     1発以上当たる確率は、1から1発も当たらない確率(=q)を引くことによって求められるから

  撃墜確率を Pk とすると次式が得られます。                                    (2)

      Pk=1−q =1ー(1−p)

  n 発射撃した場合、(1)及び(2)式は、それぞれ次のようになります。

        (p+q)・p・pn−1q+・・・・・+・pn−r+・・・・・+・q=1   (3)

         Pk=1−q =1−(1−p)                                  (4)

   なお、p ≪1 の場合は、 n→∞ のとき (1+ x/n) → e

  なることを利用して次式で近似できます。

        Pk=1−q =1−(1−p)=1−(np/n)} ≒ 1− e−np        (5)

  (4)又は(5)式で示しされる撃墜確率 Pk は、1発、2発、・・・・・、n発命中する確率を加算した値ですから、

  1発命中すれば撃墜できることを考えれば、2発以上命中の命中弾は過剰命中弾( Over Kill )となりま

  す。Over Kill が生ずる確率は、全事象が生ずる確率(=1)から、命中弾が0発及び1発が生ずる確率を引

  けば求まりますから、その確率を Pok とすると、

        Pok =1−(・qn-1・p・qn−1)=1−(q+ n・p・qn−1

      =1−q(1+np/q)                                                             (6)

  ここで、np は命中弾数の期待値、すなわち平均命中弾数ですので、この値をλ とおくと、

        Pok =1−q(1+λ/q )                                                         (7)

  となります。

   撃墜確率(Pk)のうち、Over Kill 確率(Pok) の占める割合を Over Kill Ratio(過剰

  命中率 Rok)と呼ぶことにすると、

        Rok = Pok/Pk ={1−q(1+λ/q )}/{1−q

              =1− λqn−1 /(1−q                               (8)

  が得tられます。1目標に対して多数弾を射撃する場合は、一般に、sskp が小さく、したが

  って q ≒1 であること、及び q ≒ exp(−np)= exp(−λ) であるから、

       Rok≒{1−λexp(−λ)}/{1−exp(−λ)}         (sskp≪1)           (9)

  (9)式から、Over Kill 比が50%になるときの平均命中弾数を求めてみます。

        {1−λexp(−λ)}/{1−exp(−λ)}=1/2

  とおいて、

        (2λ+1)・exp(−λ)−1=0

  が得られます。この式から直接 λ の値は求まりませんが、適当な数値計算プログラム

  (例えばニュートン法など)を使って計算すると、結果としてλ=1.2564 が得られます。

   このことを頭において、平均命中弾数 λ=1,2、3 のときの Pk 、Pok、Rok を求めて

  みる次のようになります。

                                                                        (sskp≪1)

λ Pk Pok Rok
1.0 0.6321 0.2642 0.4180
1.2564 0.7153 0.3577 0.5000
2.0 0.8647 0.5940 0.6869
3.0 0.9502 0.8009 0.8429
4.0 0.9817 0.9084 0.9253
5.0 0.9932 0.9596 0.9622

  この表から、平均命中弾数(λ=np)が2発くらいのところが、Pk と Pok のバランスがと

  れた点であることがわかります。 ただし、対艦ミサイル防御のように、たった1発の撃墜

  未遂ミサイルによって、自艦が撃沈されるような状況を想定すれば、平均命中弾数を3発

  以上に設定することになるでしょう

   これまでのは、sskp が十分小さい場合について、話を進めてきましたが、高性能のミ

    サイルなどでは、sskp はかなり高い値を示しますので、sskp として、0.8、0.5,0.1,

  0.05 及び0.01 の場合について、Pk、Pok 及び Rok の値を示します。

sskp 確率 λ=1 λ=2 λ=3 λ=4 λ=5
0.8 Pk 0.8663 0.9821 0.9976 0.9997 0.99996
Pok 0.1975 0.8032 0.9612 0.9933 0.9989
Rok 0.2280 0.8179 0.9641 0.9936 0.9989
0.5 Pk 0.7500 0.9375 0.9844 09961 0.9990
Pok 0.2500 0.6875 0.8906 0.9648 0.9893
Rok 0.3333 0.7333 0.9048 0.9686 0.9922
0.1 Pk 0.6513 0.8784 0.9576 0.9852 0.9948
Pok 0.2639 0.6083 0.8163 0.9195 0.9662
Rok 0.4052 0.6924 0.8244 0.9333 0.9712
0.05 Pk 0.6415 0.8715 0.9539 0.9835 0.9941
Pok 0.2642k 0.6009 0.8085 0.9140 0.9629
Rok 0.4118 0.6896 0.8475 0.9293 0.9687
0.01 Pk 0.6340 0.8660 0.9510 0.9821 0.9934
Pok 0.2642 0.5954 0.8024 0.9095 0.9603
Rok 0.4186 0.6875 0.8437 0.9262 0.9666

  この表から、次のことがわかります。

    @ sskp が0.1(10%)以下の場合、平均命中弾数が等しければ、それぞれのPk、Pok、Rok の値は大

   差なく、sskp の値を無限小にしたときの値にほぼ等しい。

  A sskp が0.5(50%)を越えると、平均命中段数が同じでも、それぞれの Pk、Pok、Rok の値に差がで

   てきて、平均命中弾数=2 を期待するまで射撃を連続すると、オーバー・キル率が高くなる。

  sskp が 0.5 を越える火器は一般に、ミサイル等の高価なものであるから、できるだけ効率的な射撃をし

  たいわけですが、その基本となるのは、連続射撃を平均命中弾数=1になるところで打ち切るか、平均命

  中弾数=2 になるまで継続するかという点にあります。

   (注) sskp=0.5 の場合、平均命中弾数=1 を得るためには2発、平均命中弾数=2 を得るた

      めには4発連続して射撃することになります。平均命中弾数は sskp × 発射弾数 で与えられます。

   そこで、この点に焦点を当てて、検討するために、平均命中弾数が1 の場合と、2 の場

  合について、Pk、Pok、Rok が sskp の増大とともに、どのように変わるかをグラフに示

  します。

kill2.gif (7241 バイト)

 

    kill1.gif (7827 バイト)

    sskp が大きくなると、1発ごと射弾を確認してから、次弾を発射した方が、オーバー・

  キル率を抑止する点から望ましい望ましいのですが、具体的な目安としては、平均命中

  弾数=1 において、Pk = 85%以上、平均命中弾数=2において、Pk = 95%以上を満足す

  る sskp の値として一応 65% 以上が適当でしょう。

    ここでは、sskp の面からみてきましたが、どういう撃ち方をすべきかは、他の要因が

  絡んできます。それについては次節の「射法」で考えてみることにします。

計算のためのソースプログラムを参照したい方はここをクリックしてください。

 

(4)射 法

      前節では平均命中弾数(機体命中弾数)を指標としてグラフを描いてきましたので、

  sskp、発射弾数及び撃墜確率の関係がイメージアップできないと思いますので、まずそ

  のグラフを示します。なお、ここでは、対空火器を念頭においていいます。

sskp_kill.gif (13761 バイト)

  このグラフで、sskpが 0.5 以上の領域は、おおむね対空ミサイルの領域です。また、

  sskp が 0.005 〜 0.1 の領域は対空機関砲の領域です。ただし、対空機関砲は通

  常、最大有効射程から射撃を開始するわけですが、その時点での sskp は 例えばグラ

  フに示したように0.005 で、目標が接近するにつれて 0.05、0.1 と大きくなっていき

  ます。一方、対空ミサイルの sskp は特定の高度と射程において最大値を示します。

   このホームページは「ミサイル入門教室」ですから、比較的 ssKp が高いミサイルの射

 法について説明を試みようとしているのですが、対比上、先に対空機関砲の射法について

 考えてみます。最も単純な対空戦闘モデルとして例えば、対艦ミサイルに対する艦載対空

 機関砲である「バルカンファランクス・CIWS(Closed In Weapon System) を取り上げます。

 対艦ミサイルは、撃墜しない限り、一直線に、艦に向かって突き進み、最終的には、対空

 機関砲は掩護対象である艦とともに海の藻屑となってしまいます。したがって、この場合の

 射法の基本的な考え方は、最大有効射程かから最大発射速度で射撃を開始し、撃墜する

 まで射撃を続けることになります。CIWS の要目をみますと、口径20mm6砲身、最大有効

 射程 1,500〜2,000m、発射速度 1,500〜3,000発/分、射撃モード:自動/手動、弾倉

 容量 1,500発となってい ます。

   いま、自動モードで射撃するとすると、CIWS は、FCS(Fire Control System) と砲が一

 体化さていて、目標捜索、捕捉、追尾開始後、2000mから自動的に射撃を開始し、撃墜

 すると、自動的に射撃を終わるようになっています。一方、対艦ミサイルの速度 は亜音速

 (0.6〜0.8マッハ=200〜270m/s)ですから、その速度を200m/s、とすると2,000m を

   10秒で飛翔します。この間に、最大発射速度(50発/秒)で射撃するとすると500発の弾

 薬を発射すろことになります。これから、1弾倉の弾薬で対処できる対艦ミサイル数は3発

というところでしょうか。この発射弾数から、先に示したグラフを眺めると、sskp のおよその

 値は見当がつくでしょう。

  有効射程は、目標に対する sskp の見積もりと、その値をどう評価するかによって異なっ

 てきます。対艦ミサイル(直径 35cm 程度)を真正面から直撃弾によって撃墜するとすると、

 その最大有効射程は高々1,500m というところでしょうか。この機関砲は航空機搭載のバ

 ルカン20mm 機関砲を基に作られたシステムで、もともとの発射速度は、6,000発ありまし

 た。しかし、対艦ミサイルに対する防御戦闘のように、極めて短い時間に大量の弾を発射す

 ることは、砲身を過熱を引き起こし摩耗を早めますので発射速度を下げたものと考えられま

 す。弾薬の射耗を抑える観点からは、たとえば、1,500m 付近から、手動モードで射撃を

 開始し、2秒間(100発)射撃し、射弾観測のため1秒間休止というサイクルを繰り返す射法

 をとるとすれば射弾数は自動モードの2分の1の250発になります。

  単純な例を引きましたが、sskp は戦闘推移を見積もりつつ、弾薬の補給・配分を勘案し

 ながら適切な射撃を遂行していく上で、基本的なファクタです。以下、対空ミサイル代表的

 な射法につて考えてみます。

@ 連射(Ripple)

   目標とそれに対戦する対空ミサイル発射機の数の上での対応は、複数目標複数発射機で、目標機

  数が発射機数より多い場合(以下「t:Nm,(Nt>Nm)対応」のように表現します)にとられるの射法です。

  連射は、多数の進入目標がある場合、一つの目標に対して、1弾ごと目標を指定して、定められた射撃間

  隔で、次々と射撃をする射法です。 この射法では、対空ミサイルの sskp は、かなり高い値が要求されま

  す。このことは、次のような単純な対空戦闘戦闘モデルを考えてみればわかるでしょう。

   進入目標機数:10機、 対空ミサイル:10発

   射法A : 連射(1機に対して対空ミサイル1発配当)

   射法B : 1機に対して対空ミサイルを2発配当(残りの5機に対しては配当ミサイルなし)

    射法Aにおける期待撃墜機数={1-(1−sskp)}×10=sskp×10機               (13)

    射法Bにおける期待撃墜機数={1-(1−sskp)}× 5=sskp×(1−sskp/2)×10機     (14)

  (14)式の右辺は sskp≪1 の場合、sskp×10機となり、(13)式の値に近づくことがわかります。その様

  子をグラフで示してみます。

Ripple1.gif (8361 バイト)

  この例では、A、B間で期待撃墜機数に少なくとも1機以上(小数点以下四捨五入)の差が生ずるのは sskp

  が 0.5以上の場合です。

   したがって、sskp の高い対空ミサイルについては、1発ごと明確に目標を指定(アサイン)して、射撃する

  必要がありますが、sskp の低い場合は、目標指定の努力に対してその効果は少ないといえましょう。品質

  管理で用いられる、ABC分析やパレート線図なども、考え方の基本は同じで、ある結果が生じた場合、その

  要因は数多く挙げられますが、その中の上位数個が支配的な要因であり、その数個の要因をきちんと個別

  管理すればよいということです。

A 斉射(Salvo)

   斉射は、「1:N対応」の射法であり、一つの目標に対して、最大発射速度で多数弾を射撃する射法です。

 このようなケースは、対空戦闘においては、ポップアップ目標などの不意急襲目標に対してとられる射法であり、

 野戦砲におけうる斉射とは用法がことなります。

  不意急襲目標が予想される空域に対しては、あらかじめ斉射の準備をし、実際に目標が現れたとき、迅速

 に火力を指向できるようしておきます。

B 確認射(Shoot−Look−Shoot)

   第1弾の結果を確認して、その結果によって次弾を発射する方法です。この射法は、オーバーキルが生じま

 せんから効率的な射法といえましょう。ただし、

  「Nt:Nm,(Nt≦Nm)対応」 かつ、少なくとも同一目標に第2弾の射撃が可能な交戦機会が

 得られることが条件です。なお、当然、射弾を観測する分だけ交戦機会は少なくなります。

  なお、ここでは、この射法を「S-L-S射法」、第1弾の結果を確認せずに連続して次弾を

  同一目標に発射する射法を「S-T-S射法」(Shoot-to-Shoot)と呼ぶことにします。

 前と同様に、次のような単純な対空戦闘戦闘モデルを考えてみましょう。

   進入目標機数:10機、 対空ミサイル:20発、同一目標に対する交戦機会:2回(S-L-Sの場合)

   射法A : S-L-S射法(第1弾:各目標に1発配当、第2弾:未撃墜目標に1発配当)

   射法B : S-T-S射法(各目標に2発配当)

   交戦結果(計算結果):

     期待撃墜機数=sskp×(2−sskp)×10機、 (射法A、Bとも同じ)               (15)

     射耗弾数:

          射法Aにおける射耗弾数=10×(2−sskp)発                       (16)

          射法Bにおける射耗弾数=10×2=20発                          (17)

  (15)、(16)式が示すように、期待撃墜機数が同じでも、sskp が大きくなりますと、S-L-S射法における

  射耗弾数は少なくなります。(15)式を、それぞれ、(16)式および(17)式で割った値を、1弾当たりの期待

  撃墜機数としてグラフで示してみます。

S_L_S.gif (11599 バイト)

  この例では、sskp が 0.5 のとき、期待撃墜機数は15機で、S-L-SとS-T-S射耗数

 はそれぞれ15発及び20発ですから射耗数においてS-L-Sは5発節約できることになり

 ます。しかし、残存目標が2.5機が進入してきますから、S-L-Sではたとえ弾薬が残って

 いたとしても対応できません。一方、S-T-Sではまだ交戦機会が残っています。したがって、

 S-L-S射法では、第2弾でほぼ確実に撃墜ができるほど sskp が高いことが要求されます。

  ここで、S-L-S射法をとっている具体的な例として、THAAD (Theatre High Altitude   

 Area Defence)について検討してみましょう。

  本年8月2日、White Sands Missile Range におけるスカッド弾道ミサイル代替目標に対す

 る迎撃試験結果のデータは次のようなものです。

    第1迎撃点(遠点):射距離282km

       第2迎撃点(近点):射距離127km

       標的ミサイル速度 :2,000m/s

  遠点から近点間の距離 155km を速度 2,000m/s で飛翔するとすると、この間の所要時

 間は78秒となります。いま、第1弾の迎撃結果確認と次弾の発射に2秒ほどの時間を必要

 とすれば、THAADミサイルは 127km を76秒で飛翔したことになり、その平均速度は、

 およそ、1670m/s ほどになります。これらの数値から第3迎撃点を計算すると 56km とな

 りますが、この値はスラントレンジ(直距離)ですから、弾道ミサイルが高高度から高角度で

 突っ込んでくることを考慮すれば、ほぼ真上に接近していることになりましょう。

  なお、THAAD に対する撃墜確率の要求値は 96% ともいわれていますが、この値が、

 S-L-S射法で、2発射撃することを前提とした値であるとすると、sskp は 0.8 となります。

 先に示したグラフを参照すれば、この要求に対してはは、例えば10の目標に対して、12発

 の THAAD ミサイルを準備すれば足りることになります。

(5)再び SSKP について

 @ あるようでない SSKP の値

       これまでSSKPの値が決まっていることを前提として説明してきましたが、SSKPは火砲の公算誤差(確

  率誤差ことを旧軍では公算誤差と呼び、自衛隊になってもそう呼んでいます。)と目標のその火砲に対する

  致命域から決まるわけですから、少なくとも、この2つが明確になっていなければなりません。

   まず、公算誤差ですが、定義としては、誤差がある値より大きい確率とその値より小さい確率とが等しくな

  る境界値を公算誤差と呼びます。すなわち、(3)式の誤差積分の値が1/2になる点です。式で示せば、

    erf(ρ)=1/2

 を満足する ρ の値(積分範囲)です。この値はρ=0.476936 となります。いま、火砲の射距離公算誤

 差が 10m だったとすれば,10m を 0.476936 に換算して確率積分表又は前に示したプログラムから任

 意の確率を求めることができます。これも少々やっかいという向きには、公算誤差確率計算プログラムを作

 りましたので参考にしてください。なお、公算誤差 r と正規分布の標準偏差σ との間には、

    r=sqrt(2)・ρ・σ=1.41421356×0.476936σ≒0.6745σ

 なる関係があります。すなわち正規分布では、±0.6745σ の範囲が50%になります。

公算誤差確率計算プログラムを参照したい方はここをクリックしてください。

  参考までに、公算誤差と標準偏差を基にした確率の代表値を下表に示します。

   倍率→ ×0.5 ×1.0 ×2.0 ×3.0 ×4.0 ×5.0

公算誤差ρ

0.26407 0.5000 0.82266 0.95698 0.99302 0.99925
標準偏差σ 0.38292 0.68269 0.95450 0.99730 0.99994 1.00000

  上の表からわかるように、±σ の範囲内に入る確率は 99.7 % でほぼ100%に近いことから、

 一般的に、この範囲を正常値(このくらいのバラツキのあるのは当たりまえ)、この範囲からはみ出す値は異

 常値(何か特別の理由がある)と見なすわけです。公算誤差に換算するとこの値は約 4.5ρ に相当すしま

 すが、5ρ の範囲内まで含めると、99.9 % になり、この範囲に入らない確率は千分の1以下になります。

 射撃では、このような弾を「不規弾」と呼び、統計処理の対象から外します。

  さて、公算誤差をどのようにして求めるかとということに話を戻しますと、野砲の場合は、比較的容易に求め

 ることができます。有効射程内に、何箇所の代表的射距離を定めて、同一射撃諸元で多数弾を射撃し、その

 結果を統計処理すれば求まるわけです。ただし、同時に気象条件等を観測し、標準大気における値に換算す

 る必要があります。なお、標準大気は次のように定められています。(国立天文台:「理科年表」)

 (注) 標準大気  地上の気圧、気温                   : 1013.25 hPa、 15.0 ℃

                            高度11 Km までの気温変化率    : −6.5  ℃/ km

                            圏界面の高度、気圧、気温       : 11km 、226.32hPa、−56.5 ℃

          高度 20 km までの気温変化率     : 0.0 ℃

          高度 32 km までの気温変化率     : +1.0 ℃/ km

 野砲の公算誤差は、通常、「射距離公算誤差」(火砲と目標を結んだ「砲目線」の上の誤差)

 とこれに直交する「方向公算誤差」に分解して示されます。また、これらの誤差が、射距離に比例する範囲で

 は、それぞれ、射距離に対する百分率(%)で示される場合もあります。

  つぎに、致命域について説明します。このためには、弾丸の威力について考えてみる必要があります。野砲

 では、砲弾=弾頭であり、英語ではいうならば「Shell」と呼ぶところでしょう。砲弾内には、炸薬が充填されて

 いて、弾着時又は設定された信管秒時で破裂し、弾殻が破片となって飛散する仕組みになっています。いか

 なる破片になるかを調べるには、通常、砂地に井戸を掘り、その中に砲弾を設置し人為的に爆発させて、砂

 地に埋まった破片を回収する方法(「砂井戸試験」)がとられます。また、各種射撃目標に対する威力につ

 いては、たとえば、着発信管付きの砲弾であれば、砲弾を砂地に垂直に置き、その周辺にダミーの目標を設

 置して砲弾を人為的に爆発させて、その効力を調べます(「静爆試験」)。静爆試験における破片の飛散速度

 や飛散方向は、実際に射撃をしたときと異なりますから、静爆試験の結果を基礎データとして、実際に射撃を

 行ってこれを補正して実用に耐える実験式を構築していきます。米陸軍においては、第2次大戦以来、この種

 の地道な試験を積み重ね、「Ballistic Dtata」の一つとして、膨大なデータベースをもっています。もちろん、

 「秘」ですから、一般の目に触れることはありません。

  次に、高射砲の公算誤差について考えてみます。高射砲についても、野砲と同様に、地上目標射撃により、

 まず、基礎的なデータを取得します。そして、このデータを基に、3次元空間における弾丸の位置の誤差と目

 標の未来位置 決定の誤差を理論的に導き出して、それを実射によって確認ないしは補正を行って行く方法が

 とられます。

  3次元空間における弾丸の位置の誤差とは、弾道に関する誤差で、弾道の接線方向を x 軸とする直交座

 標系(x、y、z)を考えたとき、次の公算誤差として、表現されます。

     @ y軸方向・・・方向公算誤差(角度で表現)

     A z軸方向・・・高低公算誤差(角度で表現)

     B x軸方向・・・弾丸飛行時間の公算誤差(時間で表現)

 なお、高射砲では、弾道を最大弾道高で二分して、その点より手前を「昇弧」、以遠を「降弧」と呼び、昇弧に

 おい命中弾をを得ることを考えています。

  次に、目標の未来位置決定誤差は、砲目線を x 軸とする直交座標系を考えたとき、次の公算誤差として表

 現されます。

     @ y軸方向・・・方向公算誤差(角度で表現)

     A z軸方向・・・高低公算誤差(角度で表現)

 これらの公算誤差の要因としては、弾丸の飛行時間、目標速度、砲目距離及び航路角(照準線と目標の速度

 ベクトルのなす角)が挙げられます。

  やや細部に渡りましたが、野砲と比べて、いかに複雑かをご理解いただければとの思いです。

 ここまでが、理論的な話で、これを実射によって確かめなければなりません。高射火器の実射の標的としては、

 標的機に曳航された曳航標的が使われます。曳航標的は軽量化を図るため、通常ナイロンなどのネットで作

 られ、その寸法は、およそ戦闘爆撃等の大きさです。射撃後、この曳航標的を回収して、弾痕から命中弾数

 を得ます。そして、この命中弾数を発射弾数 n 発中の平均命中弾数 λ= n・sskp とみなして、

    sskp = λ / n                           (18)

 から、sskp   の値を推定します。しかし、この過程には思わぬ落とし穴があります。例えば、200発の射撃して、

 3発の命中弾を得たとしますと、残りの197発の射弾撒布の記録は残っていませんから、膨大な情報が失わ

 れ全体の中のどの部分が命中に寄与したのか不明になり、この推定の信頼性に疑問が残るわけです。曳航

 標的の寸法を大きくすることも考えられますが、公算誤差の理論から少なくとも、公算誤差の±(4〜5)倍の

 寸法が必要になり実現の可能性はありません。さらに、射撃間目標は高速で移動していますから、各命中弾

 が得られたときの射撃諸元は、それぞれ異なり、かつ不明です。

 (注) (18)式の sskp 値は信頼性(95%)として sskp±1.96×sqrt(sskp・(1-sskp)/n) となります。

  ミサイルの話をするところでしたが、少しばかり火砲に深入りしました。火砲の場合は上

 でみてきたように、射距離が増大するにつれ初期誤差が拡大されます。したがって、発射

 時の誤差極力小さく抑えるようにミリミリしたところまで気を使うわけです。一方、発射後、

 逐次誤差をつめて最終的に誤差を零にするミサイルでは、発射時の誤差にそれ程気をつけ

 なくともよいわけです。対空ミサイルを例にとって、sskp を考えてみますと、発射からブース

 ト段階では、速度も低く、高加速度が加わっていることから、誘導制御は困難ですし、また、

 安全の面からアーミング(弾頭起爆)を不能にしていますから、近死界を生じその空域では

 当然 sskp が零となります。その後、ミサイルはブースト段階からサステーナ段階(Sustainer

  Phase)に入り、ミサイルの飛翔速度が一定速度に維持されます。この段階がにおいて、ミ

 サイルは最も高い sskp 値が得られます。サステーナ・ロケットモータが燃え尽きると、ミサ

 イルの速度は急速に低下し、それにつれてsskp の値も下がります。サステーナ段階のミサ

  イル速度は、目標速度の2倍程度に設計するのが一般的です。また、sskp値が保証でき

 る速度の下限は、目標速度以上になります。

  ミサイルは誘導の基準になるものを参照しつつ目標とミサイル間の誤差(ミスデスタンス、

 Miss Distance)が少なくなるように、ミサイルを制御していくわけですから、sskp は誘導の

 基準となるものにも依存します。例を、IR(IR = InfraRed、赤外線)ホーミング対空ミサイル

 にとって考えてみましょう。IRホーミング対空ミサイルは、敵戦闘爆撃機などのジェットエン

 ジンの排気ガスをミサイルに搭載したIR検知装置で検出して目標を追尾する仕組みになっ

 ています。このため、sskp は、排気ガスのIR検出性能に大きく影響されます。特に、飛行

 中のジェット機をどの方向から見たかによって排気ガスの見かけの強度は大きく変わって

 きます。当然、真後ろから見た場合が最大で、真正面から見た場合が最小になります。そし

 て、この中間では、その見かけの角度の方向余弦(Direction Cosine)に比例することにな

 ります。そこで、方向余弦に比例する分を a 、真正面から見たときの最小分を b として、角

 度θを真後ろからみとときを 0 として測るものとするとし、その IR強度 を極座標で示すと次の

 ようになります。

    r = a・cos(θ) + b                                                               (19)

 a=3,b=2 として、θ を0〜360°変化せせると図に示すようなハート型(Cardioid 曲線)

 が得られます。

cardioid1.gif (6182 バイト)

     IRホーミング対空ミサイルの迎撃能力は、目標対ミサイルの相対速度やミサイルの運動

  性能にもよりますが、迎撃限界は図に示したようなIRの検出能力に大きく影響を受けます。

  対空ミサイルとして、図に示したように、前方迎撃性が悪いのは大きな欠点となります。

 昭和50年代(1975年)の初期、米国はすでに、個人携帯用の対空ミサイルとして、Red

 Eye を改良した Stinger を開発していましたが、我が国でも、この種のミサイルの国産化

 の要求が高まりました。そのときの最重視要求事項が前方迎撃性でした。この要求につ

 いては、誘導の基準に IR に変えて、目標機のイメージをとることによって解決を図ることに

 なりました。現在、300万画素のデジタルカメラが容易に手に入る時代ですが、当時、CCD

 (Charge Cuppled Device)は、国産のものがなく、Texas Instrument 社や Fair Chaild 社製

 の 64×64〜128×128 素子程度のものでした。私も、この国産化プロジェクトに従事し

  た一人ですが、ミサイルが自らの目でとらえた目標機の映像をテレメータを通して見たとき

 は感激しました。

  火砲のsskpは地上射撃によって求めた公算誤差を基に求めることができますが、対空ミ

 サイルでは、そのようなことができませんから、対空ミサイルの sskp は、運用要求値(使

 用する側の要求値)→設計値→試作→対空射場試験における確認という経過をたどって定

 まることになります。この過程で、運用要求値は、実戦を想定した要求値です。一方、対空

 射場で確認される値は、標的機に対する限定された飛行速度やコースに対する値です。

  実戦における対空戦闘と、対空射場における射撃ではかなりの隔たりがあります。このこ

 とは、THAAD の開発でも問題点として指摘されているとこれです。

  このようなわけで、対空ミサイルのように、実証確認の困難なミサイルの sskp 値は、要求

 値や設計値が一人歩きすることになります。

   なお、日本国内における地対空ミサイルの対空射場は、北海道静内町にある対空射場

 一ヶ所で、射撃できるミサイルも短距離以下に限られています。ホークやペトリオットなどの

 中距離以上の対空ミサイルの射撃訓練は米国の White Sands で行われています。

A 平均値(期待値)と行動指針

  最初に、次のような対空射撃の問題を考えてみましょう。

  sskp=0.1 の弾を10発用意して、標的に向かって射撃するものとします。

  @ 命中弾の弾痕はすべて標的に残るものとして、射撃開始前に何発当たると予想し

   ますか?

  A 10発射撃する間に、1発でも命中すると、標的機が撃墜する場合、撃墜の確率はどれほ

   ど期待できるでしょうか?

  B あなたが、実際に戦闘すると仮定して、1機撃墜するために10発で足りますか?

  この問題を考えるために、sskp=0.1 、発射弾数 n=10 の場合の命中弾数の確率分布

  (2項分布)の図を示しましょう。

 binomdist1.gif (5227 バイト)

 解答:@ 1発当たると予想したいところであるが、その確率は 38.7% ですので、それ以

      外の事象が起きる確率の方高い。ただし、それ以外の事象を個々に取り上げて比

      較すると、命中弾数の平均値は1発(0.1×10=1)であるから、1発当たる確率が

      もっとも高くなっています。その次に、高い確率を示しているのが、全く当たらない

      確率で 34.9 % になります。以下、2発、3発、4発、・・・、10発の順に確率は、

      19.4%、5.7%、1.1%、・・・10−8% と低下していきます。10発とも命中する確

      率は10−8% ですから、10発当たるなどと予想する人は多分いないでしょう。

       しかし、世の中には、時々とてつもないことが起こることがあることも事実です。

      以下に示す例は孫引き(増田元三郎:「デタラメの世界」、岩波新書、1969)にな

      りますが、1969.12.1のワシントンポスト紙に次のような記事が載ったそうです。

      ピトフスキー氏に49人目の孫が生まれたが男だったというのである。これだけでは

      ニュースになりませんが、これまで生まれた48人の孫がすべて男だったのです。

      このようなことが生起する確率は遺伝統計上 10−12% 程度だそうです。

    A 1発以上命中する確率は、100% から命中弾数 0 発の確率(34.9%)を引いた

     値になりますから、撃墜確率として 65.1% が期待できます。なお、sskp が低い場

     合は平均命中弾数(期待命中弾数) λ=sskp×n として、撃墜確率 Pk が次式で

     近似できることは前に説明したとおりです。

          Pk ≒1−exp(−λ)

    B 10発では、65.1 % の期待撃墜率ですから満足でいないでしょう。そこで、20発、

     30発、40発、50発と増加した場合の撃墜確率を計算してみると次のようになります。

          20(2λ)発 : 87.8%、        30(3λ)発:95.8%、

          40(4λ)発 : 98.5%、        50(5λ)発:99.5%

     さて、あなたは最小限、何発準備しますか。

  ここまでの説明は、戦闘をする前に、何を基準にどれだけの準備をしますかということでし

 た。実際に戦闘をした場合、個々の射撃を取り上げれば、当たるか当たらないかのいずれ

 かであって、10% 当たったというような現象はおこりえないわけですが、個々のうち当たっ

 たケースを加算すれば、平均的な値に落ち着くということです。もちろん確率の世界ですか

 ら、30発準備していたが、最初の1発で撃墜できることもあり得るわけです。しかし、これ

 は結果論であります。宝くじに当たることや競馬・競輪で勝つことに賭けて、自分の人生を

 設計する人は、ほとんどいないでしょう。大方の人は、過去のデータの平均値を基本として

 設計するはずです。ただし、東海村のJCO核燃料臨界事故のように、こと安全に関しては

 平均値の数倍以上の安全策を講じることになります。先の例では、平均値の5倍(5λ)ま

  でとりますと、撃墜できない確率は 0.5 % になります。この値は人口10万人の小都市を

 考えると、500人に相当します。この値を、病気、事故、犯罪といった社会的負の事象と比

 較してみましょう。(1996年の日本の統計:人口10万人当たり

   ガンによる死亡者:218人  交通事故による死亡者:8人  同負傷者:749人

   凶悪犯(殺人、強盗、放火、強姦):6件

 あなたは、どの程度の値から、身近に危険を感じますか。あるいは無視できますか。

  前に示した「3σの法則」によれば±3σの範囲に入らない値、すなわち滅多に起こらない

 として無視した値は 270/10万 以下ですから、ガンによる死亡率は着実に無視し得ない

 値になりつつあります。

  火砲やミサイルの sskp の値は、巷に流布している値は別として、彼我にとって重要な

 値ですので、各国とも極秘扱いです。しかし、火砲やミサイルの編成装備と運用教範をみれ

 ば、およその値は推測がつくことが今までの説明で理解できるでしょう。

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