射爆理論

射爆理論（しゃばくりろん、射撃・爆撃理論、）とは、射撃と爆撃の目標撃破の確率論的特性の解析と、射爆の効率の最適条件を分析する理論である。射法ともいう。
概要.
銃砲を使用した戦闘における銃砲弾の弾着とそれによる目標の破壊は、ランダムな要素を持つ確率的な現象であると同時に、射手を含めた発射システムが備える多種多様な特性に起因した結果である。
射爆理論はこの確率と固有特性に着目した研究分野であり、火力投射・投下型の兵器での射撃と爆撃に関しては、「目標撃破の確率特性の分析」と「目標撃破の効率化と最適化の理論研究」の2つの分野に大別できる。
目標撃破の確率論的特性の分析とは、軍事のオペレーションズ・リサーチ（OR）問題であり、射撃と爆撃におけるシステム全体を確率的変動要因に分解してそれぞれの確率分布を分析することである。
目標撃破の効率化と最適化の理論研究は、一般的な資源配分問題であり、射法や修正方法、射弾配分、兵力配分の最適化を求めて研究されている。
射爆理論では敵からの攻撃による被害を要素に含めず、一方的な攻撃状態のみを仮定している。双方の攻撃と被害に関しては別に「交戦理論」という研究分野で扱われる。
用語と定義.
射爆理論では、分析と効果の最適化を図る過程で使用する用語を厳密に定義することで、曖昧さの排除に努めている。
複数の要因.
目標撃破の確率論的特性を支配する要因には以下のものがある。
また、目標発見から弾着までの各段階による誤差分布の視点で以下の5つの要因に分類できる。単純化のため、砲システムでの説明とするが、航空機による爆弾投下やミサイルでの分類も相応に分類できる。
1は射爆理論では扱わない。
2から5までが射爆理論で扱う範囲である。
小目標の撃破.
射爆理論での最も単純化されたモデルとして、1つの小目標に対して1発の弾による撃破の確率を考察する。小目標はその定義から攻撃を受けても撃破されるか無傷かのいずれかであり、次の4つの要素で決まる。
1から3は目標への損傷程度を規定し、損傷程度が4の目標撃破の基準を上回れば撃破となる。
1次元目標の損傷関数.
弾着は平面や立体で捉えるべきであるが、目標に対する弾着のずれとその損傷程度を損傷関数"D" を用いて表現する端緒として、まず1次元で考察してみる。
"x" を目標中心からの弾着距離とすると、損傷関数（）"D" ("x" ) は、平均値が 0 である：
上の式は、目標中心からの弾着距離が 0 の時、損傷関数が示す図形の重心で脆弱性が最大となる事を示す。つまり、厳密な目標点とは単に目標構造物の広がりの中心ではなく、損傷関数の重心でありその点に弾着が求められる。
距離 "x" が 0 に近づくに従って "xD"("x") は 1 に近づく。|"x"| の増大に従って"xD"("x") は 0 に近づく。
"x" 軸と "D"("x") の描く曲線との間の面積は、当該目標に対するその砲弾の致命域 () "L" と呼ばれ、次式で表される。
致命域"L" はその砲弾の目標に対する有効範囲の大きさを示す。ただし、距離 "x" が致命域 "L"/2 内にあっても撃破に至らないことがあり、逆に距離 "x" が "L"/2 以遠で撃破することもある。これは損傷関数 "D"("x") がどれだけ中心に近い位置にまとまっているかばらついているか、"D"("x") が描く曲線のシャープさによって変わってくる。この曲線 "D"("x") のばらつきは、確率論での分布の分散を使って以下の "S"2 で表される。
この "S"2 は、損傷関数 "D"("x") が描く曲線が中心近くでシャープな時に小さく、損傷関数 "D"("x") がばらついて平坦な曲線を描く時に大きくなる。
兵器によって異なる損傷関数"D" ("x" ) の曲線データが試射や演習によって得られれば最良であるが、実際に得られるデータは、致命域"L" とばらつき"S"2 の概略値だけであり、厳密な損傷関数の曲線は容易には得られない。そこで、射爆理論では以下の3つの近似関数のいずれかを用いてその代替としている。
2次元目標の損傷関数.
2次元の小目標に対し、目標中心からの弾着距離を"x"1 , "x"2 とする。このときも1次元と同様に損傷関数"D" ("x"1 , "x"2 ) によって表現でき、平均値は"x"1 = "x"2 = 0 を満たす：
また、次式の"L" を致命域という：
大目標の撃破.
複数発の射弾の累積的な効果によって撃破出来る大目標、又は面目標と呼ばれる目標の撃破確率を考察する。目標の致命部位の前提の違いによって、構造的大目標と集合的大目標に分かれる。
構造的大目標の撃破確率.
構造的大目標の命中は一定距離以内の射弾と定義され、目標中心から距離"R" 以内の弾着での命中の特性は、次の式で表される。
命中弾が"j" 発の場合の条件付きの目標撃破確率"Dj" を定義すれば、次のようになる。
1から3は目標への損傷程度を規定し、損傷程度が4の目標撃破の基準を上回れば撃破となる。
"n" 発中"j" 発の命中弾がある確率を"Pj" とすれば、目標撃破確率"P" は、次の式で表される。
ただし、条件付きの目標撃破確率"Dj" は容易には得られないため、経験的な推定を含めた近似によって最終的な目標撃破確率"P" は求められる。
最も簡単な"Dj" の近似としては、0 と 1 の階段関数で"j" が"k" を越えると"Dj" = 1 となるものである。
この階段関数はあまり良い近似とは言えず、より精度の高い近似として損傷関数の考えを用い、目標に致命的部位が存在するものとして目標の撃破に至るまでの過程をより実体に近づけるものである。この致命的部位への命中確率、つまり条件付き撃破確率を"D" として命中弾を"j" 発得る目標撃破確率"Dj" は、次の式で表される。
これまで扱った損傷関数は単峰関数であったが、大目標の致命的部位の分布は複数存在すると仮定して目標撃破確率"Dj" の1次元分布損傷関数"D" ("x" ) はいくつかの山を形成する。また、目標への命中関数"H" の1次元分布"H" ("x" ) は損傷関数"D" ("x" ) を内包する 0 と 1 の階段関数となる。
目標への命中関数の分布"H" ("x" ) が一様であると仮定すると、1発の命中弾によって致命的な被害を与える確率"D" は、次の式で表される。
条件付き撃破確率"D" が一定で独立であるとすれば、最終的な目標撃破確率"P" は、次の式で表される。
集合的大目標の撃破確率.
集合的大目標での破壊の程度は、大目標内部のすべての小目標の撃破比率をまとめた期待値を使用し、これは期待カバレッジ（）と呼ばれる。
小目標が大目標内部で一様に分布していると仮定すれば、小目標における損傷関数"D" ("x" ) と致命域"L" の破壊効果の考え方を大目標全体へ拡張すれば良いことになる。弾着点が一様に分布すると仮定し、大目標の面積を"A" 、命中弾を"j" 発とすると、"j" 発の命中弾による面積"A" 内の延べ破壊面積は単純な"L" ×"j" ではなく、重なり合いを考慮する必要があり、命中弾を"j" 発による面積"A" 内の破壊面積比"Fj" とすれば、これは確率変数となり、この期待値、つまり期待カバレッジ"E" ("Fj" ) は次の式で表される。
上式は弾着点が一様に分布すると仮定しているが、通常は大目標の中心近くは弾着が密で周辺では粗となり、大目標の面積"A" 辺縁部での破壊効果のはみ出しも考慮されてはいない。これらを厳密に計算に含めることはさらに工夫を要する。
さらに上式では小目標が大目標内部で一様に分布していると仮定して、破壊面積比"Fj" によって期待カバレッジを求めたが、小目標の分布が大目標内部で一様でない集団的大目標では、小目標の分布を考慮して撃破数を求め、全小目標に占める撃破小目標数の比率で期待カバレッジを求めることで精度は向上する。
弾着点の分布.
射撃と爆撃における弾着は、最初の目標観測時に起因する誤差を除けば、武器誤差、照準誤差、弾道誤差の3つの要素によってランダムに分布し、条件が同じであっても決して1点に集弾出来ない。これは、3つの要素が概ね正規分布に従った確率的揺らぎを伴う誤差を内包している為で、この中に含まれるある種の誤差は正規分布に従わないものもあるが、確率変数が多数になるためこれらの和である弾着のずれは漸近的に正規分布に従う性質（中心極限定理）がある。
射爆理論では、武器誤差、照準誤差、弾道誤差はいずれも正規分布に従うと仮定される。
1次元の弾着分布.
1次元の弾着分布は、以下の正規分布で表される。
この分布"f" ("x" ) は"x" = μで最大値formula_24となり、"x" = μ±σで変曲点を持つ。また、平均μと分散σ2 を持つ正規分布は"N" (μ, σ2 ) と表され、特にμ = 0 , σ2 = 1 の正規分布は標準正規分布"N" (0, 12 ) と呼ばれる。
目標誤差を 0 として、単一砲からの射撃を想定して、武器誤差も簡単のために照準誤差に含めて考え、照準誤差"XA" の分布はμ"A" 、分散σ"A"2 の正規分布"N" (μ"A" , σ"A"2 ) 、弾道誤差"XB" の分布は平均μ"B" 、分散σ"B"2 の正規分布"N" (μ"B" , σ"B"2 ) になると仮定する。
この場合、照準を行う時に本来の正しい照準からはランダムなずれが生まれ、この量は正規分布に従った大きさ"XA" ～ "N" (μ"A" , σ"A"2 ) となる。また、発射された弾も空中でランダムなずれが生まれ、その大きさは"XB" ～"N" (μ"B" , σ"B"2 ) となる。この照準誤差と弾道誤差の合計値"X" = "XA" + "XB" が目標に対する弾着点のずれとなる。照準誤差と弾道誤差の2つの誤差は互いに独立したものなので、弾着点のずれの分布は"N" (μ"A" +μ"B" , σ"A"2 +σ"B"2 ) となる。
1発の射撃では照準誤差と弾道誤差を分離する必要はないので、弾着点のずれの分布は"N" (μ, σ2 ) で表される。
確率変数"X" がある値"x" 以下になる確率Pr("X" ≤"x" ) は、累積分布関数"F" ("x" ) と呼ばれ、確率密度関数"f" ("x" ) の[-∞, "x" ] 間の積分で求められる。
標準正規分布"N" (0, 12) の累積分布関数はΦ("x" ) と表記される。
散布界と公算誤差.
射爆の実務では弾着点のばらつきを分散σ2 で表さずに、散布界や公算誤差で表すことがある。
2次元の弾着分布.
2次元の弾着分布も1次元での分布と同様に、照準誤差と弾道誤差の2つの誤差の合算で求められる。この場合、武器誤差も簡略化のために照準誤差に含めて考える。これらから2次元の弾着分布も正規分布で近似できる。射線方向を"x"1 とし、射線に対し左右方向を"x"2 とすると、弾着点は("x"1 , "x"2 ) と表せる。"x"1 と"x"2 の誤差が互いに独立の時は、2次元の弾着分布の確率密度関数は以下の式で表される。
弾着分布は射線方向"x"1 と左右方向"x"2 のばらつき度合いに応じて楕円形の等高線を描く：
"x"1 と"x"2 の両軸のばらつきが等しい場合、つまりformula_35の時は円形正規分布となり、弾着分布の確率密度関数は以下の式で表される。
射線方向"x"1 と左右方向"x"2 のばらつきがそれほど大きく違わない場合には、上記の円形正規分布を用いて近似計算を簡略にできる。
ミス・ディスタンス.
射弾が目標中心から外れた距離は"ミス・ディスタンス"（）と呼ばれる。本節では、射撃時の零点規正や試射によって平均弾着点が目標中心に一致している場合を考えるものとし、射弾の平均弾着点、つまり目標中心からのずれた距離"R" をミス・ディスタンスと呼び、考慮する射撃空間の次元数によって"n" 次元では"Rn" とする。このミス・ディスタンス"Rn" は、小目標での損傷関数や大目標での命中判定での引数となる。弾着分布に方向性がなく（円形分布）、目標中心を原点とする正規分布に従う時はミス・ディスタンス"Rn" の確率密度関数"fn" ("r" ) 、つまり弾着が目標中心から"r" の距離に落ちる確率密度は、以下の式で表される。
2次元の確率密度関数"f"2 ("r" ) は特に"レーリー分布"と呼ばれる。上の3つの式から弾着のずれる平均値"E" ("Rn" ) は以下の式で表される。
単発撃破確率.
単発撃破確率（SSKP; ）は損傷関数と弾着分布から導かれる1発の射爆による目標撃破確率であり、特定目標に対する当該兵器の有効性を数値的に示すものである。
1次元目標の単発撃破確率.
1次元目標の単発撃破確率"P" は、1次元目標の損傷関数"D" ("x" ) と1次元の弾着分布"f" ("x" ) の積で得られる。
損傷関数"D" ("x" ) の近似は複数あるので以下にそれぞれの場合での1次元目標に対する単発撃破確率"P" を示す。
2次元目標の単発撃破確率.
2次元目標の単発撃破確率"P" は、基本的には1次元で1重積分であった計算が2重積分に変わるだけである。
ただし、目標が2次元であるため、2次元目標の損傷関数は形状が複雑となり、矩形やだ円形のそれぞれの向きが射線方向に正対する場合と斜めになる場合で計算が分かれる。損傷関数の近似は複数あるので以下にそれぞれの場合での2次元目標に対する単発撃破確率"P" を示す。
逐次修正射撃.
逐次修正射撃は、目標中心と弾着点とのずれが遠近、左右といった有無でしか認識出来ず、ずれの距離は得られない状況で行われる挟叉修正射撃と、遠近左右の情報に加えてずれの距離情報（ミス・ディスタンス）まで得られ、それに基いて修正を行う偏差修正射撃の2つがある。
目標中心と弾着点とのずれformula_94は、兵器目盛り上での縮尺係数formula_95 × 兵器の照準点と目標中心との誤差formula_96と、射撃ごとのランダムな弾道誤差
formula_97との和で表される。
以下では簡単のために遠近方向の1次元についてのみ考察を行う。
挟叉修正射撃.
挟叉では外れた場合に遠い「遠弾」か近い「近弾」かのいずれかしか情報が得られないため、次弾弾着を早期に目標中心に近づけるための修正量には確実な正解が存在せず、確率に頼る推定によって修正が行われる。
遠弾であった場合、指示確率変数をformula_100、近弾であった場合をformula_101とすると、j発目の確率formula_102は次の式で表される。
j発の射撃により、j個の 1 と 0 の羅列である弾着点の遠近情報が得られる確率formula_105は次の式で表される。
formula_105を最大にするformula_108をformula_109とする。
J+1発目のformula_111を上式のformula_112とするのが最尤法である。
偏差修正射撃.
偏差修正射撃では、目標中心と弾着点とのずれの距離情報（ミス・ディスタンス）が得られるため、次弾の距離にはこの情報に基づいて修正を加える。
単純に考えれば、発射ごとのミス・ディスタンス全量を逆向きに前回の距離に修正を加えると良いように思える。つまり、j発目の外れた距離formula_113に対して、j+1発目の射撃距離formula_114は次の関係で表される。
ただし、このような修正方法では兵器の照準に起因する誤差formula_116は 0 に向けて収束できるが、射撃ごとのランダムな弾道誤差formula_97は前回の誤差をすべて含んでしまって収束出来ず、正しくない。
正しい偏差修正射撃とは、j+1発目の射撃距離はj発目のミス・ディスタンス量の1/jを前回の距離にたいして逆向きに修正するものである。これを次に式で示す。
この場合のn+1発目のミス・ディスタンス量の期待値formula_119を次に示す。
近迫距離と負傷公算.
射爆撃においては、着弾点に近ければ近いほど被害を受ける公算が高まる。射爆撃目標に味方地上部隊が近接している場合、これは特に重要な特性である。このことから、下記のように、近迫距離（味方地上部隊と着弾点の距離）と負傷公算の関係表が作成されている。
損傷区分例.
以下に損傷区分の例を示す。