تجزیه و تحلیل گروپ یا جمع تیر در تیراندازی

تجزیه و تحلیل گروپ یا جمع تیر در تیراندازی

تجزیه و تحلیل گروپ یا جمع تیر در تیراندازی

آنالیز آماری اندازۀ گروپ

رابطۀ میان دقت ذاتی تفنگ و اندازۀ گروپی که می‌تواند در دامنۀ خاصی شلیک کند بسیار جالب است. مقالۀ حاضر این رابطه را به گونه‌ای نشان می‌دهد که به وضوح دقت اسلحه را به اندازۀ گروپی که ایجاد می‌کند پیوند می‌دهد. جدولی نمایش داده شده است که به تیرانداز اجازه می‌دهد دقت واقعی اسلحه بر اساس دقیقۀ زاویه (MOA) را از یک یا چند گروپ تخمین بزند. فرضیۀ مهم در این بحث این است که ما با یک مدل آماری بسیار ساده روبرو هستیم که فاکتورهای متعارفی که سبب پراکندگی یک گروپ می‌شوند مانند تیرانداز، باد، ساچمه های نامتعادل و غیره را در نظر نمی‌گیرد.

متداول‌ترین روش برای تعیین اندازۀ گروپ

یکی از روش‌های بسیار متداول برای اندازه‌گیری دقت یک تفنگ، شلیک چندین تیر (گروپ) و اندازه‌گیری میانگین فاصلۀ پانچ دو شات با بیشترین فاصله از یکدیگر در هر گروپ است. فرض ما در اینجا این است که این کار در محدودۀ 100 یاردی انجام می‌شود. سپس تیرانداز با استفاده از تقریب «اینچ 1MOA  = 1 در 100 یارد» ، این فاصله را به MOA تبدیل می‌کند.

برای مثال، با توجه به هدف نشان داده شده در شکل 1، برای 3 شات در 100 یاردی:

 روش متداول اندازه‌گیری گروپ

گروپگیری  روش متداول اندازه‌گیری گروپ

در اینجا گفته می‌شود که این گروپ 3 شاتی ، اندازۀ گروپی معادل d اینچ دارد، که از فاصلۀ میان مرکز تا مرکز دو شات با بیشترین فاصله محاسبه می‌شود. برای مثال اگر این اندازه‌گیری 0.75 اینچ باشد، به طور معمول گفته می‌شود که این یک گروپ 0.75 MOA است. توجه داشته باشید که ارتش ایالات متحده از اندازه‌گیری شعاع متوسط همۀ شات­ها در هر گروپ برای تعریف دقت زاویه­ای یک اسلحه استفاده می‌کند، نه از اندازه‌گیری «حداکثر فاصلۀ شات».

فرضیاتی وجود دارند که هنگام استفاده از این قرارداد باید در نظر گرفته شوند؛ جزئیات این فرضیات به شرح زیر است:

اینچ، MOA و MIL - اندازه‌گیری زاویۀ پراکندگی تیر

برای یک هدف در فاصلۀ 100 یاردی، فاصلۀ زاویه‌ای MOA  1  یا 60/1 درجه، بسیار نزدیک به 1 اینچ است، اما دقیقاً 1 اینچ نیست:

اینچ، MOA و MIL - اندازه‌گیری زاویۀ پراکندگی تیر

یکی دیگر از اندازه‌گیری­های متداول، Mil یا میلی‌رادیان یا یک هزارم رادیان است.  PI*2 رادیان در 360 درجه وجود دارد، بنابراین یک میلی‌رادیان برابر است با:

بنابراین مساوی پنداشتن فاصلۀ 1 اینچ در 100 یارد با MOA  1 یک تقریب معتبر است. ما از این تقریب برای ادامۀ این مقاله استفاده خواهیم کرد. اگر خواننده تمایل به اندازه‌گیری بر حسب میلی‌رادیان داشته باشد، انجام تبدیل‌های لازم به عهدۀ خواننده خواهد بود.

دقت و تکرارپذیری

اکثر تیراندازان به اندازۀ گروپ به عنوان شاخصی برای دقت تفنگ اشاره می‌کنند، در حالی که در حقیقت شاخصی برای تکرارپذیری تفنگ است.

تیرانداز یک گروپ را در یک نقطۀ هدف خاص (POA) شلیک می‌کند، و مرکز گروپ حاصل یا نقطۀ برخورد (POI) معمولاً تا حدودی از POI یا POA انحراف پیدا می‌کند. این انحراف نشان دهندۀ دقت تفنگ است، زیرا این خطا یا باید با استفاده از تنظیمات دوربین، یا با استفاده از یک گیرۀ در هنگام شلیک شات از بین برود. با فرض اینکه دوربین را می‌توان به طور مناسب تنظیم کرد، یا تیرانداز می‌تواند دائماً POA را با اندازۀ لازم نگه دارد، این محتمل‌ترین POI برای هر شلیک خواهد بود. این دقت تحت تأثیر متغیرهای متعددی مانند وزن ساچمه ، میزان باد ، ثبات ساچمه و توازن وزنی آن، لولۀ تفنگ و باد و ... قرار دارد. ما این تأثیرات را در ادامۀ مقاله نادیده می‌گیریم.

هنگامی که یک POI مشخص ایجاد می‌شود، یک گروپ به طور (معمولاً) تصادفی در اطراف میانگین POI توزیع می­شود. اندازۀ این توزیع، تکرارپذیری تفنگ است. این همان چیزی است که در بالا به عنوان اندازۀ گروپ توصیف شده است. یک فرضیۀ مهم در اینجا این است که ما بسیاری از تأثیرات دنیای واقعی مانند تغییرات سرعت بین تیرها (که باعث پراکندگی عمودی می‌شود) و باد (که باعث پراکندگی افقی می‌شود و اندازه گروپ را می‌افزاید) و بسیاری دیگر را نادیده می‌گیریم.

یک تفنگ واقعاً دقیق دارای یک POI دقیق و تکرارپذیر و پراکندگی اندک پانچ تیر در اطراف آن نقطه است.

توزیع گاوسی (Gaussian) - یک مدل ساده از نحوۀ پراکندگی تیرها

فرضیۀ دیگری که ما در این مقاله داریم این است که پراکندگی تیرها در اطراف POI که در بالا ذکر شد، به سبک شناخته شده‌ای توزیع می‌شود. ما تصمیم گرفتیم از مدل توزیع نرمال یا گاوسی استفاده کنیم. این همان «منحنی زنگ - bell curve» مشهور است. بوضوح غیرممکن است تعیین کنیم که یک تفنگ یا تیرهای آن، یک توزیع نرمال حقیقی در اطراف POI خواهند داشت. اما از طریق مشاهدات بسیار نویسنده دریافته است که این مدل، توزیع گروپ بسیاری از تفنگ‌ها را نسبتاً دقیق توصیف می‌کند.

شکل 2: توزیع گاوسی (نرمال) احتمال

تجزیه و تحلیل گروپ

شکل 2 توزیع دو طرفۀ گاوسی را به عنوان تراکم احتمال نشان می‌دهد. محور X انحراف از میانگین در واحد انحراف استاندارد است.  انحراف استاندارد، یک انحراف خاص از میانگین (در این مورد میانگین صفر) را تعریف می‌کند که در درصد معینی از زمان انتظار می‌رود. این بدان معناست که اگر فرآیندی دارای این توزیع باشد، 68.2٪ از مواقع این مقدار بین 1- و 1+،  95.5٪ از مواقع بین 2- و 2+ و 99.7٪ از مواقع بین 3- و 3+ قرار می­گیرد.

با این تعریف دقت در مدل بالا می توانیم برای پرتابه مورد تست خود انحراف استاندارد از مسیر پرواز واقعی را بصورت زاویه در MOA محاسبه کنیم .

شکل 3: زاویۀ انحراف شات

شکل 3 زاویۀ انحراف را به شکل انحراف از مسیر مستقیم نشان می‌دهد. ما امیدوار هستیم مدل خود را به گونه‌ای تعریف کنیم که این زاویۀ انحراف (زاویۀ مخروطی) دارای توزیع نشان داده شده در شکل 2 باشد و هر شات با یک زاویۀ تصادفی با احتمال برابر در مسیر عالی (زاویۀ ساعت) خارج شود. شکل 4 این تعریف را نشان می‌دهد.

شکل 4: تعریف زاویۀ مخروط و زاویۀ ساعت

از آنجا که اکثر تیراندازان از بیشترین فاصلۀ بین دو شات در یک گروپ خاص استفاده می‌کنند، باید انحراف استاندارد زاویه‌ای (زاویۀ مخروطی) مدل خود را به عنوان انحراف استاندارد دو طرفه تعریف کنیم. این بدان معناست که انحراف استاندارد زاویۀ مخروطی که در شکل 4 نشان داده شده است، نصف انحراف زاویۀ مورد نظر خواهد بود. به عنوان مثال، اگر تفنگ فرضی ما یک انحراف استاندارد دو طرفه به اندازۀ یک MOA داشته باشد، پس 68.2٪ از مواقع شات در داخل یک دایره به قطر یک اینچ در فاصلۀ 100 یاردی، در مرکز میانگین واقعی POI قرار می‌گیرد.

شبیه‌سازی و برخی نتایج

یک برنامۀ Matlab نوشته شد که 100000 شات از یک تفنگ با یک MOA  انحراف دو طرفۀ استاندارد از زاویۀ مخروط، به سمت هدفی در فاصلۀ 100 یادری را شبیه ­سازی کرده بود. سپس این شبیه‌سازی گروپ‌های بسیاری از N شات از مجموع 100000 شات تشکیل داد و بیشترین فاصله از مرکز به مرکز در هر گروه از N شات را محاسبه و ثبت کرد.  N بین 2 تا 20 شات بود. سپس میانگین اندازه‌های گروپ ضبط شده برای هر N را محاسبه کرد و متوسط ​​اندازۀ گروپ برای یک گروپ N تایی به دست آورد. به عنوان مثال، با توجه به 100000 شات، 5000 شات گروپ 20 تایی وجود داشت. این باعث شد 5000 محاسبۀ اندازۀ گروپ و یک مقدار میانگین اندازۀ گروپ برای یک گروپ 20 تایی حاصل شود.

شکل 5 یک هدف شبیه‌سازی شده را پس از 250 شات نشان می‌دهد. حلقه‌ها 0.5 اینچ فاصله دارند. توجه داشته باشید که اکثر شات­ها در یک دایرۀ یک اینچی قرار می‌گیرند، اما فقط تعداد کمی از آنها بیش از یک اینچ با میانگین ​​POI فاصله دارند. در حقیقت، بیشترین برخوردها با نواحی مرکزی هدف صورت می‌گیرد و برخورد با لبه‌های هدف بسیار کمتر است.

شکل 5: هدف شبیه‌سازی شده پس از 250 شات

یک بافت‌نگار(هیستوگرام) که توزیع پانچ های شات در شرایط فوق را نشان می‌دهد بسیار جالب است و در شکل 6 نشان داده شده است. نوک نیزه به وضوح نشان می‌دهد که یک شات به احتمال زیاد در مرکز فرود می‌آید، و احتمال شات­های دور از مرکز بسیار کمتر است. این نتیجه به وضوح نشان می‌دهد که یک تیرانداز می‌تواند دو یا سه گروپ با اندازۀ کوچک (به عنوان مثال 0.5 اینچ) شلیک کند و سپس یک گروپ 3 تایی دیگر شلیک کند که دو شات بسیار نزدیک به یکدیگر قرار بگیرند و یک شات در فاصلۀ یک اینچ یا بیشتر فرود بیاید. این توزیع تنها احتمال برخورد یک شات با نقطه‌ای دور از مرکز را نشان می‌دهد، نه احتمال فرود گروهی از شات­ها در یک فاصلۀ خاص. این امر دلیل «پروازهای - flyers» نامعلوم از یک تفنگ تیراندازی خوب را شرح می‌دهد. اینها «پروازهای» واقعی نیستند، به این معنی که فرآیندی غیر از انحراف زاویۀ توزیع شدۀ معمول مانند تاج آسیب دیده یا همان damaged crown ، ساچمه نامتعادل، باعث واگرایی قابل توجه آنها شده باشد، بلکه این واگرایی نتیجۀ ویژگی‌های توزیع زاویه‌ای در گروپ آنها است.

به طور شهودی سه شات نمی تواند برای نمونۀ و تعیین دقیق توزیع واقعی یک تفنگ یا فشنگ کافی باشد. درس در اینجا این است که شات‌های بسیاری شلیک کنیم، معمولاً در گروپ‌های متعدد پنج تایی، و میانگین آنها را برای به دست آوردن جمع کل محاسبه کنیم. این که چه تعداد شات برای ایجاد یک برآورد دقیق لازم است، نیازمند یک تحلیل ریاضی عمیق‌تر از مدل آماری اصولی است و موضوع مقالۀ آتی خواهد بود.

بر اساس این نتیجه‌گیری، نویسنده از 4 گروپ 5 شاتی برای آزمایش نهایی تفنگ استفاده می‌کند.

شکل 6: توزیع POI هدف برای 100000 شات

گروپ گیری چیست

حال که یک تفنگ عالی با MOA یک را شبیه‌سازی کردیم، چطور اندازۀ گروپ سنجیده شده برای تعداد خاصی شات در هر گروپ با دقت یک MOA تطبیق پیدا می­کند؟ میانگین اندازۀ گروپ سنجیده شده برای گروپ‌های 2 تا 20 شات در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7: میانگین اندازۀ گروپ به عنوان تابع تعداد شات‌ها در هر گروپ، تفنگ استاندارد یک MOA در 100 یاردی

توجه داشته باشید که اگر از گروپ سه تایی برای تعیین دقت واقعی استفاده کنید، به اندازۀ میانگین گروپ 0.863 اینچ برای تفنگ یک MOA خواهید رسید. به عبارت دیگر، شما باید میانگین اندازۀ گروپ را به اینچ محاسبه کنید و در Correction Factor جدول 1 ضرب کنید تا دقت MOA واقعی برای تفنگ را بدست آورید. به خاطر داشته باشید که این مثال یک هدف در 100 یاردی را در نظر می‌گیرد. برای دامنه‌های غیر از 100 یارد، می‌توان مقادیر حاصل از محاسبۀ اندازۀ گروپ را پس از اصلاح توسط عوامل جدول 1 با نسبت دامنۀ واقعی به استاندارد دامنۀ 100 یاردی مقیاس‌بندی کرد. یک روش نسبتاً دقیق برای انجام این اندازه‌گیری بدون محاسبه، استفاده از شات گروپ‌های  4 تایی است، زیرا عامل اصلاح به عدد یک نزدیک‌تر است (0.979).

تعداد شلیک

Correction Factor

2

1.159

3

1.158

4

0.979

5

0.876

6

0.808

7

0.759

8

0.720

9

0.693

10

0.667

11

0.646

12

0.630

13

0.614

14

0.602

15

0.590

16

0.579

17

0.571

18

0.562

19

0.554

20

0.546

 

معادلۀ زیر فرآیند اندازه‌گیری و اصلاح را خلاصه می‌کند:

معلوم:

AD = اندازۀ متوسط گروپ محاسبه شده

N = تعداد شات‌ها در هر گروپ

CF = عامل اصلاح برای تعداد N شات در گروپ

R = دامنۀ واقعی هدف بر حسب یارد

به عنوان مثال، تفنگ شما به اندازۀ 0.75 اینچ برای گروپ 5 شاتی در فاصلۀ 200 یاردی دست یافته است. Correction Factor از جدول 1 برای شات گروپ 5 تایی 0.876 است. بنابراین، تفنگ شما بر اساس معادلۀ زیر تیراندازی می‌کند:

  MOA  0.329  = 200/100 * 0.876 * 0.75