飛彈制導精度

飛彈制導精度，也叫飛彈控制導航準確度，表征飛彈實際彈道偏離理想彈道的程度。是評定飛彈制導系統的主要性能指標,是決定導 彈命中誤差的重要因素。用制導誤差的統計指標表示。

飛彈武器系統在執行作戰任務的過程中，最重要的戰鬥行動就是用飛彈對各種目標進行射擊。目標的性質不同、飛彈本身的戰術技術性能限制、各類干擾因素及誤差源作用的結果，使飛彈對目標射擊時，達到預定目的的程度和效果將會有顯著的差異。飛彈制導精度分析是研究飛彈對目標射擊效果的重要內容，也是確定飛彈殺傷機率的前提。

基本介紹

• 中文名：飛彈制導精度
• 外文名：Missile guidance precision
• 性質：描述飛彈精確打擊程度
• 主要套用：飛彈控制導航精度分析

定義

飛彈制導精度表征飛彈實際彈道偏離理想彈道的程度。是評定飛彈制導系統的主要性能指標,是決定導 彈命中誤差的重要因素。用制導誤差的統計指標表示。

影響飛彈精度的誤差源分析

影響因素

制導誤差是影響飛彈精度的一個重要因素。

飛彈武器系統在執行作戰任務的過程中，最重要的戰鬥行動就是用飛彈對各種目標進行射擊。目標的性質不同、飛彈本身的戰術技術性能限制、各類干擾因素及誤差源作用的結果，使飛彈對目標射擊時，達到預定目的的程度和效果將會有顯著的差異。制導精度分析是研究飛彈對目標射擊效果的重要內容，也是確定飛彈殺傷機率的前提。

影響彈道飛彈精度的因素很多,但主要可分為制導誤差和非制導誤差。制導誤差和非制導誤差對飛彈精度的影響是相互耦合的,必須對兩者全面考慮。

制導誤差

制導誤差是影響飛彈精度的一個重要因索,減小制導工具誤差是提高飛彈精度的重要手段之一。制導誤差是制導系統在內部噪聲和外部因素的干擾下由於測量精度、解算精度、回響能力的制約所形成的誤差,主要包括慣性儀表測量誤差和制導方法誤差等 [7] 。制導誤差包括系統誤差和 隨機誤差,通過補償和校正,可以消除部分或大部分系統誤差;隨機誤差只能通過改善硬體和軟體的精度來解決。提高慣性測量裝置精度的方法主要有:提高慣性器件本身的精度;採用誤差補償方法;提高慣性測量組合的安裝精度。只有具有準確刻畫飛彈系統動力學規律的能力,才可能準確建立各種誤差對飛彈精度影響程度的定量分析手段,考慮慣性儀表測量誤差和制導方法誤差,為改進和補償制導誤差提供思路和手段。

非制導誤差

非制導誤差是指在自身和外界因素干擾下,由與制導系統無關的因素造成的誤差,主要包括瞄準誤差、彈體結構誤差、發動機衝量誤差、彈道條件誤差、氣象條件誤差、地理誤差與再入誤差等。隨著制導精度的不斷提高,非制導誤差所含對飛彈精度影響程度的比例在不斷加大,尤其對純慣性制導的彈道飛彈,非制導誤差對飛彈精度有舉足輕重的影響,因此減小非制導誤差是提高飛彈精度的主要途徑之一。再入段的誤差分析與控制是減小非制導誤差影響的有效手段,目前已成為提高飛彈精度的重要環節。

分類

飛彈精度包括射擊準確度與射擊密集度。它們分別取決於飛彈制導的系統誤差和隨機誤差.

飛彈的射擊精確度

是評價飛彈武器系統性能的重要指標。測量結果與被測量真值之間一致的程度。為了分析飛彈在飛行過程中的落點精度 ,使飛行彈道在各種干擾作用下不過大的偏離標準彈道

飛彈射擊密集度

(missir。firing disper- sion)飛彈炸點對散布中心的聚集程 度。它與飛彈射擊準確度構成飛彈命中精 度。衡量射擊密集度的尺度是炸點偏差的 均方根偏差或方差。在飛彈射擊系統偏差 很小時，飛彈射擊密集度近似反映飛彈命 中精度。在實際使用中，飛彈射擊密集度 通常以圓機率偏差(CEP)或機率偏差表 示。飛彈射擊密集度的大小取決於制導方 法、飛彈及其制導儀表的製造、射擊諸元 準備和操作，以及飛行中其他一些偶然因 素干擾引起的隨機偏差。為提高飛彈射擊 密集度，需完善制導方法，提高飛彈的制 造精度、射擊諸元準備和操作手操作的準 確度，減少偶然因素的干擾，縮小各種隨 機偏差等。對射程較遠的彈道飛彈，在彈 道主動段、中段和末段均進行制導，可使 射擊密集度(圓機率偏差)達幾百米，幾十 米或更小。

提高飛彈制導精度方法

加強飛彈系統動力學研究

建立基於多體系統傳遞矩陣法的飛彈系統發射與飛行動力學理論與數值仿真系統,包括標準彈道模型、干擾彈道模型和精度分析模型,為提高飛彈精度的飛彈總體參數最佳化提供仿真平台,快速準確地獲得飛彈振動特性和發射與飛行中的動力回響,建立飛彈總體參數飛彈精度間的定量關係,考慮包含瞄準、初始調平、裝訂、點火、起飛、穩定控制、拐彎、導引、關機、分離、末修、起旋、調姿、自由飛行、解爆、子彈拋撒等過程,進行飛彈精度仿真。建立考慮變形振動的飛彈主動段、自由段、再入段飛行穩定性理論。

對飛彈全彈和各分段進行振動模態試驗,測量飛彈固有振動頻率、振型、阻尼比等模態參數,為飛彈控制元件的合理安裝提供指導。建立飛彈彈體振動與氣動參數布局計算模型,分析飛彈振動對精度的影響,合理設計彈體模態參數。套用多體動力學理論和彈道理論和振動模態理論,通過對飛彈總體結構的最佳化,使其固有振動頻率與 慣性測量組合頻率匹配,提高慣性測量組合的使用精度。 雙歐法和四元數法為飛彈彈道仿真和分析奠定基礎[8,9] ,為進行飛彈的干擾因素、命中誤差以及干擾量的統計特性分析提供支撐。

提高再入飛行精度

建立飛彈再入誤差控制、再入誤差補償、最佳化再入角度方法,提高飛彈再入飛行精度,這對提高純慣性制導的彈道飛彈精度非常重要。彈頭高速再入大氣層雖然飛行時間短,但加速特性變化劇烈,嚴重的氣動加熱和惡劣的大氣環境使再入段干擾引起的落點偏差成為飛彈總落點偏差不可忽略的部分,特別是再入初始攻角角速度對落點偏差影響大。由於攻角和攻角角速度的大小和方向都是隨機的而無法修正,由此產生大的隨機彈道偏差。通過最佳化飛彈總體結構參數,減小飛彈關機時刻的初始擾動,最佳化飛彈自旋速度和方向等再入誤 差控制新方法,減小再入段的攻角和攻角角速度,減小再入姿態偏差,提高再入飛行精度。套用火箭彈道理論的等效起始擾動概念,通過飛彈系統參數設計,預設再入體的運動狀態,使飛彈再入體在再入起始時的擾動與其自身缺陷(質量偏心、動不平衡等因素)在再入飛行過程中產生的攻角運動對應的再入開始時的等效擾動等大反向相互抵消,等再入誤差補償新方法使再入體的擾動產生的彈道偏差與飛彈自身缺陷引起的彈道偏差相互抵消,提高再入飛行精度。用彈道理論,最佳化確定最佳再入角度,提高再入飛行精度,這是筆者正在進行的研究工作。

最佳化飛彈轉速

飛彈轉速對飛行穩定性和飛彈精度有直接影響。飛彈調姿後的飛行穩定性包括兩個方面,一是飛彈的剛體擺動,二是飛彈自身的彈性振動。如果再入體轉動和擺動發生共振現象,或再入體自轉轉速與自振頻率接近而發生共振現象,都將導致飛彈精度變差甚至結構破壞。可根據彈道理論、多體系統動力學、振動理論確定再入體自轉轉速上限和下限。轉速上限:不超過飛彈被動段飛行動態穩定的極限轉速,防止過大的馬格努斯力矩引起的動態不穩定。轉速下限:飛彈在末修段轉速必須達到陀螺穩定所需的轉速,特別是飛彈 在全彈道都必須避開彈體的章動頻率、飛彈固有 振動頻率等。

提高慣組器件精度和誤差補償方法

1 提高慣性器件本身的精度 慣性元器件的精度尤其是陀螺的精度是制約彈道飛彈精度的主要因素之一。進行慣性測量組合的更新換代,可用光纖陀螺或雷射陀螺替換目前的撓性陀螺。慣測組合的誤差係數標定方法,零次項誤差係數和一次項誤差係數標定不精確變化大對飛彈落點影響較大。要改進工具誤差係數標定方法,準確估計時間和環境對工具誤差係數的影響,使工具誤差係數更準確。採用高性能DSP晶片,提高彈載計算機的存儲容量和運算速度,以制導算法為核心的主控程式、設備通訊、操縱機構控制和狀態信號的高精度採集等功能模組集於一體,實現系統高度集成,提高計算速度。

2 改進慣性測量組合的誤差補償方法 改進由安裝和鉸鏈影響等原因造成的慣性測量組合系統誤差的補償方法,包括:新的工具誤差補償數學模型,提高測量精度;確定陀螺漂移誤差補償措施;誤差補償評估方法,為驗後誤差係數的分離和補償精度的評估提供手段。

提高慣性測量組合器件安裝精度

大量理論與實踐證明,無論慣性測量組合器件精度多么高,如果缺乏高精度安裝技術,則不可達到高慣導精度。高慣導精度只有依靠高慣性測量組合器件和高安裝精度才能實現。例如,飛彈發射與飛行過程中,經歷了彈體結構的彈性振動、飛彈軸章動、飛彈自轉運動、燃氣舵繞其鉸鏈軸的擺動、冷噴管噴氣等周期性的動作;慣性測量組合器件在這些周期性動作的工作環境中,自身的工作頻率與作為其輸入的上述環境頻率之間的匹配將對這些器件的產生極為重要的影響,如果匹配 不好,將嚴重降低這些器件的動態性能,甚至使其完全喪失工作能力,更無精度可言。一個嚴重的問題是,由於技術的複雜性,目前生產廠家還不能將慣性測量組合器件無法適應的工作頻率在產品說明書中列出。這就對慣性測量組合器件的安裝技術提出了高要求。事實上,許多飛彈研製過程中就經歷了若干次反覆調試慣性測量組合器件在飛彈上的安裝環境才達到了預定精度這一過程。慣性測量組合器件高精度安裝技術是提高飛彈精度的一個重要方向,要求飛彈設計者具備發射動力學、多體系統動力學、結構動力學、飛行動力學和測試技術方面堅實的理論基礎和技術水平,合理匹配慣性測量組合與飛彈總體結構參數,有效提高飛彈精度。

基於遙測數據氣動參數辨識法

現代超高速飛彈飛行的馬赫數已達很大數值,難以避免的氣動燒蝕使飛彈結構在飛行過程中發生了較大變化,其氣動力隨之發生了顯著變化。超高速飛彈嚴重的氣動燒蝕對實現方案彈道需要的控制能力提出了更高的要求,也加大了再入飛行誤差。套用包括控制系統在內的飛彈飛行動力學模型,同時進行氣動參數與控制參數識別,通過飛彈遙測數據辨識氣動參數,獲取飛彈氣動參數隨不同氣動燒蝕的變化情況。

提高飛彈開倉和子彈拋撒精度

再入彈頭通常採用空中爆炸或拋撒子彈來有效地殺傷敵方目標。套用多體系統傳遞矩陣法和發射動力學新理論和彈道理論,根據飛彈末修段 終點實測彈道參數和方案彈道參數之間的偏差,建立確定開倉時間的射程修正模型,進行拋撒時序控制和拋撒動力學控制,準確控制子彈拋撒,形成子彈均勻拋撒技術,將減小飛彈的落點偏差。

氣象條件、重力異常、溫度的修正

1 氣象條件補償 若飛彈發射裝訂諸元參數中,僅裝訂發射月份,不考慮發射點、目標點及飛彈飛行過程中的實際氣象條件,因裝訂氣象條件與實際氣象條件的較大誤差將導致較大的飛彈落點偏差,例如,氣象條件對無控再入段彈道和落點的影響明顯。在彈道裝訂時準確預測發射點、目標點及飛彈飛行過程中的實際氣象條件或建立氣象條件補償技術,可明顯提高飛彈精度。

2 重力異常補償 引力計算的局限性使飛彈主動段和被動段實際速度和位置產生偏差引起落點偏差。理論與實踐證明,當彈道計算和控制精度要求高於萬分之幾時,重力異常對飛彈精度影響不可忽略,誤差大小與彈道特性和地面重力異常值有關。重力異常計算目前存在的問題是地麵點數據太少,計算結果無法用實際數據驗證。常用的重力異常算法是Stokes方法、球諧函式法和梯度法等。可用球諧函式法分析飛彈飛行中重力異常的影響,再用彈道飛彈導航算法來仿真重力異常對彈道飛彈導航精度的影響,並根據卡爾曼濾波中的狀態轉移陣以及重力異常的量級、作用時間來對重力異常造成的速度位置誤差進行補償,提高飛彈精度。

3 溫度修正 飛彈發射時的環境溫度會影響固體發動機的推力 ,推力變化影響飛彈精度和射程。建立推力與推進劑初溫的關係和標準彈道關機點參數偏 差模型,對落點誤差進行修正。

提高初始對準和瞄準精度

1 提高初始對準補償精度 慣導系統初始對準精度對導航精度影響非常大,捷聯慣導系統初始對準過程實際上是對慣導解算進行初始化。慣性所用的航位推算的算法實質是一種積分運算,需要確定積分的初值,包括位置速度和姿態的初值。慣導系統初始化的關鍵是確定初始姿態。初始對準包括發射點的位置、瞄準射向和垂直度等。飛彈初始對準誤差是指初始調平與瞄準定向誤差,由於測量工具的測量誤差,使得飛彈初始對準存在一定的誤差,導致射擊偏差,通過建 立飛彈初始對準誤差補償系統,對其進行補償。

2 提高瞄準精度 採用高精度的雷射瞄準儀,提高目標定位精度。

進行複合制導、增加末端制導

1 進行複合制導 建立慣導+GPS/GLONASS/倒北斗複合制導新技術,利用GPS/GLONASS/倒北斗定位的較高精度來修正陀螺漂移隨時間增加的誤差,兩者組合提高系統導航精度和抗干擾能力,提高飛彈精度。

2 增加末端制導 套用目標自動識別與跟蹤技術、末制導主動式毫米波/紅外可見光成像導引頭技術、多模複合制導技術、多模複合導引頭多元信息融合技術。

提高飛彈軟體精度

1 提高彈道方程算法精度 彈道飛彈的系統動力學方程包含:控制方程、母彈飛行動力學方程、子彈飛行動力學方程以及氣象、空氣動力、控制參數裝訂條件等。用高計算精度算法計算與飛行控制動力學方程,提高彈道計算精度。

2 提高卡爾曼濾波方法精度 在慣導的初始對準過程中套用信息融合技術。卡爾曼濾波方法是常用的信息融合技術之一 , 是一種遞推線性最小方差估計實用的工程化方法。初始對準中卡爾曼濾波器的穩定性和可觀性是影響對準精度和快速性的主要因素,建立多步高精度卡爾曼濾波技術,對慣性組合測量值進行組合濾波,提高慣性組合的測量精度和飛彈精度。

3 改進制導方法 二階攝動制導、自適應制導、耗盡關機制導或疊代制導等制導方法,可以在很大程度上消除制導方法誤差,提高制導系統抵抗外干擾的能力。顯式制導方法依據目標數據和飛彈的現時運動參數,按控制泛函的顯函式表達式進行實時計算,計算量大,對彈載計算機的速度和容量要求較高,精度比攝動制導高

4 最佳化飛彈彈道最佳化彈道諸元參數,提高飛彈的飛行穩定性;最佳化飛彈結構布局,使其自振頻率與制導系統的頻率匹配;匹配舵機操縱頻率與章動頻率、振動頻率,提高制導精度。

5 控制飛彈質量分布及其對精度的影響在現有工藝水平條件下,儘量減小質量分布的不對稱性以減小其引起的落點偏差;準確測定並保證飛彈裝訂後仍能準確知道飛彈質量偏心和動不平衡角的大小和方位,可分別用準確計算彈道和等效起始擾動的概念兩種方法基本消除飛彈質量偏心和動不平衡角對精度的影響。

建立先進的飛彈精度評估方法

近年來出現了基於對武器系統動力學規律準確描述並結合現代統計理論的武器精度評估的新理論,並被廣泛用於新式常規兵器試驗精度評估,取得了很好的效果 ,受到了武器研製與試驗領域的關注。這些武器精度評估的新理論,可拓展用於建立基於飛彈武器系統發射與飛行動力學規律準確描述並結合現代統計理論的飛彈精度評估新方法,為飛彈精度評估和提高飛彈精度提供手段。