[科普中国]-火箭制导与控制系统

组成与功能

从控制系统的角度看，导弹多有两个基本回路。其内回路是姿态控制回路，它起稳定弹体姿态，并按控制指令产生弹道控制所需的法向力的作用。习惯上，称这一由弹体动力学、 舵机、一些必要的敏感元件及校正网络组成的姿态控制回路为自动驾驶仪。另—回路是外回路，它是导弹质心运动的控制回路。它采用敏感元件探测弹目相对关系，生成控制指令，控 制弹的质心运动(弹道)，使其与目标交会。内回路的控制被称为控制(Control)，外回路的控制 被称为制导(Guidance)。3

姿态控制系统通过装在弹上的惯性器件测量火箭的视加速度和角度来实现对火箭的控制。按照测量参照系的不同，惯性器件有两种安装和使用方式：一种是惯性器件装在常平架上，以惯性坐标系为测量参照系，称为平台式姿态控制系统，如三轴陀螺稳定平台，它给出测速定向基准和测角参考轴；另一种是惯性器件固连于弹体上，以弹体为测量参照系，称为捷联式姿态控制系统，其测量量需经过计算机的转换变为惯性坐标系的参量，通常叫做数学常平架或假平台。2

制导系统用来探测或测定导弹相对于目标的飞行情况，计算弹体实际位置与预定位置的 偏差，形成引导指令，并操纵弹体改变飞行方向，使其飞向目标。

制导系统分为引导和控制两个系统。

（1）引导系统用来测定或探测弹体相对目标或发射点的位置，按希望的弹道形成引导指 令，并把引导指令送给控制系统。引导系统通常由弹体、目标位置和运动敏感器(或观测器) 及引导指令形成装置等组成。3

（2）控制系统响应引导系统来的引导指令信兮，产生作用力迫使弹体改变航向，使弹体沿 着要求的弹道飞行。控制系统的另一项主要任务是稳定弹体的飞行。控制系统通常由姿态敏 感元件，弹载计箅机、自动驾驶仪和操纵面等组成。3

设计过程制导与控制系统一般设计过程如下：

① 进行战术技术指标论证，如飞行高度包络、航程、攻击精度及目标类型等，了解总体对制导控制系统的战术技术要求以及相关已知数据。4

② 迸行攻击区分析，初步判定系统实用范围；进行动力学运动学分析，制定制导控制方案。

③ 方案火箭设计及计算，获得理想弹道的相关参数，作为小扰动设计的基础。

④ 选择导引头并初步确定主要参数，在视线角速度不大的情况下，主要考虑制导控制系统关于噪声干扰和通频带的要求。

⑤ 根据试验数据或参考资料，建立各主要成部件数学模型。

⑥ 选择稳定回路结构并初步确定参数，要求在任何情况下系统的稳定裕量在规定的范围内，稳定回路的设计需要与制导回路统一考虑。4

⑦ 制导回路设计，确定各元器件参数的计算值，保证导引准确度在误差范围内。根据火箭的气动布局和作战指标要求，选择适当的中制导规律和末制导规律，以发挥出火箭良好的飞行性能。

⑧ 数学仿真分析，校验计算的参数值，全面检査性能指标是否达到要求。

⑨ 半实物仿真。将制导控制的实际装置和部件或全部或部分地接入回路中，校验仪器和部件的功能和工作逻辑。

⑩ 飞行试验。通过实物飞行试验，检验系统设备和制导控制规律的可行性和正确性。4

分类火箭的制导控制系统按制导方式一般分为6类。

自主式：在制导和控制过程中，根据火箭内部或外部的固定参考基准控制火箭半主动雷达制导飞行。制导控制设备全部装在火箭内部，火箭发射后不需外部控制和配合工作。

寻的式：由装在弹上的敏感器（导引头）感受目标辐射或散射的能量，自动形成制导指令控制火箭飞向目标。根据照（辐）射源的位置（弹上、目标上、地面或发射平台）不同，又分为主动、被动和半主动3种寻的方式，主动和被动寻的制导设备全部装在弹上。2

指令式：一般由装在制导站的跟踪测量装置、指令形成装置、指令传输装置和装在弹上的指令接收机与控制装置组成。此种制导方式弹上设备较简单。根据指令的传输方式又可分为无线电、有线和光纤指令制导等。

驾束式：利用地面或发射平台的指挥站发出电磁波束或激光波束导引火箭飞向目标的系统。这种制导系统，弹上装有能自动测定火箭偏离波束旋转轴位置（角度）并形成指令的装置，或瞄准跟踪目标的光学系统。

图像匹配式：又称地球相关制导。通过遥感地形、地貌、地磁等特征图像把火箭自动引向目标。弹上装有图像遥感装置、计算机等设备，以及预先存储在存储器内的标准特征图。图像遥感装置沿火箭飞行航迹在预定空域内摄取实际地表特征图像。相关器将实时图与预先储存的标准特征图进行匹配，由此确定火箭实际飞行位置与标准位置的偏差，形成控制指令。2

复合式：将上述两种或两种以上方式组合起来形成的复合制导系统，从而达到取长补短的目的。

火箭制导系统按其物理特性分为：惯性制导（惯导）、无线电制导、红外制导、激光制导、雷达制导、电视制导、有线制导，光纤制导，以及将两种或三种类型的末制导系统组合起来的双模或三模制导系统等。

基本要求为了完成制导弹药的制导任务，对弹药制导与控制系统有很多要求，其中最基本的要求是制导与控制系统的制导准确度、作战反应时间、制导系统对目标的鉴别力、制导系统的抗干扰能力、制导系统的可靠性等。

制导准确度制导弹药与常规弹药之间的差别，在效果上看是制火箭药具有很高的命中概率，而实质上在于制导弹药是被控制的。所以，制导准确度是对制导系统的最基本也是最重要的要求。

制导与控制系统的准确度通常用火箭的脱靶量表示。所谓脱靶量，是指火箭在制导过程中与目标间的最短距离。从误差性质看，造成火箭脱靶量的误差分为两种：系统误差；随机误差。系统误差在所有火箭攻击目标过程中是固定不变的，因此，系统误差为脱靶量的常值分量；随机误差分量是一个随机量，其平均值等于零。5

火箭的脱靶量允许值取决于很多因素，但主要取决于给出的命中概率、火箭战斗部的重量和性质、目标的类型及其防御能力。目前，战术火箭的脱靶量可以达到几米，有的甚至可与目标相碰；战略火箭由于其战斗部威力大，目前的脱靶量可达到几十米。5

为了使脱靶量小于允许值，就要提高制导系统的制导准确度，也就是减小制导误差。

从误差来源看，火箭制导系统的制导误差分为动态误差、起伏误差和仪器误差。下面从误差来源角度分析制导误差。5

①动态误差。动态误差主要是由于制导系统受到系统的惯性、火箭机动性能、引导方法以及目标机动等因素的影响，不能保证火箭按理想弹道飞行而引起的。例如，当目标机动时，由于制导系统的惯性，火箭的飞行方向不能立即随之改变，中间有一定的延迟，因而使导弹离开基准弹道，产生一定的偏差。引导方法不完善所引起的误差，是指当所采用的引导方法完全正确地实现时所产生的误差，它是引导方法本身所固有的误差，是一种系统误差。火箭的可用过载有限也会引起动态误差。在火箭飞行的被动段，飞行速度较低时或理想弹道弯曲度较大、火箭飞行高度较高时，可能会发生火箭的可用过载小于需用过载的情况，这时火箭只能沿可用过载决定的弹道飞行，而使实际弹道与理想弹道间出现偏差。5

②起伏误差。起伏误差是由制导系统内部仪器或外部环境的随机干扰所引起的误差。随机干扰包括目标信号起伏、制导回路内部电子设备的噪声、敌方干扰、背景杂波、大气紊流等。当制导系统受到随机干扰时，制导回路中的控制信号便附加了干扰成分，火箭的运动便加上了干扰运动，这就使得导弹偏离基准弹道，造成飞行偏差。

③仪器误差。由于制造工艺不完善及制导系统维护不良等原因造成的制导误差，称为仪器误差。仪器误差具有随时间变化很小或保持某个常值的特点，因此可以建立模型来分析它的影响。

要保证和提高制导系统的制导准确度，除了在设计、制造时尽量减小各种误差外，在正确使用的同时，还要对火箭的制导设备进行精心维护，使制导系统保持最佳的工作性能。5

作战反应时间作战反应时间，是指从发现目标起到第一枚火箭起飞之间的一段时间，一般来说，它应由防御的指挥、控制、通信系统和制导系统的性能共同决定。但对攻击活动目标的火箭，作战反应时间则主要由制导系统决定，火箭系统的搜索探测设备对目标进行识别和威胁判定后，就立即计算目标诸元并选定应攻击的目标。此后，制导系统便对指定的目标进行跟踪，并进行转动发射设备、捕获目标、计算发射数据、执行发射等操作。制导系统执行上述操作所需要的时间，称为作战反应时间。随着科学技术的发展，目标机动速度越来越快，而火箭系统难以实现在远距离对低空目标的搜索、探测，因此制导系统的反应时间必须尽量短。5

制导系统对目标的鉴别力如果要使火箭去攻击相邻几个目标中的某一个指定目标，火箭制导系统就必须具有较高的距离鉴别力和角度鉴别力。距离鉴别力是制导系统对同一方位上、不同距离上两个目标的分辨能力，一般用能够分辨出的两个目标间的最短距离△r表示：角度鉴别力是制导系统对同一距离上，不同方位的两个目标的分辨能力，一般用能够分辨出的两个目标与控制点连线间的最小夹角△φ表示，如图1-2所示。

如果火箭的制导系统是基于接受目标本身辐射或者反射的信号进行控制的，那么鉴别力较高的制导系统就能从相邻的几个目标中分辨出指定的目标；如果制导系统对目标的鉴别力较低，就可能出现下面的情况：

① 当某一目标辐射或反射信号的强度远大于指定目标辐射或反射信号的强度时，制导系统便不能把火箭引向指定的目标，而是引向信号较强的目标，

② 当目标群中多个目标辐射或反射信号的强度相差不大时，制导系统便不能把火箭引向指定目标，因而火箭到达指定目标的概率将显著降低，

制导系统对目标的鉴别力主要由其传感器的测量精度决定，因此，要提高制导系统对目标的鉴别力，必须采用高分辨能力的目标传感器。5

制导系统的抗干扰能力制导系统的抗干扰能力，是指在遭到敌方袭击、电子对抗、反导对抗和受到内部、外部干扰时，该制导系统保持其正常工作的能力。多数火箭要求具有很强的抗干扰能力。

制导系统受干扰的情况各不相同，其中，雷达型遥控制导系统容易受到电子干扰，特别是敌方施放的各种干扰。为提高制导系统的抗干扰能力，要不断地采用新技术，使制导系统对干扰不敏感，要在使用过程中加强制导系统工作的隐蔽性、突然性，使敌方不易察觉制导系统的工作，制导系统可以采用多种工作模式，当一种模式被干扰时，立即转换到另一种模式制导。5

制导系统的可靠性可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，实现规定功能的能力。制导系统的可靠性，可以看作是在给定使用和维护条件下，制导系统内各种设备能保持其参数不超过给定范围的性能，通常用制导系统在允许工作时间内不发生故障的槪率来表示。这个槪率越大，表明制导系统发生故障的可能性越小，即系统的可靠性越好。5

制导系统的工作环境很复杂，影响制导系统工作的因素很多。例如，在运输、发射和飞行过程中，制导系统要受到振动、冲击和加速度等影响：在保管、储存和工作过程中，制导系统要受到温度、湿度和大气压力变化以及有害气体、灰尘等环境的影响。制导系统的每个元件，由于受到材料、制造工艺的限制，在外界因素的影响下，都可能变质失效，从而影响制导系统的可靠性。为了保证和提高制导系统的可靠性，在研制过程中必须对制导系统进行可靠性设计，采用优质耐用的元器件、合理的结构和精密的制造工艺，除此之外，还应正确地使用和科学地维护制导系统。5

体积小、质量轻、成本低在满足上述基本要求的前提下，尽可能地使制导系统的仪器设备结构简单、体积小、质量轻、成本低，对弹上的仪器设备更应如此。

未来发展趋势未来导弹及其制导控制系统的概貌是由其对抗兵器（各类精确制导武器及可 能的运载器，如飞机、直升机、装甲车辆、舰艇等）的下一步发展预测决定的。这些 对抗目标的典型特点是：高速和高机动性、不断降低的雷达可探测性、产生各类干 扰的能力、与运载器分离距离的增大（如载机不需要进入防区等）、抗战斗装药爆炸 的高强度和高稳定性等。由此出发，未来导弹制导控制系统的发展趋势将主要是：6

(1)提高通道数，以适应攻击多个目标或反击对抗目标从各方向而来的大规 模空袭。

(2) 采用垂直起飞，保证快速、全方位进攻或反击全向的空袭。

(3)采用复合制导，在大部分弹道段上采用惯性制导系统，而末制导采用主动 雷达寻的制导（可能还加红外导引头作备份），这样既可免去雷达站在寻的制导段 的跟踪和照射目标的功能，又可扩大雷达跟踪目标的能力。

(4)为了使导弹具有超机动性，保证对目标的超精度制导和导弹战斗装备对 目标的高效率杀伤，未来导弹必须在寻的末制导段采用燃气动力方法产生控制力 和力矩。

除此之外，未来导弹的制导控制系统还应该为导弹武器系统提供从行军到展 开在极短时间范围内（几分钟甚至更短）具有实际上沿任何地形转移的能力，以及 长期（达10年或更长）无检测储存和在任何气候及其他使用条件下经常处于作战 可用状态的能力。6

为了进一步说明未来导弹及其制导控制系统的概貌，图6. 11给出了其中未来 中程陆基防空导弹制导控制系统作战过程示意图。

该系统所有的组成部件均装在几辆自行底盘上，使其具有很高的机动性和战 备可用度。防空导弹1被封装在运输发射简内，保证其导弹长期免检储存并经常 处于发射准备好状态。当从空间预警和指示系统2处获得空袭武器出现的一次信 息后，此信息随即送给防空导弹火力单元的多功能雷达站3和指控车4。按外部 目标指示数据，多功能雷达站搜索发现、截获和跟踪目标，确定其坐标和速度。这 些信息均集中到火力单元的指控车中，在此，数字计算机系统能保证向火力单元各 分系统引入统一的空间和时间坐标，处理来自多功能雷达站的有关目标初始数据 (目标指示数据），确定导弹发射的时间和地点，以及形成必要的控制指令。导弹是 按指令车的指令从火力单元的一个移动发射装置5发射的。导弹的起飞 是靠运输发射筒中弹射装置来抛射，然后再点燃导弹发动机来实现的。导弹飞行 过程分成几段：第一段为垂直起飞和向发射前计算好的前置遭遇点方向转弯。前 置遭遇点的信息在射前时期和整个导弹飞行时间内，均随所跟踪目标运动参数而 不断修正。第二段是惯性制导段，在此段油松修正后的遭遇点、目标坐标和速度的 信息由多功能雷达站沿无线电修正通道向导弹发送。控制指令是在弹上计算机形 成的。当与目标接近到相对距离达到主动雷达导引头能发现和截获目标时，多功 能雷达站向导引头发送角度和接近速度目标指示信息。主动雷达导引头对目标6 进行搜索、截获并自动跟踪。从此开始第三段，即寻的飞行段。在寻的段的最终 段，当导弹与目标非常接近时，导弹的燃气动力控制系统投入工作，实施急剧的机 动来消除脱靶。对目标的杀伤是靠碰撞方法（即动能杀伤），或者按非触发引信指 令起爆战斗部靠其杀伤破片的作用。6