[科普中国]-导弹制导精度

定义

导弹制导精度表征导弹实际弹道偏离理想弹道的程度。是评定导弹制导系统的主要性能指标,是决定导 弹命中误差的重要因素。用制导误差的统计指标表示。

影响导弹精度的误差源分析影响因素制导误差是影响导弹精度的一个重要因素。

导弹武器系统在执行作战任务的过程中，最重要的战斗行动就是用导弹对各种目标进行射击。目标的性质不同、导弹本身的战术技术性能限制、各类干扰因素及误差源作用的结果，使导弹对目标射击时，达到预定目的的程度和效果将会有显著的差异。制导精度分析是研究导弹对目标射击效果的重要内容，也是确定导弹杀伤概率的前提。

影响弹道导弹精度的因素很多,但主要可分为制导误差和非制导误差。制导误差和非制导误差对导弹精度的影响是相互耦合的,必须对两者全面考虑。1

制导误差制导误差是影响导弹精度的一个重要因索,减小制导工具误差是提高导弹精度的重要手段之一。制导误差是制导系统在内部噪声和外部因素的干扰下由于测量精度、解算精度、响应能力的制约所形成的误差,主要包括惯性仪表测量误差和制导方法误差等 [7] 。制导误差包括系统误差和 随机误差,通过补偿和校正,可以消除部分或大部分系统误差;随机误差只能通过改善硬件和软件的精度来解决。提高惯性测量装置精度的方法主要有:提高惯性器件本身的精度;采用误差补偿方法;提高惯性测量组合的安装精度。只有具有准确刻画导弹系统动力学规律的能力,才可能准确建立各种误差对导弹精度影响程度的定量分析手段,考虑惯性仪表测量误差和制导方法误差,为改进和补偿制导误差提供思路和手段。

非制导误差非制导误差是指在自身和外界因素干扰下,由与制导系统无关的因素造成的误差,主要包括瞄准误差、弹体结构误差、发动机冲量误差、弹道条件误差、气象条件误差、地理误差与再入误差等。随着制导精度的不断提高,非制导误差所含对导弹精度影响程度的比例在不断加大,尤其对纯惯性制导的弹道导弹,非制导误差对导弹精度有举足轻重的影响,因此减小非制导误差是提高导弹精度的主要途径之一。再入段的误差分析与控制是减小非制导误差影响的有效手段,目前已成为提高导弹精度的重要环节。1

分类导弹精度包括射击准确度与射击密集度。它们分别取决于导弹制导的系统误差和随机误差.

导弹的射击精确度是评价导弹武器系统性能的重要指标。测量结果与被测量真值之间一致的程度。为了分析导弹在飞行过程中的落点精度 ,使飞行弹道在各种干扰作用下不过大的偏离标准弹道

导弹射击密集度(missir。firing disper- sion)导弹炸点对散布中心的聚集程 度。它与导弹射击准确度构成导弹命中精 度。衡量射击密集度的尺度是炸点偏差的 均方根偏差或方差。在导弹射击系统偏差 很小时，导弹射击密集度近似反映导弹命 中精度。在实际使用中，导弹射击密集度 通常以圆概率偏差(CEP)或概率偏差表 示。导弹射击密集度的大小取决于制导方 法、导弹及其制导仪表的制造、射击诸元 准备和操作，以及飞行中其他一些偶然因 素干扰引起的随机偏差。为提高导弹射击 密集度，需完善制导方法，提高导弹的制 造精度、射击诸元准备和操作手操作的准 确度，减少偶然因素的干扰，缩小各种随 机偏差等。对射程较远的弹道导弹，在弹 道主动段、中段和末段均进行制导，可使 射击密集度(圆概率偏差)达几百米，几十 米或更小。

提高导弹制导精度方法加强导弹系统动力学研究建立基于多体系统传递矩阵法的导弹系统发射与飞行动力学理论与数值仿真系统,包括标准弹道模型、干扰弹道模型和精度分析模型,为提高导弹精度的导弹总体参数优化提供仿真平台,快速准确地获得导弹振动特性和发射与飞行中的动力响应,建立导弹总体参数导弹精度间的定量关系,考虑包含瞄准、初始调平、装订、点火、起飞、稳定控制、拐弯、导引、关机、分离、末修、起旋、调姿、自由飞行、解爆、子弹抛撒等过程,进行导弹精度仿真。建立考虑变形振动的导弹主动段、自由段、再入段飞行稳定性理论。2

对导弹全弹和各分段进行振动模态试验,测量导弹固有振动频率、振型、阻尼比等模态参数,为导弹控制元件的合理安装提供指导。建立导弹弹体振动与气动参数布局计算模型,分析导弹振动对精度的影响,合理设计弹体模态参数。应用多体动力学理论和弹道理论和振动模态理论,通过对导弹总体结构的优化,使其固有振动频率与 惯性测量组合频率匹配,提高惯性测量组合的使用精度。 双欧法和四元数法为导弹弹道仿真和分析奠定基础[8,9] ,为进行导弹的干扰因素、命中误差以及干扰量的统计特性分析提供支撑。3

提高再入飞行精度建立导弹再入误差控制、再入误差补偿、优化再入角度方法,提高导弹再入飞行精度,这对提高纯惯性制导的弹道导弹精度非常重要。弹头高速再入大气层虽然飞行时间短,但加速特性变化剧烈,严重的气动加热和恶劣的大气环境使再入段干扰引起的落点偏差成为导弹总落点偏差不可忽略的部分,特别是再入初始攻角角速度对落点偏差影响大。由于攻角和攻角角速度的大小和方向都是随机的而无法修正,由此产生大的随机弹道偏差。通过优化导弹总体结构参数,减小导弹关机时刻的初始扰动,优化导弹自旋速度和方向等再入误 差控制新方法,减小再入段的攻角和攻角角速度,减小再入姿态偏差,提高再入飞行精度。应用火箭弹道理论的等效起始扰动概念,通过导弹系统参数设计,预设再入体的运动状态,使导弹再入体在再入起始时的扰动与其自身缺陷(质量偏心、动不平衡等因素)在再入飞行过程中产生的攻角运动对应的再入开始时的等效扰动等大反向相互抵消,等再入误差补偿新方法使再入体的扰动产生的弹道偏差与导弹自身缺陷引起的弹道偏差相互抵消,提高再入飞行精度。用弹道理论,优化确定最佳再入角度,提高再入飞行精度,这是笔者正在进行的研究工作。4

优化导弹转速导弹转速对飞行稳定性和导弹精度有直接影响。导弹调姿后的飞行稳定性包括两个方面,一是导弹的刚体摆动,二是导弹自身的弹性振动。如果再入体转动和摆动发生共振现象,或再入体自转转速与自振频率接近而发生共振现象,都将导致导弹精度变差甚至结构破坏。可根据弹道理论、多体系统动力学、振动理论确定再入体自转转速上限和下限。转速上限:不超过导弹被动段飞行动态稳定的极限转速,防止过大的马格努斯力矩引起的动态不稳定。转速下限:导弹在末修段转速必须达到陀螺稳定所需的转速,特别是导弹 在全弹道都必须避开弹体的章动频率、导弹固有 振动频率等。

提高惯组器件精度和误差补偿方法1 提高惯性器件本身的精度 惯性元器件的精度尤其是陀螺的精度是制约弹道导弹精度的主要因素之一。进行惯性测量组合的更新换代,可用光纤陀螺或激光陀螺替换目前的挠性陀螺。惯测组合的误差系数标定方法,零次项误差系数和一次项误差系数标定不精确变化大对导弹落点影响较大。要改进工具误差系数标定方法,准确估计时间和环境对工具误差系数的影响,使工具误差系数更准确。采用高性能DSP芯片,提高弹载计算机的存储容量和运算速度,以制导算法为核心的主控程序、设备通讯、操纵机构控制和状态信号的高精度采集等功能模块集于一体,实现系统高度集成,提高计算速度。

2 改进惯性测量组合的误差补偿方法 改进由安装和铰链影响等原因造成的惯性测量组合系统误差的补偿方法,包括:新的工具误差补偿数学模型,提高测量精度;确定陀螺漂移误差补偿措施;误差补偿评估方法,为验后误差系数的分离和补偿精度的评估提供手段。5

提高惯性测量组合器件安装精度大量理论与实践证明,无论惯性测量组合器件精度多么高,如果缺乏高精度安装技术,则不可达到高惯导精度。高惯导精度只有依靠高惯性测量组合器件和高安装精度才能实现。例如,导弹发射与飞行过程中,经历了弹体结构的弹性振动、导弹轴章动、导弹自转运动、燃气舵绕其铰链轴的摆动、冷喷管喷气等周期性的动作;惯性测量组合器件在这些周期性动作的工作环境中,自身的工作频率与作为其输入的上述环境频率之间的匹配将对这些器件的产生极为重要的影响,如果匹配 不好,将严重降低这些器件的动态性能,甚至使其完全丧失工作能力,更无精度可言。一个严重的问题是,由于技术的复杂性,目前生产厂家还不能将惯性测量组合器件无法适应的工作频率在产品说明书中列出。这就对惯性测量组合器件的安装技术提出了高要求。事实上,许多导弹研制过程中就经历了若干次反复调试惯性测量组合器件在导弹上的安装环境才达到了预定精度这一过程。惯性测量组合器件高精度安装技术是提高导弹精度的一个重要方向,要求导弹设计者具备发射动力学、多体系统动力学、结构动力学、飞行动力学和测试技术方面坚实的理论基础和技术水平,合理匹配惯性测量组合与导弹总体结构参数,有效提高导弹精度。5

基于遥测数据气动参数辨识法现代超高速导弹飞行的马赫数已达很大数值,难以避免的气动烧蚀使导弹结构在飞行过程中发生了较大变化,其气动力随之发生了显著变化。超高速导弹严重的气动烧蚀对实现方案弹道需要的控制能力提出了更高的要求,也加大了再入飞行误差。应用包括控制系统在内的导弹飞行动力学模型,同时进行气动参数与控制参数识别,通过导弹遥测数据辨识气动参数,获取导弹气动参数随不同气动烧蚀的变化情况。

提高导弹开仓和子弹抛撒精度再入弹头通常采用空中爆炸或抛撒子弹来有效地杀伤敌方目标。应用多体系统传递矩阵法和发射动力学新理论和弹道理论,根据导弹末修段 终点实测弹道参数和方案弹道参数之间的偏差,建立确定开仓时间的射程修正模型,进行抛撒时序控制和抛撒动力学控制,准确控制子弹抛撒,形成子弹均匀抛撒技术,将减小导弹的落点偏差。

气象条件、重力异常、温度的修正1 气象条件补偿 若导弹发射装订诸元参数中,仅装订发射月份,不考虑发射点、目标点及导弹飞行过程中的实际气象条件,因装订气象条件与实际气象条件的较大误差将导致较大的导弹落点偏差,例如,气象条件对无控再入段弹道和落点的影响明显。在弹道装订时准确预测发射点、目标点及导弹飞行过程中的实际气象条件或建立气象条件补偿技术,可明显提高导弹精度。

2 重力异常补偿 引力计算的局限性使导弹主动段和被动段实际速度和位置产生偏差引起落点偏差。理论与实践证明,当弹道计算和控制精度要求高于万分之几时,重力异常对导弹精度影响不可忽略,误差大小与弹道特性和地面重力异常值有关。重力异常计算目前存在的问题是地面点数据太少,计算结果无法用实际数据验证。常用的重力异常算法是Stokes方法、球谐函数法和梯度法等。可用球谐函数法分析导弹飞行中重力异常的影响,再用弹道导弹导航算法来仿真重力异常对弹道导弹导航精度的影响,并根据卡尔曼滤波中的状态转移阵以及重力异常的量级、作用时间来对重力异常造成的速度位置误差进行补偿,提高导弹精度。

3 温度修正 导弹发射时的环境温度会影响固体发动机的推力 ,推力变化影响导弹精度和射程。建立推力与推进剂初温的关系和标准弹道关机点参数偏 差模型,对落点误差进行修正。6

提高初始对准和瞄准精度1 提高初始对准补偿精度 惯导系统初始对准精度对导航精度影响非常大,捷联惯导系统初始对准过程实际上是对惯导解算进行初始化。惯性所用的航位推算的算法实质是一种积分运算,需要确定积分的初值,包括位置速度和姿态的初值。惯导系统初始化的关键是确定初始姿态。初始对准包括发射点的位置、瞄准射向和垂直度等。导弹初始对准误差是指初始调平与瞄准定向误差,由于测量工具的测量误差,使得导弹初始对准存在一定的误差,导致射击偏差,通过建 立导弹初始对准误差补偿系统,对其进行补偿。

2 提高瞄准精度 采用高精度的激光瞄准仪,提高目标定位精度。7

进行复合制导、增加末端制导1 进行复合制导 建立惯导+GPS/GLONASS/倒北斗复合制导新技术,利用GPS/GLONASS/倒北斗定位的较高精度来修正陀螺漂移随时间增加的误差,两者组合提高系统导航精度和抗干扰能力,提高导弹精度。

2 增加末端制导 应用目标自动识别与跟踪技术、末制导主动式毫米波/红外可见光成像导引头技术、多模复合制导技术、多模复合导引头多元信息融合技术。

提高导弹软件精度1 提高弹道方程算法精度 弹道导弹的系统动力学方程包含:控制方程、母弹飞行动力学方程、子弹飞行动力学方程以及气象、空气动力、控制参数装订条件等。用高计算精度算法计算与飞行控制动力学方程,提高弹道计算精度。

2 提高卡尔曼滤波方法精度 在惯导的初始对准过程中应用信息融合技术。卡尔曼滤波方法是常用的信息融合技术之一 , 是一种递推线性最小方差估计实用的工程化方法。初始对准中卡尔曼滤波器的稳定性和可观性是影响对准精度和快速性的主要因素,建立多步高精度卡尔曼滤波技术,对惯性组合测量值进行组合滤波,提高惯性组合的测量精度和导弹精度。

3 改进制导方法 二阶摄动制导、自适应制导、耗尽关机制导或迭代制导等制导方法,可以在很大程度上消除制导方法误差,提高制导系统抵抗外干扰的能力。显式制导方法依据目标数据和导弹的现时运动参数,按控制泛函的显函数表达式进行实时计算,计算量大,对弹载计算机的速度和容量要求较高,精度比摄动制导高

4 优化导弹弹道优化弹道诸元参数,提高导弹的飞行稳定性;优化导弹结构布局,使其自振频率与制导系统的频率匹配;匹配舵机操纵频率与章动频率、振动频率,提高制导精度。

5 控制导弹质量分布及其对精度的影响在现有工艺水平条件下,尽量减小质量分布的不对称性以减小其引起的落点偏差;准确测定并保证导弹装订后仍能准确知道导弹质量偏心和动不平衡角的大小和方位,可分别用准确计算弹道和等效起始扰动的概念两种方法基本消除导弹质量偏心和动不平衡角对精度的影响。8

建立先进的导弹精度评估方法近年来出现了基于对武器系统动力学规律准确描述并结合现代统计理论的武器精度评估的新理论,并被广泛用于新式常规兵器试验精度评估,取得了很好的效果 ,受到了武器研制与试验领域的关注。这些武器精度评估的新理论,可拓展用于建立基于导弹武器系统发射与飞行动力学规律准确描述并结合现代统计理论的导弹精度评估新方法,为导弹精度评估和提高导弹精度提供手段。9