自尋的反坦克導彈制導控制系統性能指標體系分析?

馬金龍 馬立元 方 丹

（陸軍工程大學石家莊校區導彈工程系 石家莊 050003）

1 引言

反坦克導彈是用于擊毀坦克和其它裝甲目標的戰術導彈，于20世紀50年代中期由法國率先投入使用，繼而在眾多國家掀起研制高潮［1］。反坦克導彈的核心是其制導控制系統，它肩負著導彈制導和姿態控制等重要任務。其制導控制系統的性能直接影響著反坦克導彈的作戰效能。一個性能優良、滿足各種戰術指標要求的制導控制系統是反坦克導彈完成任務使命的核心和關鍵。半實物仿真技術將仿真過程中的實物硬件部分最大化，可以有效、可信地評價武器系統的性能。半實物仿真技術一經出現就被用于導彈的研制過程中。隨著仿真技術的發展，半實物仿真技術的可信度也越來越高，在導彈性能測試中的應用也越來越廣泛［2］。

本文基于半實物仿真條件的測試環境，分析自尋的反坦克導彈制導控制系統組成和功能，確定了其半實物仿真條件下的性能測試指標體系，為導彈制導控制系統的鑒定和評估提出了基礎，仿真試驗結果也證明測試指標體系完善可靠，能夠反映自尋的反坦克導彈的性能。

2 性能測試指標的研究現狀

隨著科技的發展，導彈的戰術指標也在不斷變化，其制導控制系統也越來越復雜。若仍然依據常規的戰術指標來測試分析導彈制導控制系統的性能，無法對整個導彈的制導控制系統做出全面的評估［3］。因此需要具體問題具體分析，研究半實物仿真條件下的自尋的反坦克導彈制導控制性能測試指標十分有必要且非常有意義。

國內一些文獻已經研究過不同的控制系統的指標體系。韓英宏基于局部-整體-局部的鑒定方案對空空導彈仿真模型的性能指標進行了分析和鑒定評估；宋貴寶等［4］通過分析防空導彈系統的組成和功能，并根據綜合性能評估指標體系構建的原則，建立了防空導彈的綜合性能指標體系，并為后續防空導彈的性能評估提供了重要依據；文獻湯錦祖［5］等根據高超聲速滑翔再入飛行器的特點，對此類飛行器系統的評估方法進行了研究，構建出了對應的評估指標體系；任偉等［6］建立了艦艦導彈作戰條件下的性能指標體系，基于網絡分析法提出了其反饋結構的評估框架，以此來解決指標之間的重復問題，為相關評估工作的研究提供了借鑒。

目前，國軍標中規定的反坦克導彈的戰技指標無法滿足現階段導彈制導控制系統性能測試的需求。半實物仿真可以完整地模擬導彈飛行目標的整個過程，保存數據量完整且更接近于實際飛行情況，因此通過半實物仿真條件下的性能指標評價導彈制導控制系統也更加具備科學性和全面性。

3 綜合評估指標體系構建的基本原則

綜合評估指標體系是一個從多角度、多層次反映一個對象的系統［7］。復雜的綜合鑒定評估問題，其評價目標往往是多層次的，我們需要根據鑒定的目的，分析影響評價目的的因素，對鑒定對象進行分析，從而確立全面、科學的評價指標體系結構。指標體系的構建通常包括三層指標，第一層為總的目標層，第二層為子目標層，第三層為底層測試指標［8］?；诖?，指標體系的建立需要遵循以下原則:

1）全面性:指標體系應該能夠反映出系統的綜合性能，指標之間具有一定的關聯關系共同組成一個整體，從而保證其可以可靠地反映出評估對象的各個方面的性能。

2）科學性:指標體系中每一個指標都應該經過反復推敲和驗證，保證其合理性和科學性，這樣才能保證整個指標體系的科學可靠。

3）層次性:構建指標體系時，需要通過對測試評估目的的分析，對評估對象進行多層分解，形成一個分類明確、層次清晰的遞階層次結構。

4）可測試性:構建的每一個指標都應該是可測試或者可經過分析得到，以便于更好地量化評估系統的整體性能［9］。

4 導彈制導控制系統性能測試指標體系構建

在兵器試驗鑒定中，已廣泛應用仿真技術，并顯示出其特有的優勢和巨大的軍事、經濟效益。仿真技術也是試驗鑒定研究發展的一個重要方向。在半實物仿真的試驗條件下，能夠測得制導控制系統模擬飛行過程中的全部信息，通過分析這些過程信息數據，根據一定的指標進行量化評估，來完成對導彈制導控制系統的鑒定評估工作［10］。

自尋的反坦克導彈制導控制系統可以分為制導系統和姿態控制系統。其中制導系統的功能主要是在導彈飛向目標的過程中，不斷測量實際彈道與理想彈道的偏差，計算出所需的控制指令，自動控制導彈修正參數偏差，最終命中目標。其功能可概括為導引和命中。姿態控制系統的功能主要是按照控制率所要求的控制指令，驅動舵機產生控制力，以改變導彈的飛行姿態和飛行彈道，同時保證飛行器穩定的飛行，直至命中目標，其功能可概括為穩定和控制。因此可以將整體指標劃分為制導性能評價指標和控制性能評價指標，下面分別對制導系統和姿態控制系統的測試指標體系進行分析［11］。

4.1 制導系統性能指標分析

制導系統對導彈實施控制時，對俯仰、偏航和滾轉三個通道都會進行控制，其工作原理圖如圖1。慣性組件測量出導彈的運動參數，導引頭測量出目標的運動參數，然后形成三個通道的控制指令，以及三個通道的狀態量反饋信號綜合，傳遞給執行機構［12］。

圖1 制導系統原理圖

制導系統的功能是“導引和命中”，由運動狀態測量設備慣性組件（IMU）和導引指令形成裝置組成。完成該功能最重要的部分是其制導方法性能的好壞也就是制導律。制導律的實質是根據一定的測量信息，根據自身的制導方法形成制導指令，來控制導彈飛向目標。制導律是導彈制導控制系統的大腦，它是指令的發起者，它的優劣直接影響制導精度。一個性能良好的制導方法能夠適應目標的不同運動狀態，尤其是在目標做復雜機動情況下依然可以精準地將導彈導向目標。根據制導系統的功能可將其性能指標劃分如下。

1）制導系統完成“命中”任務的結果用制導精度表示，即導彈最終是否有按照相應的條件命中目標，它是其制導性能的最基本也是最重要的指標。制導精度的測試指標包括落角、落速和落點偏差，落速、落角滿足條件能夠使導彈最大程度發揮毀傷效能，落點偏差又決定著導彈能否命中目標，它決定著導彈制導精度的大小。

2）制導系統完成“導引”任務，就是保證導彈的飛行狀態穩定可控。在半實物仿真環境下模擬導彈的飛行過程，可以獲得很多導彈的飛行過程數據，幫助我們有效分析導彈的飛行品質。

首先，由于導彈的自身特性較為復雜，飛行過程中的彈體姿態不能超出預定范圍，這就要保證飛行過程中的攻角、攻角角速度、側滑角、側滑角角速度、姿態角和姿態角角速度等都要滿足一定的限制條件。攻角、側滑角、姿態角過大都可能導致導彈失控，所以必須要限制其最大值。為避免指標的重復，針對輕型自尋的反坦克導彈而言這里選取攻角、側滑角、姿態角速度。此外，由于彈體結構和導彈機動的影響，導彈的最大法向過載應不超過導彈的可用過載，保證導彈飛行過程的品質，而其他兩個方向的過載一般不作要求。

根據上述分析可得制導系統的性能指標如圖2所示。

圖2 制導系統性能指標

4.2 控制系統性能指標分析

自尋的反坦克導彈的控制方式為姿態控制?？刂葡到y的功能是“穩定和控制”。導彈的姿態控制系統把彈體作為被控對象，施加控制時，使導彈按照要求進行俯仰、偏航或者滾轉運動，其控制原理圖如3。一方面，控制系統按照控制指令要求操縱舵機改變導彈的飛行姿態；另一方面，控制系統消除干擾引起的姿態變化，是導彈的飛行狀態不受擾動的影響，保持彈體姿態的穩定性［13］。

圖3 控制系統原理圖

1）穩定性指標不僅體現在彈體姿態的穩定性，還體現在克服各種干擾擾動能力的強弱?？朔蓴_擾動的能力可作為適應性指標，穩定性指標在控制系統的控制下，各個方向上的姿態角以及姿態角速度都在平穩的變化，攻角也在限制范圍內穩定變化，保證導彈飛行狀態平穩。

2）控制效果子指標是指在控制過程中，控制指令和實際控制量間的偏差越少越好，由于反坦克導彈采用的是姿態控制系統，即姿態角的實際值與指令偏差越小，說明其控制效果越好因此，因此彈體仿真飛行過程中姿態角精度值可作為評估控制系統控制效果的指標。此外，導彈最終的落點偏差大小也與控制系統的控制效果有關，通常來講，在不考慮制導誤差的情況下，落點偏差越小，控制效果越好。

根據以上分析，控制系統的性能指標如圖4。

圖4 控制系統性能指標

4.3 綜合性能指標體系

通過將系統劃分為分系統，再分析各個分系統的功能逐級分解得到最終制控制系統性能指標圖。保證了底層指標的可測試性，也使整個系統的分析層次清楚，結構體系完善，能夠完備地表征制導控制系統性能。此外目標運動和干擾因素會想象到每一次模擬飛行的測試指標，對整個制導控制系統性能的影響較大，在分析性能指標體系時要考慮這些影響因素，使得測試和評估更加科學合理。測試在不同條件下制導系統和控制系統的適應能力，只有在復雜條件下都能精準命中目標的導彈才能適應未來復雜戰場環境的需求。

如圖5所示，制導控制系統的性能指標體系建立一共分四級，第四級為底層測試指標，均可在半實物仿真條件下通過一定的測試方法獲得；第三級指標為分系統功能的性能指標，反映各個分系統功能模塊的性能優劣；第二級為分系統性能指標，表征分系統的性能優劣程度；第一級為頂層綜合性能指標。

圖5 綜合性能指標

5 指標體系的權值分配

在多指標綜合評估中，指標的權值和指標的單項值是影響合成結果中的重要因素。在單項指標值已經確定的情況下，合理地確定各個指標的權值將使得評估更加具有科學性。

5.1 基于AHM的指標權值分析方法

AHM方法通過兩兩比較的方法得到指標的權重值，并通過一種類似于球賽的方法來確定兩兩的重要性。本文基于系統的功能來測試和評估系統的性能，并得到最終的半實物仿真測試與評估指標。

因此可以通過比較各個系統功能的相對重要程度來確定系統功能級的權重，在向下分解得到用底層指標確定功能的完成程度，向上綜合得到制導控制系統的性能評價。

5.2 構造權向量

自尋的反坦克導彈的功能層次有四個元素，設飛行品質、制導精度、穩定性、控制效果依次用u1、u2、u3、u4表示。元素ui與uj相比，重要程度更高的得一分，uij為ui的得分，uji為uj的得分，且滿足uij≥0，uii=0。依此可得判斷矩陣A=[uij]4*4。ui的得分為量，屬性排序向量是判斷矩陣的列向量之和，再對屬性序向量進行歸一化處理，可得到相對屬性權向量w。AHM中的屬性判斷矩陣A=[uij]4*4通常很難求出，可由層次分析法中的比較判斷矩B=[aij]4*4中導出，轉換公式為

其中k為大于等于2的正整數，β一般取1或者2，此處令β=2。根據層次分析法確定制導控制系統的判斷矩陣如表1。

表1 指標判斷矩陣表

所以歸一化之后的屬性權向量為w=(0.153 0.462 0.153 0.232)，即飛行品質、制導精度、穩定性、控制效果的指標權重值依次為0.153、0.462、0.153、0.232。向上一層指標傳遞，可得制導系統的權重為0.615，控制系統的權重為0.385，這也符合制導系統和控制系統功能特點，也從側面反映了層次分析法的科學性和實用性。向下可得底層指標，測試值均為半實物仿真環境下的測試指標，其數值本身不具備物理含義，并不能直接反應到系統的功能特性，但是通過綜合各個功能下的測試指標，可以對各個系統分功能給出定量的評價，便于導彈制導控制系統的測試與評估。

6 結語

科學技術的迅猛發展和武器裝備的更新換代，必然要求試驗鑒定技術的不斷進步，尤其是精確制導類武器。未來還需要根據各個武器裝備的特點不斷完善性能評估方法以及指標體系的建立。本文重點研究了半實物仿真條件下導彈制導控制系統的性能指標構建問題，一定程度上解決了反坦克導彈制導控制系統的鑒定和評估問題，也為相關武器裝備的半實物仿真條件下的試驗鑒定提供了借鑒。