馬金龍 馬立元 方 丹

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)導(dǎo)彈工程系 石家莊 050003）

1 引言

反坦克導(dǎo)彈是用于擊毀坦克和其它裝甲目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，于20世紀(jì)50年代中期由法國(guó)率先投入使用，繼而在眾多國(guó)家掀起研制高潮［1］。反坦克導(dǎo)彈的核心是其制導(dǎo)控制系統(tǒng)，它肩負(fù)著導(dǎo)彈制導(dǎo)和姿態(tài)控制等重要任務(wù)。其制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能直接影響著反坦克導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。一個(gè)性能優(yōu)良、滿足各種戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求的制導(dǎo)控制系統(tǒng)是反坦克導(dǎo)彈完成任務(wù)使命的核心和關(guān)鍵。半實(shí)物仿真技術(shù)將仿真過程中的實(shí)物硬件部分最大化，可以有效、可信地評(píng)價(jià)武器系統(tǒng)的性能。半實(shí)物仿真技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就被用于導(dǎo)彈的研制過程中。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，半實(shí)物仿真技術(shù)的可信度也越來越高，在導(dǎo)彈性能測(cè)試中的應(yīng)用也越來越廣泛［2］。

本文基于半實(shí)物仿真條件的測(cè)試環(huán)境，分析自尋的反坦克導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)組成和功能，確定了其半實(shí)物仿真條件下的性能測(cè)試指標(biāo)體系，為導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的鑒定和評(píng)估提出了基礎(chǔ)，仿真試驗(yàn)結(jié)果也證明測(cè)試指標(biāo)體系完善可靠，能夠反映自尋的反坦克導(dǎo)彈的性能。

2 性能測(cè)試指標(biāo)的研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，導(dǎo)彈的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)也在不斷變化，其制導(dǎo)控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。若仍然依據(jù)常規(guī)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)來測(cè)試分析導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能，無(wú)法對(duì)整個(gè)導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制系統(tǒng)做出全面的評(píng)估［3］。因此需要具體問題具體分析，研究半實(shí)物仿真條件下的自尋的反坦克導(dǎo)彈制導(dǎo)控制性能測(cè)試指標(biāo)十分有必要且非常有意義。

國(guó)內(nèi)一些文獻(xiàn)已經(jīng)研究過不同的控制系統(tǒng)的指標(biāo)體系。韓英宏基于局部-整體-局部的鑒定方案對(duì)空空導(dǎo)彈仿真模型的性能指標(biāo)進(jìn)行了分析和鑒定評(píng)估；宋貴寶等［4］通過分析防空導(dǎo)彈系統(tǒng)的組成和功能，并根據(jù)綜合性能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建的原則，建立了防空導(dǎo)彈的綜合性能指標(biāo)體系，并為后續(xù)防空導(dǎo)彈的性能評(píng)估提供了重要依據(jù)；文獻(xiàn)湯錦祖［5］等根據(jù)高超聲速滑翔再入飛行器的特點(diǎn)，對(duì)此類飛行器系統(tǒng)的評(píng)估方法進(jìn)行了研究，構(gòu)建出了對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)體系；任偉等［6］建立了艦艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)條件下的性能指標(biāo)體系，基于網(wǎng)絡(luò)分析法提出了其反饋結(jié)構(gòu)的評(píng)估框架，以此來解決指標(biāo)之間的重復(fù)問題，為相關(guān)評(píng)估工作的研究提供了借鑒。

目前，國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定的反坦克導(dǎo)彈的戰(zhàn)技指標(biāo)無(wú)法滿足現(xiàn)階段導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)性能測(cè)試的需求。半實(shí)物仿真可以完整地模擬導(dǎo)彈飛行目標(biāo)的整個(gè)過程，保存數(shù)據(jù)量完整且更接近于實(shí)際飛行情況，因此通過半實(shí)物仿真條件下的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)也更加具備科學(xué)性和全面性。

3 綜合評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則

綜合評(píng)估指標(biāo)體系是一個(gè)從多角度、多層次反映一個(gè)對(duì)象的系統(tǒng)［7］。復(fù)雜的綜合鑒定評(píng)估問題，其評(píng)價(jià)目標(biāo)往往是多層次的，我們需要根據(jù)鑒定的目的，分析影響評(píng)價(jià)目的的因素，對(duì)鑒定對(duì)象進(jìn)行分析，從而確立全面、科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)。指標(biāo)體系的構(gòu)建通常包括三層指標(biāo)，第一層為總的目標(biāo)層，第二層為子目標(biāo)層，第三層為底層測(cè)試指標(biāo)［8］?；诖?，指標(biāo)體系的建立需要遵循以下原則:

1）全面性:指標(biāo)體系應(yīng)該能夠反映出系統(tǒng)的綜合性能，指標(biāo)之間具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系共同組成一個(gè)整體，從而保證其可以可靠地反映出評(píng)估對(duì)象的各個(gè)方面的性能。

2）科學(xué)性:指標(biāo)體系中每一個(gè)指標(biāo)都應(yīng)該經(jīng)過反復(fù)推敲和驗(yàn)證，保證其合理性和科學(xué)性，這樣才能保證整個(gè)指標(biāo)體系的科學(xué)可靠。

3）層次性:構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí)，需要通過對(duì)測(cè)試評(píng)估目的的分析，對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行多層分解，形成一個(gè)分類明確、層次清晰的遞階層次結(jié)構(gòu)。

4）可測(cè)試性:構(gòu)建的每一個(gè)指標(biāo)都應(yīng)該是可測(cè)試或者可經(jīng)過分析得到，以便于更好地量化評(píng)估系統(tǒng)的整體性能［9］。

4 導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)性能測(cè)試指標(biāo)體系構(gòu)建

在兵器試驗(yàn)鑒定中，已廣泛應(yīng)用仿真技術(shù)，并顯示出其特有的優(yōu)勢(shì)和巨大的軍事、經(jīng)濟(jì)效益。仿真技術(shù)也是試驗(yàn)鑒定研究發(fā)展的一個(gè)重要方向。在半實(shí)物仿真的試驗(yàn)條件下，能夠測(cè)得制導(dǎo)控制系統(tǒng)模擬飛行過程中的全部信息，通過分析這些過程信息數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估，來完成對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的鑒定評(píng)估工作［10］。

自尋的反坦克導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)可以分為制導(dǎo)系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)。其中制導(dǎo)系統(tǒng)的功能主要是在導(dǎo)彈飛向目標(biāo)的過程中，不斷測(cè)量實(shí)際彈道與理想彈道的偏差，計(jì)算出所需的控制指令，自動(dòng)控制導(dǎo)彈修正參數(shù)偏差，最終命中目標(biāo)。其功能可概括為導(dǎo)引和命中。姿態(tài)控制系統(tǒng)的功能主要是按照控制率所要求的控制指令，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)產(chǎn)生控制力，以改變導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和飛行彈道，同時(shí)保證飛行器穩(wěn)定的飛行，直至命中目標(biāo)，其功能可概括為穩(wěn)定和控制。因此可以將整體指標(biāo)劃分為制導(dǎo)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，下面分別對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)體系進(jìn)行分析［11］。

4.1 制導(dǎo)系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈實(shí)施控制時(shí)，對(duì)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)三個(gè)通道都會(huì)進(jìn)行控制，其工作原理圖如圖1。慣性組件測(cè)量出導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，導(dǎo)引頭測(cè)量出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后形成三個(gè)通道的控制指令，以及三個(gè)通道的狀態(tài)量反饋信號(hào)綜合，傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)［12］。

圖1 制導(dǎo)系統(tǒng)原理圖

制導(dǎo)系統(tǒng)的功能是“導(dǎo)引和命中”，由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量設(shè)備慣性組件（IMU）和導(dǎo)引指令形成裝置組成。完成該功能最重要的部分是其制導(dǎo)方法性能的好壞也就是制導(dǎo)律。制導(dǎo)律的實(shí)質(zhì)是根據(jù)一定的測(cè)量信息，根據(jù)自身的制導(dǎo)方法形成制導(dǎo)指令，來控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。制導(dǎo)律是導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的大腦，它是指令的發(fā)起者，它的優(yōu)劣直接影響制導(dǎo)精度。一個(gè)性能良好的制導(dǎo)方法能夠適應(yīng)目標(biāo)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是在目標(biāo)做復(fù)雜機(jī)動(dòng)情況下依然可以精準(zhǔn)地將導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)。根據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)的功能可將其性能指標(biāo)劃分如下。

1）制導(dǎo)系統(tǒng)完成“命中”任務(wù)的結(jié)果用制導(dǎo)精度表示，即導(dǎo)彈最終是否有按照相應(yīng)的條件命中目標(biāo)，它是其制導(dǎo)性能的最基本也是最重要的指標(biāo)。制導(dǎo)精度的測(cè)試指標(biāo)包括落角、落速和落點(diǎn)偏差，落速、落角滿足條件能夠使導(dǎo)彈最大程度發(fā)揮毀傷效能，落點(diǎn)偏差又決定著導(dǎo)彈能否命中目標(biāo)，它決定著導(dǎo)彈制導(dǎo)精度的大小。

2）制導(dǎo)系統(tǒng)完成“導(dǎo)引”任務(wù)，就是保證導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)穩(wěn)定可控。在半實(shí)物仿真環(huán)境下模擬導(dǎo)彈的飛行過程，可以獲得很多導(dǎo)彈的飛行過程數(shù)據(jù)，幫助我們有效分析導(dǎo)彈的飛行品質(zhì)。

首先，由于導(dǎo)彈的自身特性較為復(fù)雜，飛行過程中的彈體姿態(tài)不能超出預(yù)定范圍，這就要保證飛行過程中的攻角、攻角角速度、側(cè)滑角、側(cè)滑角角速度、姿態(tài)角和姿態(tài)角角速度等都要滿足一定的限制條件。攻角、側(cè)滑角、姿態(tài)角過大都可能導(dǎo)致導(dǎo)彈失控，所以必須要限制其最大值。為避免指標(biāo)的重復(fù)，針對(duì)輕型自尋的反坦克導(dǎo)彈而言這里選取攻角、側(cè)滑角、姿態(tài)角速度。此外，由于彈體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)的影響，導(dǎo)彈的最大法向過載應(yīng)不超過導(dǎo)彈的可用過載，保證導(dǎo)彈飛行過程的品質(zhì)，而其他兩個(gè)方向的過載一般不作要求。

根據(jù)上述分析可得制導(dǎo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)如圖2所示。

圖2 制導(dǎo)系統(tǒng)性能指標(biāo)

4.2 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)分析

自尋的反坦克導(dǎo)彈的控制方式為姿態(tài)控制?？刂葡到y(tǒng)的功能是“穩(wěn)定和控制”。導(dǎo)彈的姿態(tài)控制系統(tǒng)把彈體作為被控對(duì)象，施加控制時(shí)，使導(dǎo)彈按照要求進(jìn)行俯仰、偏航或者滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其控制原理圖如3。一方面，控制系統(tǒng)按照控制指令要求操縱舵機(jī)改變導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)；另一方面，控制系統(tǒng)消除干擾引起的姿態(tài)變化，是導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)不受擾動(dòng)的影響，保持彈體姿態(tài)的穩(wěn)定性［13］。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

1）穩(wěn)定性指標(biāo)不僅體現(xiàn)在彈體姿態(tài)的穩(wěn)定性，還體現(xiàn)在克服各種干擾擾動(dòng)能力的強(qiáng)弱?？朔蓴_擾動(dòng)的能力可作為適應(yīng)性指標(biāo)，穩(wěn)定性指標(biāo)在控制系統(tǒng)的控制下，各個(gè)方向上的姿態(tài)角以及姿態(tài)角速度都在平穩(wěn)的變化，攻角也在限制范圍內(nèi)穩(wěn)定變化，保證導(dǎo)彈飛行狀態(tài)平穩(wěn)。

2）控制效果子指標(biāo)是指在控制過程中，控制指令和實(shí)際控制量間的偏差越少越好，由于反坦克導(dǎo)彈采用的是姿態(tài)控制系統(tǒng)，即姿態(tài)角的實(shí)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(tài)角精度值可作為評(píng)估控制系統(tǒng)控制效果的指標(biāo)。此外，導(dǎo)彈最終的落點(diǎn)偏差大小也與控制系統(tǒng)的控制效果有關(guān)，通常來講，在不考慮制導(dǎo)誤差的情況下，落點(diǎn)偏差越小，控制效果越好。

根據(jù)以上分析，控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)如圖4。

圖4 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)

4.3 綜合性能指標(biāo)體系

通過將系統(tǒng)劃分為分系統(tǒng)，再分析各個(gè)分系統(tǒng)的功能逐級(jí)分解得到最終制控制系統(tǒng)性能指標(biāo)圖。保證了底層指標(biāo)的可測(cè)試性，也使整個(gè)系統(tǒng)的分析層次清楚，結(jié)構(gòu)體系完善，能夠完備地表征制導(dǎo)控制系統(tǒng)性能。此外目標(biāo)運(yùn)動(dòng)和干擾因素會(huì)想象到每一次模擬飛行的測(cè)試指標(biāo)，對(duì)整個(gè)制導(dǎo)控制系統(tǒng)性能的影響較大，在分析性能指標(biāo)體系時(shí)要考慮這些影響因素，使得測(cè)試和評(píng)估更加科學(xué)合理。測(cè)試在不同條件下制導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，只有在復(fù)雜條件下都能精準(zhǔn)命中目標(biāo)的導(dǎo)彈才能適應(yīng)未來復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的需求。

如圖5所示，制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)體系建立一共分四級(jí)，第四級(jí)為底層測(cè)試指標(biāo)，均可在半實(shí)物仿真條件下通過一定的測(cè)試方法獲得；第三級(jí)指標(biāo)為分系統(tǒng)功能的性能指標(biāo)，反映各個(gè)分系統(tǒng)功能模塊的性能優(yōu)劣；第二級(jí)為分系統(tǒng)性能指標(biāo)，表征分系統(tǒng)的性能優(yōu)劣程度；第一級(jí)為頂層綜合性能指標(biāo)。

圖5 綜合性能指標(biāo)

5 指標(biāo)體系的權(quán)值分配

在多指標(biāo)綜合評(píng)估中，指標(biāo)的權(quán)值和指標(biāo)的單項(xiàng)值是影響合成結(jié)果中的重要因素。在單項(xiàng)指標(biāo)值已經(jīng)確定的情況下，合理地確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)值將使得評(píng)估更加具有科學(xué)性。

5.1 基于AHM的指標(biāo)權(quán)值分析方法

AHM方法通過兩兩比較的方法得到指標(biāo)的權(quán)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(tǒng)的功能來測(cè)試和評(píng)估系統(tǒng)的性能，并得到最終的半實(shí)物仿真測(cè)試與評(píng)估指標(biāo)。

因此可以通過比較各個(gè)系統(tǒng)功能的相對(duì)重要程度來確定系統(tǒng)功能級(jí)的權(quán)重，在向下分解得到用底層指標(biāo)確定功能的完成程度，向上綜合得到制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。

5.2 構(gòu)造權(quán)向量

自尋的反坦克導(dǎo)彈的功能層次有四個(gè)元素，設(shè)飛行品質(zhì)、制導(dǎo)精度、穩(wěn)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(duì)屬性序向量進(jìn)行歸一化處理，可得到相對(duì)屬性權(quán)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(dǎo)出，轉(zhuǎn)換公式為

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

表1 指標(biāo)判斷矩陣表

所以歸一化之后的屬性權(quán)向量為w=(0.153 0.462 0.153 0.232)，即飛行品質(zhì)、制導(dǎo)精度、穩(wěn)定性、控制效果的指標(biāo)權(quán)重值依次為0.153、0.462、0.153、0.232。向上一層指標(biāo)傳遞，可得制導(dǎo)系統(tǒng)的權(quán)重為0.615，控制系統(tǒng)的權(quán)重為0.385，這也符合制導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)功能特點(diǎn)，也從側(cè)面反映了層次分析法的科學(xué)性和實(shí)用性。向下可得底層指標(biāo)，測(cè)試值均為半實(shí)物仿真環(huán)境下的測(cè)試指標(biāo)，其數(shù)值本身不具備物理含義，并不能直接反應(yīng)到系統(tǒng)的功能特性，但是通過綜合各個(gè)功能下的測(cè)試指標(biāo)，可以對(duì)各個(gè)系統(tǒng)分功能給出定量的評(píng)價(jià)，便于導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的測(cè)試與評(píng)估。

6 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和武器裝備的更新?lián)Q代，必然要求試驗(yàn)鑒定技術(shù)的不斷進(jìn)步，尤其是精確制導(dǎo)類武器。未來還需要根據(jù)各個(gè)武器裝備的特點(diǎn)不斷完善性能評(píng)估方法以及指標(biāo)體系的建立。本文重點(diǎn)研究了半實(shí)物仿真條件下導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)構(gòu)建問題，一定程度上解決了反坦克導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的鑒定和評(píng)估問題，也為相關(guān)武器裝備的半實(shí)物仿真條件下的試驗(yàn)鑒定提供了借鑒。