導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)抗干擾測試方案研究

馬金龍　馬立元　方丹　徐帥

摘要：試驗鑒定中需要基于半實物仿真測試環(huán)境測試分析導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的抗干擾性能，現(xiàn)階段干擾方案的設(shè)計繁多且缺乏科學(xué)性，不便于指導(dǎo)武器裝備的鑒定驗收工作。該文采用正交分析的方法設(shè)計抗干擾測試方案，利用導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析各個干擾因素對脫靶量的具體影響，根據(jù)分析的結(jié)果合理設(shè)置正交因素的水平值，以較少的測試方案反映出更加全面的測試信息。利用該測試方案可以減少導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的測試時間，節(jié)約經(jīng)費，并較好地反映出了導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的真實抗干擾能力，便于武器裝備的定型和驗收。

關(guān)鍵詞：抗干擾;試驗鑒定;正交分析;制導(dǎo)控制

中圖分類號：TP274.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0024–06

Research on anti-jamming test scheme of missile guidance control system

MA Jinlong， MA Liyuan， FANG Dan， XU Shuai（Shijiazhuang Campus of the Army Engineering University， Shijiazhuang 050003， China）

Abstract： In the test appraisal， it is necessary to analyze and test the anti-jamming performance of the missile guidance control system based on the semi-physical simulation test environment test. At present， the design of the interference plan is numerous and scientifically inconvenient to guide the appraisal and acceptance work of the weapons and equipment. In this paper， orthogonal test method is used to design anti-jamming test scheme. The mathematical model of missile guidance system is used to analyze the influence of each interference factor on the amount of miss distance. According to the result of the analysis， the level of orthogonal factor is set reasonably. Reflect a more comprehensive test information. The test program can reduce the test time of missile guidance control system， save money， and better reflect the true anti-jamming capability of missile guidance control system to facilitate the setting and acceptance of weapons and equipment.

Keywords： anti-jamming test; test evaluation; orthogonal analysis; guided control

0 引言

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，半實物仿真技術(shù)已經(jīng)全面地應(yīng)用于導(dǎo)彈研制的全過程。試驗鑒定中常常利用半實物仿真技術(shù)考核導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)在各種干擾條件下的性能[1]。在性能測試領(lǐng)域，正交分析方法因為其科學(xué)高效的特點已逐漸成為工程相關(guān)的技術(shù)研究人員所必須精通的一門技術(shù)[2]。趙海軍等[3]采用正交試驗設(shè)計手段對穿孔管等多種消聲單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇和確定，并檢驗了顯著性;董懷民[4]以正交矩陣設(shè)計來分析巖石電性影響因素的水平組合，從而區(qū)分影響巖石電性的主要因素和次要因素;張旭輝等[5]提出了判別邊坡穩(wěn)定影響因素敏感性的正交分析法，以正交矩陣設(shè)計來安排因素水平組合，同時對因素敏感性進(jìn)行評價。然而，在抗干擾性能測試中，還沒有相關(guān)研究利用正交分析方法測試導(dǎo)彈的性能，工程應(yīng)用中通常直接給定各個干擾量的最大值來組合分析導(dǎo)彈的抗干擾性能[6]，這種方法的優(yōu)點是通過大量的試驗得到較為準(zhǔn)確的性能信息，缺點是需要的干擾方案繁多，并且?guī)в幸欢ǖ拿つ啃訹7]。本文采用正交分析的方法設(shè)計出一種混合干擾的測試方案，利用正交分析表簡單高效的特點，科學(xué)合理的指導(dǎo)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)半實物仿真條件下的性能測試，不僅能全面考核其抗干擾能力，還可縮短試驗時間，節(jié)約成本。

1 制導(dǎo)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真分析

1.1 干擾因素及其水平值的確認(rèn)原則

本文中采用的正交表為四因素三水平正交表，如表1所示。所采用的分析方法是一般計算分析方法，該方法能夠充分利用正交表數(shù)據(jù)，計算出“最優(yōu)方案”[8]。

A、B、C、D分別代表4個因素或指標(biāo)，Z代表脫靶量，數(shù)字表示因素和指標(biāo)的水平。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，可以計算出水平均值，即將各干擾類型和各水平對應(yīng)的脫靶量相加，然后和水平出現(xiàn)的次數(shù)相除。這樣對應(yīng)每個干擾類型的不同水平都可以計算出一個脫靶量的水平均值。將各水平均值的最大值和最小值相減，可以得到極差，極差代表了不同因素對指標(biāo)的影響程度。

為了縮短考核導(dǎo)彈抗干擾性能的測試時間，節(jié)約成本，應(yīng)充分利用導(dǎo)彈的數(shù)學(xué)仿真模型。在導(dǎo)彈的定型階段，最終由廠家提供的模型已經(jīng)十分可靠，工程上一般認(rèn)為此時的數(shù)學(xué)模型是十分可信的。因此，通過數(shù)學(xué)模型分析的數(shù)據(jù)結(jié)果指標(biāo)半實物仿真方案的設(shè)計是十分有必要的，并且數(shù)學(xué)模型的結(jié)果還可以反過來驗證半實物仿真測試結(jié)果的正確性。制導(dǎo)控制系統(tǒng)的六自由度全量彈道模型由質(zhì)心運(yùn)動學(xué)方程、繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動學(xué)方程、質(zhì)心動力學(xué)方程等組成。這些方程在各種飛行參考資料中均有詳細(xì)描述，在此不再贅述[9-10]。本文用于分析的數(shù)學(xué)模型如圖1所示，該模型的可信度已經(jīng)十分高，可以用于導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的性能分析。

影響導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的干擾因素有很多，為了簡化分析過程本文僅針對4個主要干擾類型進(jìn)行分析。4個主要干擾因素分別是氣動參數(shù)上下限（CA、CN、Cmz）、風(fēng)干擾（逆風(fēng)、順風(fēng)、側(cè)風(fēng)）、結(jié)構(gòu)干擾（?m0、?Jx、?Jy、?Jz、?ρ）、姿態(tài)角偏差（?φ、?ψ、?γ）。為了便于分析，可將干擾因素分為A（結(jié)構(gòu)干擾）、B（氣動干擾）、C（姿態(tài)角干擾）、D（風(fēng)偏干擾），根據(jù)制導(dǎo)控制系統(tǒng)六自由度模型分析各因素水平值[11]。

由于影響導(dǎo)彈脫靶量的因素很多，各種混合干擾組合的影響也較為復(fù)雜，并不一定干擾誤差越大脫靶量就越大，這一點在本文的試驗中也得到了證實。因此，為保證確定的因素水平值盡可能反映系統(tǒng)真實的信息，基于數(shù)學(xué)模型分析確定各因素的水平值原則如下：

1）干擾量與脫靶量的關(guān)系圖較為平緩時，取最大干擾量為水平值的1、3水平值，其中1水平為正干擾，3水平為負(fù)干擾。

2）干擾量與脫靶量的關(guān)系圖存在極值點時，取正向干擾量極大值所對應(yīng)的干擾偏差為1水平值，負(fù)向干擾量極大值所對應(yīng)的干擾偏差為3水平值。

3）各類型干擾量的組合水平值應(yīng)保證脫靶量的疊加，避免內(nèi)部干擾量之間的相互抵消。

4）2水平為無干擾狀態(tài)。

1.2 干擾因素水平值的仿真分析

數(shù)學(xué)仿真條件設(shè)置均為：目標(biāo)設(shè)置為固定目標(biāo)，彈目距離設(shè)置為1000m，發(fā)射角設(shè)為10°。各因素的仿真結(jié)果分析如下（下文中誤差%表示相對于試驗設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值的偏差量大小，包括數(shù)值和量綱;CEP表示脫靶量）。

1.2.1 結(jié)構(gòu)干擾

質(zhì)量的偏差范圍為±0.5kg，密度和轉(zhuǎn)動慣量的偏差范圍為±10%（轉(zhuǎn)動慣量各分量的偏差量保持一致），仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖中可以看出，密度偏差量與脫靶量的關(guān)系圖有兩個極大值點，質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量的偏差對脫靶量的影響較為平緩?，F(xiàn)取密度偏差的兩個極大值點所對應(yīng)的偏差量（4%和–4%）作為正交水平值的1、3水平，質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量依據(jù)經(jīng)驗最大偏差量作為正交表的1、3水平值。正交表中結(jié)構(gòu)干擾因素的三水平表如表2所示。

1.2.2 氣動偏差干擾

反坦克導(dǎo)彈的氣動偏差相對較小，工程上通?？紤]的偏差范圍為15%。氣動偏差對導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的影響較為復(fù)雜，各個方向的影響偏差有可能會存在相互抵消的關(guān)系，因此需要分析各個氣動參數(shù)的具體影響。氣動偏差與脫靶量的關(guān)系圖如圖3所示。

從圖中可以看出：法向力系數(shù)對脫靶量的影響最大，軸向力系數(shù)次之，俯仰力矩系數(shù)最小。其中，法向力偏差–13%，軸向力偏差–5%，俯仰力矩系數(shù)偏差9%產(chǎn)生的脫靶量為疊加關(guān)系，故設(shè)置該組合為氣動參數(shù)的3水平值，同理可得氣動參數(shù)的1水平值。根據(jù)氣動偏差和脫靶量的關(guān)系圖可得氣動參數(shù)的水平值確定如表3所示。

1.2.3 姿態(tài)角誤差干擾

本文初值干擾只考慮姿態(tài)角（?φ、?ψ、?γ）的初始偏差（姿態(tài)角各分量的偏差保持一致）。姿態(tài)角偏差的設(shè)置范圍是±1°，其仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出姿態(tài)角偏差在±1°以內(nèi)時也同樣不會產(chǎn)生較大的脫靶量偏差。正偏差時，姿態(tài)角偏差為0.6°時脫靶量最大;負(fù)偏差時，–0.2°時脫靶量最大。因此姿態(tài)角因素的水平值如表4所示。

1.2.4 風(fēng)偏干擾

通過在模型中建立風(fēng)速的干擾模型，分別在正向風(fēng)、逆向風(fēng)、側(cè)風(fēng)的情況下進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真分析，研究風(fēng)速對脫靶量的具體影響[12]，其仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖中可以看出：正向風(fēng)和逆風(fēng)對導(dǎo)彈脫靶量的影響相對較小，而側(cè)風(fēng)的影響相對較大。側(cè)風(fēng)對脫靶量的影響大致呈線性關(guān)系，并且當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2.7m/s后脫靶量就超過了1m?，F(xiàn)將風(fēng)速分為側(cè)向風(fēng)和正逆風(fēng)分別確定干擾量的正交水平值。正逆風(fēng)時，風(fēng)速為7m/s左右時脫靶量最大;側(cè)風(fēng)時，由于反坦克導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度要求較高，一般要求脫靶量小于1m，為便于測試分析，風(fēng)速水平值擬設(shè)2m/s。故風(fēng)干擾的水平值如表5所示。

2 試驗方案驗證

基于正交試驗表，得到的干擾組合方案如表6所示。表中K1，K2，K3分別代表各因素的各水平對脫靶量的影響程度，R為各因素對脫靶量影響的極差值。其中K值的計算與各測試方案的脫靶量有關(guān)，R為對應(yīng)因素K值的最大差，R越大表示該因素對脫靶量的影響越大，相應(yīng)的R越小，表示該因素的重要程度越低[13]。

分析表中數(shù)據(jù)可知：正逆風(fēng)時，氣動干擾的影響最大，正逆向風(fēng)偏影響最小。四因素對脫靶量的影響順序從大到小為氣動干擾、結(jié)構(gòu)干擾、姿態(tài)角干擾、風(fēng)偏干擾。2m/s側(cè)風(fēng)時，氣動干擾和2m/s側(cè)風(fēng)干擾權(quán)值相近，姿態(tài)角誤差和結(jié)構(gòu)干擾的權(quán)值相近。此時產(chǎn)生最大脫靶量的干擾組合為：1水平的結(jié)構(gòu)干擾、3水平的氣動干擾、3水平的姿態(tài)角干擾、3水平的側(cè)風(fēng)干擾，并且此時的脫靶量達(dá)到了4m，對于反坦克導(dǎo)彈來說4m的脫靶量必然導(dǎo)致其無法命中目標(biāo)，因此該干擾狀態(tài)對導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的影響非常大。

若直接依據(jù)干擾量最大值設(shè)置，所得正交分析表如表7所示，由表可知：正逆風(fēng)時，四因素對脫靶量的影響順序從大到小為：氣動偏差、姿態(tài)角、正逆風(fēng)偏、結(jié)構(gòu)干擾;產(chǎn)生最大脫靶量的干擾組合為：3水平的結(jié)構(gòu)干擾、3水平的氣動干擾、2水平的姿態(tài)角干擾、1水平的風(fēng)偏干擾。2m/s側(cè)風(fēng)時，四因素對脫靶量的影響順序從大到小為：側(cè)風(fēng)干擾、氣動干擾、姿態(tài)角、結(jié)構(gòu)干擾。對比表6可知，這種干擾組合方式并沒有測試出可能出現(xiàn)的最大脫靶量，也證明了并不是干擾量誤差越大產(chǎn)生的脫靶量就越大，因此該測試方案很容易造成測試者在某方面的誤判。

3 結(jié)束語

相比于誤差最大值的設(shè)計方案，本文所設(shè)計的干擾方案可以產(chǎn)生較大的脫靶量，主要有以下兩點優(yōu)勢：1）反映出更加真實的系統(tǒng)信息，彌補(bǔ)了現(xiàn)階段干擾測試方案設(shè)計繁多盲目的缺點，由于該測試方案的脫靶量數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于誤差最大值的情況，因此所得數(shù)據(jù)可靠性相對較高;2）仿真試驗次數(shù)較少，僅設(shè)置9組混合干擾狀態(tài)，以往的測試方案主要依據(jù)各干擾量的排列組合來設(shè)置測試干擾方案，往往需要上百次測試方案，該方案測試次數(shù)少但也能夠獲得足夠量的系統(tǒng)信息。本文所設(shè)計的基于正交分析的抗干擾測試方案具有分析簡單、便于工程化的特點，可應(yīng)用于試驗鑒定中武器裝備的驗收測試，也為相關(guān)的測試方案設(shè)計提供了借鑒。

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（編輯：商丹丹）