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Command Control and Simulation

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2025 , Vol. 47 >Issue 3: 67 - 71

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2025.03.008

Command & Control

Precision distribution of fire command system based on an air-to-surface laser-guided weapons

  • LIANG Jiaqi ,
  • LIU Xingyu ,
  • LI Shucheng ,
  • BAI Jing ,
  • ZHANG Jiawei
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  • Shaanxi Zhongtian Rocket Technology Co.,Ltd., Xi’an 710025, China

Received date: 2024-12-20

  Revised date: 2025-01-06

  Online published: 2025-05-28

Fold

Abstract

As an important part of the weapon system, the fire control system is the key to whether the weapon can destroy the target when performing the combat mission. The precise distribution of each subsystem of fire control is the premise of fire control system design. Based on the air-to-surface laser-guided weapons, this paper analyzes the composition and error causes of the airborne fire control system, and analyzes, calculates and models the key parameters from the two aspects of the probability of interception of the middle guidance and the probability of the hit of the terminal guidance according to the General Requirements for Error Analysis of the Fire Control System of Airborne Weapons of HB 6518. At the same time, the Monte Carlo method is used to simulate the model. The experimental results show that the model models the tactical indicators of low-speed targets with a CEP of 2 m, a long-range attack distance of 10 km, and a ground attack of less than 10 m/s.

Key words： fire command system; air to surface weapons; precision distribution

Cite this article

LIANG Jiaqi , LIU Xingyu , LI Shucheng , BAI Jing , ZHANG Jiawei . Precision distribution of fire command system based on an air-to-surface laser-guided weapons[J]. Command Control and Simulation, 2025 , 47(3) : 67 -71 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2025.03.008

武器系统的作战能力与火力指挥系统性能的四次方成正比,火控系统的性能直接影响武器投射的准确性和飞机作战效能的水平[1-2],其直接决定了空面武器执行作战任务时是否能准确摧毁目标[3]。
随着国内外无人机技术的快速发展,无人机在局部精确打击中显示了巨大的优越性[4-8],为进一步提高无人机武器系统指挥能力和挂载能力,提高武器命中精度,同时降低火控成本,火控系统精度分析尤为重要。火控系统精度分析贯穿于整个机载火控总体设计的全过程中,火控各系统的精度分配是火控系统设计的前提。
影响火控系统精度的原因较多,各系统研制生产的误差、整系统的安装误差、火控系统计算误差,数据传递延时误差等,同时弹上系统导航和制导误差也会降低整个武器系统的精度。各子系统和各环节的误差特征、性质不同,对精度的影响程度也不一样,准确分析各误差原因,控制误差,保证系统精度尤为重要[9-12]。
本文主要以CEP为2 m,远距攻击距离为10 km,对地攻击10 m/s以内的低速目标为战术指标,分析了某空面激光制导武器的火控系统组成和误差原因,并对各系统精度性能指标进行建模,仿真和分配,旨在利用最小的成本,最大性能的满足任务需求。

1 火控系统组成

火力指挥控制系统是发现并实施打击的关键,其包含要攻击目标的“发现-定位-跟踪-瞄准-交战-评估”(F2T2EA)杀伤链的闭合[12-13]。机载火控系统的基本任务是引导飞机发现目标,测量目标参数以及飞机运动参数,执行火控计算,控制导弹流程,选择导弹类型,辅助任务员决策,并传递射击诸元,发射后指引武器命中目标。
根据某空面精确制导武器的战术指标和技术的可行性、经济性等要求,确定火控系统的组成包含火控计算机、火控惯导、吊舱、链路、显示控制以及发射控制等系统组成。火控计算机主要功能为火控解算,控制发射控制系统,接收任务员的指令,并接收吊舱、火控惯导的数据,向发控系统发送载机位置信息、目标位置信息,并将任务执行指令通过链路传输至显示控制系统;火控惯导主要功能为实时计算载机位置和测量载机姿态,并将数据传输至火控计算机;吊舱主要功能为发现、跟踪目标,测量目标位置,并将数据传输至火控计算机,武器发射后,为武器提供指引,并引导武器击中目标;发控系统实时接收火控计算机的指令和数据,控制武器发射,上报武器状态等。

2 火控系统精度分配分析

2.1 误差原因分析

火控系统误差包含各参数测量的误差、弹道拟合的误差、弹丸散布误差、火控系统计算误差、显示器定位误差、安装误差以及飞机瞄准误差。本文根据《HB 6753机载武器火力控制系统误差分析通用要求》按照误差性质分为系统误差、随机误差和粗大误差,其中系统误差因为各系统的零位,公式拟合等引入的误差;随机误差因为工艺误差,零位漂移以及安装误差等引入的误差;粗大误差为试验者的失误,设备的偶然故障以及环境条件的突然变化等引入的误差。

2.2 精度分配模型

由于系统误差可以根据精度分析确定,并在软件中补偿,粗大误差由于其发生概率较小,本系统仅针对各关键的随机误差进行计算和分配。火控系统软件和硬件的设计应使对武器散布值减至最小,火控系统对各系统不同设备的误差根据精度分配原则,并根据各误差对整系统误差的权系数来确定,对权重大的要加严控制,对权重小的可适当放,以保证总精度满足任务需求。
本文将系统引入的随机误差分为火控系统的随机误差以及弹上系统的随机误差。
火控系统的随机误差包含载机姿态测量系统引入的随机误差项为偏航角、俯仰角以及滚转角;载机位置测量系统引入的随机误差项为载机速度和载机高度;目标位置测量系统引入的随机误差项为瞄准线方位角、瞄准线俯仰角以及斜距;目标跟踪捕获系统引入的随机误差项为激光照射精度、瞄准线稳定精度以及激光束散角;导弹发射架安装引入的随机误差项为安装航向角、安装俯仰角以及安装滚转角;飞行员操作误差。
弹上系统的随机误差包含加计零位引入的随机误差项以及陀螺零位引入的随机误差项。
假设各误差相对独立,无相关性,研究人员首先确定影响中制导截获概率的参数,分配模型如图1所示,将上述各误差按照正态分布模拟,利用10 km弹道进行仿真模拟,求出中制导截获概率。若截获概率小于100%,则重新进行仿真计算,直至计算出最大的随机误差分布。截获概率等于100%,证明在导引头视场范围内,中末制导交接正常。图1中j为预想的方案数。
图1 中制导火控参数精度分配模型

Fig.1 Accuracy allocation model of guided fire control parameters

假设武器本身无制导误差,分配模型如图2所示,影响导弹命中的参数为目标跟踪捕获系统和飞行员的瞄准精度。假设各误差相对独立,将上述误差按照正态分布数据模拟,计算武器系统CEP,若CEP大于2 m,则重新计算,同样计算出CEP小于2 m的最大的随机误差分布,并根据技术难度和成本对各系统进行精度分配和选型,其中k为预想的方案数。
图2 末制导火控参数精度分配模型

Fig.2 Accuracy allocation model of final guidance fire control parameters

3 火控系统精度仿真分析

3.1 中制导截获概率计算仿真

中制导截获概率误差的计算方法如下:
初始安装角误差φ1和载机初始姿态φ2引起的位置误差见公式(1),其中ϕ为误差的姿态阵,L为中制导距离。
X1=ϕ×L
陀螺零位残差引入的位置误差见公式(2),ε为陀螺零位残差,v为导弹速度。
X2=∬(ε·v)dtdt
加计零偏引入的位置误差见公式(3),∇为加计零偏
X3=0.5∇t2
载机初始速度引入的位置误差见公式(4),VM载机初始速度误差,t为中制导飞行时间
X4=VM·t
瞄准线精度引入的位置误差见公式(5),θ为瞄准线角度误差,L为中制导距离
X5=θ×L
飞机初始速度引入的位置误差见公式(6),VA为飞机初始速度误差
X6=VA·t
截获时刻发射系下的位置误差见公式(7),T*为发射系下转置矩阵。
X7=T*·(X1+X2+X3+X4+X5+X6)
假设某空面武器的发射距离为10 000 m,截获距离为2 000 m,加计X轴零位误差为0.01 g(3δ),Y轴零位误差为0.01 g(3δ),Z轴零位误差为0.01 g(3δ),陀螺零漂0.01°(3δ),当j=1,2时,设置各随机误差参数如下:飞机姿态误差为1°(1δ),飞机位置误差100 m(1δ),安装误差为0.5°(3δ),斜距测量误差为50 m(3δ),飞机速度误差5 m/s,1 m/s,目标速度为10 m/s,即对目标速度不装订,认为目标速度的随机误差为10 m/s。利用蒙特卡罗法进行计算仿真,1 m/s误差结果如图3所示。
图3 飞机速度误差对截获概率的影响

Fig.3 Effect of aircraft speed error on interception probability

仿真计算可知,5 m/s的截获概率为93.49%;1 m/s的截获概率为99.99%,速度误差越小,引起截获时的散布就越小。
随着速度的减少,虽然对整系统截获概率贡献较大,且散布更小,但是飞机惯导的成本会急剧增加,所以在控制散布和成本的情况下,假设初始速度误差为1 m/s,安装角与j=1时不变,对载机初始姿态误差进行控制。当j=3,4时,飞机姿态误差为0.5°,0.2°(1δ)时,当飞机姿态误差小于0.5°时,对中制导截获分布影响不大,当j=5,6,控制飞机位置高度和水平误差均为60 m,30 m时,对各参数仿真计算所知,飞机位置误差对中制导截获分布影响不大,综合惯导成本,按照100 m误差分配。
综上所述,对于中制导各参数精度分配如下:载机速度误差1 m/s(1δ);载机姿态误差0.5°(1δ);载机位置误差100 m(1δ);安装误差为0.5°(3δ);斜距测量误差为50 m(3δ);瞄准线角度精度为2 mrad(1δ)时,中制导截获概率如图4所示,满足整系统设计要求。
图4 中制导截获概率

Fig.4 Probability of interception of guidance

3.2 命中概率计算仿真

激光照射精度在引入的位置误差见公式(8),ω1为激光照射精度,ω2为激光照射稳定度,ω3为激光照射束散角,ω4为任务员瞄准误差,W为照射误差的姿态阵,D为命中时载机距目标的距离,Y为激光照射点距离中心点的距离
Y=W×D
已知某空面制导武器CEP为0.5 m,假设飞机速度250 km/h,相对高度3 km,命中时飞机距目标的距离为7 km,本系统认为任务员瞄准误差ω4为0,即目标跟踪系统持续稳定跟踪目标,无任务员参与;光斑大小在最远命中距离不超过2 m,可求出束散角不大于0.3 mrad(P=95%)。当k值在1~2时,激光照射精度0.08 mrad,激光照射稳定度分别为0.02 mrad、0.01 mrad时,进行仿真,0.02 mrad仿真结果如图5所示。
图5 激光稳定度对命中概率的影响

Fig.5 Effect of laser stability on hit probability

经仿真计算,0.02 mrad的命中概率为48.32%;0.01 mrad的命中概率为50.36%。
根据吊舱目前的成本和实际需求确定激光照射稳定度0.02 mrad,当k值在3~4时,激光照射精度为0.05 mrad和0.03 mrad,进行仿真,0.02 mrad仿真结果如图6所示。
图6 激光照射精度对命中概率的影响

Fig.6 The influence of laser irradiation accuracy on the hit probability

由仿真计算可知,激光照射精度为0.07 mrad的命中概率为58.08%;0.03 mrad的命中概率为97.73%。
综上所述,当激光稳定度为0.02 mrad(1δ),激光精度为0.07 mrad(1δ),束散角极限误差不大于0.3 mrad(P=0.95),吊舱稳定跟踪目标的命中概率为58.08%,满足系统设计需求。

3.3 精度分配

火控参数精度分配见表1,其中对影响武器截获概率的载机速度精度、载机姿态精度、安装精度和影响武器末制导命中概率的激光照射稳定度、激光照射精度以及束散角加严控制,其余指标根据现有技术和成本,进行精度分配,通过仿真计算可得出,武器CEP小于2 m,满足任务需求。
表1 火控参数精度分配

Tab.1 Accuracy assignment of fire control parameters

序号 参数名称 精度指标 主要分配原则 备注
1. 载机速度精度 1 m/s(1δ) 重要,权值大,加严控制 截获概率
2. 载机姿态精度 0.5°(1δ) 重要,权值大,加严控制
3. 载机位置精度 100 m(3δ) 按照现有技术和成本综合考虑
4. 安装精度 0.5°(3δ) 重要,权值大,加严控制
5. 瞄准线角度精度 2 mrad(1δ) 重要、按照现有技术和成本
6. 斜距精度 50 m(3δ) 按照现有技术和成本综合考虑
7. 激光照射稳定度 0.02 mrad(1δ) 重要,权值大,加严控制 命中概率
8. 激光照射精度 0.07 mrad(1δ) 重要,权值大,加严控制
9. 激光束散角 0.3 mrad(P=0.95) 重要,权值大,加严控制
10. 飞行员瞄准精度 忽略 吊舱持续跟踪

4 结束语

本文通过对某空面精确制导武器的火控系统误差分析,根据《HB 6518机载火力控制系统误差分配通用要求》提出了一种火控精度分配模型,设计了CEP为2 m,远距攻击距离为10 km,对地攻击10 m/s以内的低速目标为战术指标的火控系统精度分配方案,以最小成本最大性能的满足任务需求,经计算仿真分析,精度指标分配满足任务需求。
由于火控系统较为复杂,误差传递链较多,文中对关键的随机误差进行仿真计算提供了一种计算方案,系统误差可在后续动态测试中通过误差分析,测试得到量化数据后进行软件补偿减小或者消除。

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