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航天装备的精度

航天装备的精度，即航天装备的命中精度，在打击固定目标时，航天装备命中精度用圆概率偏差(CEP)描述。设P为落点坐标落在以目标为原点R为半径的圆内的概率，当P=50%时，R就是圆概率偏差CEP，即航天装备精度。它是一个长度的统计量，即向一个目标发射多发航天装备，要求有半数的航天装备落在以目标点为圆心，以圆概率偏差为半径的圆内。打击活动目标时，航天装备的命中精度用脱靶距离表示，即航天装备相对于目标运动轨迹至目标中心的最短距离。航天装备命中精度是航天装备的主要战术技术性能指标，是航天装备制导控制能力的综合反映, 高精度成为各军事强国航天装备发展长期追求的目标。此外，在航天装备武器系统定型试验中，命中精度是鉴定方需着重考核的指标之一。

本文主要对影响以惯性制导为主的航天装备命中精度的各个要素开展分析，以下描述中的航天装备精度均指以惯性制导为主的航天装备命中精度。

2

影响航天装备精度的因素

影响航天装备精度的因素很多，可分为制导误差和非制导误差。

2.1

制导误差

制导误差是影响航天装备精度的一个重要因素，减小制导误差是提高航天装备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，分为方法误差和工具误差。方法误差主要指由于采用的制导方案的不完善(如制导方案中的近似或简化)而引起的误差，减小方法误差的途径主要有完善控制模型和优化制导律。工具误差主要指惯性测量装置的测量产生的误差，减小工具误差的方法主要有提高惯性器件本身的精度、减小惯性器件的安装误差、完善误差补偿方法等。

制导误差中系统性误差可通过补偿和校正消除部分或大部分；不确定性误差则只能通过改善软硬件的精度来抑制。

2.2

非制导误差

制导误差是影响航天装备精度的一个重要因素，减小制导误差是提高航天装备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，分为方法误差和工具误差。方法误差主要指由于采用的制导方案的不完善(如制导方案中的近似或简化)而引起的误差，减小方法误差的途径主要有完善控制模型和优化制导律。工具误差主要指惯性测量装置的测量产生的误差，减小工具误差的方法主要有提高惯性器件本身的精度、减小惯性器件的安装误差、完善误差补偿方法等。

制导误差中系统性误差可通过补偿和校正消除部分或大部分；不确定性误差则只能通过改善软硬件的精度来抑制。

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影响航天装备命中精度的具体因素

影响航天装备精度的因素很多，涉及到总体、分系统和单机三个层面，与总体相关的影响要素中包含有弹道、气动、发动机、结构、安装等方面，分系统影响要素中又包含制导控制、瞄准、弹头等方面，单机影响要素则主要是惯性器件本身精度、误差标定方法和控制计算机的计算、通讯能力等。

3.1

航天装备系统总体参数

以航天装备动力学模型、弹性模型、气动参数、发动机参数等为代表的总体参数是控制系统设计的重要输入，是控制系统实现稳定控制到高命中精度重要因素，制导控制方案设计及参数选择都是基于这些模型和参数开展的，总体模型和参数的偏差必然引起制导控制误差，这些是制导方法误差的主要来源，需要控制系统和总体一同开展优化设计，减小偏差同时提升控制系统适应能力。

3.2

航天装备内部力学环境

航天装备发射与飞行过程中，经历了弹体结构的弹性振动、航天装备轴章动、航天装备自转运动、燃气舵/空气舵绕其铰链轴的摆动、喷管动作等环境，惯性测量装置在此工作环境中，局部力学环境及惯性测量装置与环境频率之间的匹配性将产生极为重要的影响，如果匹配不好，将严重影响惯性测量装置的动态性能，甚至使其完全丧失工作能力。对航天装备全弹和各分段进行振动模态试验，测量航天装备固有振动频率、振型、阻尼比等模态参数和局部力学特性，为航天装备测量及控制装置的减振设计和合理安装提供指导。从动力学、弹道和振动模态等方面，开展航天装备总体结构优化设计，为惯性测量装置提供良好的工作环境，从而保证和提高惯性测量装置的使用精度。

3.3

中段误差

中段误差主要指，从制导系统工作结束到弹头分离前的过程中一系列动作和因素对弹头运动的影响产生的误差，主要包括发动机后效推力、弹头分离调姿的非力偶影响、弹头分离干扰等。其中，发动机后效推力和非力偶调姿影响目前在大多数情况下都按误差模型进行了补偿，可消除大部分影响，通过进一步完善模型和补偿方法减小残余影响。

3.4

再入误差

对于无控弹头来说，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航天装备总落点偏差不可忽略的部分。通常情况下，通过建立航天装备再入误差模型、优化再入角度对再入误差进行补偿，可以减小航天装备的再入飞行误差，这对提高纯惯性制导的弹道航天装备精度非常重要。

而高速飞行的航天装备，特别是对于无控弹头的再入飞行段，难以避免的气动烧蚀使航天装备结构在飞行过程中发生了较大变化，其气动特性随之发生了显著变化，另外，弹头自身的因素(质量偏心、动不平衡等因素等)影响，使再入段飞行弹道的散布较大，导致基于模型的再入误差补偿效果降低，造成较大的命中偏差。

另外，再入飞行段的初始条件，如弹道倾角、攻角、速度大小等，也会引起再入飞行段的弹道散布和命中偏差。

降低再入误差，一方面需要通过优化航天装备总体结构参数、提升抗烧蚀能力，优化弹头自旋条件等，减小再入飞行本身的影响；另一方面，通过优化制导控制，提高制导控制精度，减小再入段的初始扰动，提高再入飞行精度。

3.5

引力异常

引力计算的局限性使航天装备在飞行过程中，实际速度和位置产生偏差从而引起落点偏差。当弹道计算和控制精度要求较高时，引力异常对航天装备精度影响不可忽略，误差大小与弹道特性及地面引力异常值有关。通常可用引力异常算法分析航天装备飞行中引力异常的影响，再用数值仿真计算引力异常对航天装备导航精度的影响，根据仿真结果对引力异常造成的误差进行补偿，提高航天装备精度。

3.6

导航初值误差

惯性导航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，导航初值误差对导航精度影响较大。惯性导航初始化的关键是确定初始姿态，即初始对准。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和对准方法误差的存在，使得航天装备初始对准存在一定的误差，造成射击偏差。另外，发射点的位置偏差和垂线偏斜等误差因素也会引起初始对准误差。初始对准误差中的方位误差可通过采用高精度的瞄准仪，提高光学瞄准精度，采用自瞄准方案时，对准精度则主要受惯性器件的精度影响。对于潜基、空基等动基座发射的航天装备，初始的速度、位置偏差较大，而动基座条件下的姿态对准精度也会下降很多。

对导航初始姿态基准的修正可采用天文导航(如星光导航)来实现，星光导航不受人工或电磁场的干扰，自主性强，稳定性好，定位精度高。通过飞行过程中实时观测恒星的位置，结合惯性导航姿态信息，可以解算出导航初始姿态偏差，再利用导航速度、位置误差与初始姿态偏差的关系，可求解出初始姿态偏差引起的速度和位置偏差加以修正。对机动发射或水下发射等初始对准精度较差的弹道航天装备来说，星光惯性制导的优点更为突出。

3.7

惯性器件精度和误差补偿方法

惯性器件的精度是制约航天装备命中精度的重要因素之一，但随着惯性器件的更新换代，器件本身的精度水平已有较大提高，从目前可达的器件精度水平为基础，再往上提高的难度很大。另外，惯性测量装置的误差模型完善和误差系数标定方法研究也是提升惯性器件精度的重要途径，通过优化惯性器件的误差模型和误差系数标定和补偿方法，使惯性器件的实际使用精度得到提升。

从系统使用方面，采用高性能弹载计算机，提高运算速度和存储容量，提升以制导控制算法为核心的计算速度、通信速度，增加惯性器件采样频率等，也可提升惯性测量器件的实际使用精度。

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总结

综上分析，影响惯性制导为主的航天装备精度的因素涉及到总体、分系统、单机三个层面，精度的提升需要总体、分系统和单机共同努力实现，总体尽量提供良好的工作条件、精确的模型和参数等，控制系统在理论方法、模型优化、计算能力、通讯速率等方面开展工作，单机则努力实现器件级的高精度和高稳定性。

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