武器系统分析作业

武器系统分析与设计
结课论文
学院：机电学院
专业：兵器科学与技术
年级：硕士一年级
姓名：
学号：
武器系统分析作业
课程总结
通过对《武器系统分析与设计》这门课的学习，使我对武器系统从规划阶段、方案阶段、研制阶段、生产阶段、安装阶段、运行阶段及更新阶段有了更进一步的认识，在对某一新型武器装备系统概念分析时，主要应包括以下几步：第一步：分析系统的任务剖片；第二步:确定系统的任务剖面：第三步：描述系统的特征：第四步：建立系统的概念模型。

通过以上对任务剖面的分析后，将进行系统的功能分析，系统功能分析是武器装备发展型号论证过程中的重要一步，它将规定武器装备型号系统的功能基线及使用要求，是武器装备概念研究中进行系统生成不可缺少的一环。

它主要的目的是根据该武器装备系统的作战使命和总体功能的要求进一步做功能上的分解，直至明确型号系统的各个功能单元以及它们之间的相互关系，以确保型号系统及其各构成要素的基本使用功能和与基本使用功能相对应的性能要求，为该型号系统的结构分析和作战使用性能指标体系分析等提供依据。

接着通过对系统的结构进行分析来了解各组件之间的逻辑关系及结构层次，为研究系统的结构提供依据，简化后期通过如故障诊断、可靠性分析对系统结构进行优化与维修。

之后，在系统功能及结构初步确定之后的论证环节后得出系统评价体系的系统的性能及指标，我们通过分析性能后将性能进一步转化为系统的战术技术要求，指标体系分析是在系统性能分析的基础上，通过分析、综合和权衡确定性能的指标体系和性能度量参数，通过这些性能和指标，对系统的分析与合理性评估提供了依据。

最后分析系统的效能和费用，一个武器系统的效能决定这个武器能否在规定时间、特定条件下完成一定任务，因此我们必须在开始时就对武器系统的效能有一个很准确和系统的评价与测定，通常可以通过以下几步来确定、分析系统效能：第一步：确定系统效能参数；第二步：分析系统可用性；第三步：分析系统可靠性；第四步：分析系统的能力；第五步：评估系统效能。

通过以上几步可以对系统的效能有一个大致的分析，了解。

但是对一个系统来说，光有好的效能及可靠性等也不一定完美，如果它的研发、生产及维修费高的惊人，那么它也将难以投入使用，所以对武器的效费比分析也将变得特别重要，通常我们会通过以下五步来分析：第一步：确定系统寿命周期费用的构成；第二步：建
立费用模型；第三步：估算系统寿命周期内的各项费用：第四步：分析系统寿命周期费用；第五步：权衡系统的费用。

同时，在老师的努力下，我们得以听到在武器系统方面钻研了几十年的白建清老师关于《系统构建及系统可靠性工程实践》的主题课，白老师从系统概述、系统构建、系统可靠性工程实践等方面并结合自己多年的实际经验进行了深入浅出的讲解，介绍了自己这些年的经验，总结出了协调解决原则：有问题解决共同解决，有困难共同克服；有余量共同掌握，有风险共同承担。

因为整个大系统并非一己之力就可以完成的，武器系统更是如此，它需要考虑各个方面的因素，协调各方力量来共同完成系统的整体设计及装备。

最后他也谈了总体部在各个领域中的作用，对整个行业发展的重要性。

同时，在战术导弹总体设计领域摸爬滚打几十年的老师也谈了他对战术导弹总体设计步骤的理解，大概可以总结如下：（1）确定弹身直径（影响导弹头视场、导引头精度及发动机质量比等），（2）确定战斗部类型（反坦克、穿甲等），（3）确定导弹速度方案（受制于射程要求、速度特性等），（4）确定弹道方案，（5）确定动力系统基本形式（单室单推力、单室双推力等），（6）确定制导体制（雷达指令制导、毫米波驾束制导、激光制导等），（7）确定导引规律（三点波导引），（8）确定对发动机推进剂的性能要求（低信号特征），（9）确定控制执行机构方案（空气舱、脉冲喷流控制发动机），（10）确定导弹基本气动力布局形式（鸭式、正常式气动布局），（11）确定导弹的基本控制模式（三通道控制、双通道控制及单通道控制）。

从这些老师系统让我们对《武器系统分析与设计》这门课的理解又加深了；不仅如此，这些老师最后都谈了自己在生活、学习方面的理解，真可谓字字珠玑啊。

总的，通过学习这门课，在武器系统的立项、研制、生产、使用等环节对其有了一个更深的认识，在各个过程中应该注意的问题也有了自己的见解。

基于战斗机武器火控系统分析
（北京理工大学机电学院北京100081）
摘要
以国外第四代战斗机武器火控系统为主，研究了战斗机火控系统在系统构型、火控技术及作战效能等方面进行了分析；对战斗机武器火控系统进行抽象建模，对作战效能进行估计及计算，并利用头脑风暴的方法对引起武器火控系统故障的原因及结果进行总结归类，在BP神经网络下对战斗机火控系统的故障进行分析，使武器能有最短平均故障间隔时间。

关键字：战斗机武器火控系统可靠性研究BP神经网络故障分析
The fire control system of fighter is studied in the aspects of system configuration, fire control technology and combat effectiveness. The fighter weapon fire control system is abstractly modeled and analysis of its reliability bythe methods of reliability analysis,usingbrainstorming method to cause the fire control system failure causes and results are summarized and classified in the BP neural network on the fighter fire control system failure analysis, the weapon can have the shortest average Fault interval.
Key words: fighter weapon fire control, system reliability study,BP neural network, fault analysis
一、引言
武器是一个被计划用于对生命体、结构或系统进行伤害或摧毁的装置，被用于增加如狩猎、犯罪、自我防御、暴力执法及战争等活动的功效及效率。

在系统的建立和优化过程中，系统分析是最基本、最复杂的一环，只有充分的分析及体系建立，才能为系统以后的设计及制造起到引导性、决策性的作用。

系统分析主要遵循以下几个原则与方法：整体性原则、相关性原则、目的性原则、层次性原则及结构性原则[1]，通过这几种分析方法，我们可以设计及改进现有系统，它的重要性在系统分析中举足轻重。

二、战斗机武器火控系统分析
战斗机武器火控系统是由若干个子系统如通信系统、火控系统、作战系统等来组成武器火控系统，尤其是第四代战斗机武器火控系统的特点更为突出，主要有高度综合性、分区设计、显示控制高度综合等特点。

为了保证武器系统的可靠工作，它的任务剖面、可靠性、可用性等值的我们花费大量的时间和经历进行研究，对总系统及分系统的综合分析将变得非常重要。

1．战斗机武器火控系统结构组成
以下以F-22飞机的火控系统为主进行分析，它主要由通用综合处理器（CIP）、有源相控雷达、综合通讯导航识别系统（ICNIA）、综合电子战系统（NEWS）及先进总线和网络系统组成[2]。

结构组成图及逻辑关系图如图1与图2所示：
图1 武器火控系统层次图
图2 武器火控系统逻辑关系图
F-22飞机的CIP是一种新的先进的集中分布式计算机系统，功能主要有：a.
武器投放条件解算，b.攻击管理，c.传感器管理与数据融合，d.飞行管理，e.综合电子战处理，f.综合通讯、导航、识别处理，g.综合显示处理与视频处理，h.总线控制。

有源相控雷达是指相控阵中每一辐射单元有一个发射/接受组件（T/R组件）。

组件中有发射功率放大器、移相器、双工器与接受机的高频放大器、混频器与中频放大器。

通常T/R组件采用微波集成电路，非常轻、小及低耗电。

2．战斗机武器火控系统任务剖面
通常将产品在规定任务时间内所经历的事件和环境进行时序性的表达描述
出来的称之为任务剖面。

易群峰等[3]对于任务剖面的理解为武器装备在已经完成了规定的作战任务后，再返回来对它在完成任务这一规定的时间段内已经经历的事件和环境进行时序性描述是极易操作的。

但对于一个新武器系统而言，我们则需要通过分析任务剖面来对系统的综合性能进行设计及评估，同时一个详细的任
务剖面图也可以在分析系统故障及可靠性计算时带来便利。

战斗机武器火控系统的任务剖面如图3所示：
图3 战斗机武器火控系统的任务剖面
3. 战斗机武器火控系统可靠性下作战效能分析
可靠性指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

由于战斗机武器火控系统的复杂性及高度综合化使其可靠性严重降低，为此在产品制造之前就要控制它的可靠性，即在产品设计阶段进行可靠性预计[6]。

一般来说，对于不可修复系统，以可靠性R(t)或平均寿命MTTF的形式给出；对于可修复产品则以可用性A(t)或平均寿命MTBF的形式给出[4]。

在复杂系统下飞机的作战效能直接或间接的受到武器系统的可靠性的影响。

飞机系统作战效能是指在规定的作战环境条件下和规定的时间内，该系统完成一组规定任务（如打击地面、海面移动目标）程度的量度，它是系统可用度、可靠度及能力的函数。

该定义可表示为：
E = A•D•C
式中：E为系统作战效能；
A为可用度，是飞机在开始执行任务时所处状态的量度；
D 为可靠度, 已知飞机在开始起飞时所处状态、飞机在执行任务(如攻击
给定空中目标, 打击地面、海面目标等) 过程中所处状态的量度;
C 为能力, 已知飞机在执行任务过程中所处状态, 表示完成规定任务要
求程度的量度。

根据以上公式计算了F-22、F-15、Mig-29等几种战斗机的作战效能,列于表1：
[2]
是F-15及Mig-29的几倍甚至十几倍，因为要在高可靠性的条件下保证高的作战效能必须要确保每个要素的可靠性尽可能高才能达到整体的高可靠性。

武器系统效能的评定在武器系统的设计、研制、试验、采购、使用及维修等各个阶段都显得十分重要[7]，并且它也是装备论证必不可少的有效工具和方法，
现有的评价方法主要包括模糊数学评价、加权法评价、灰色系统理论评价和综合指数法进行评价。

4. BP（back propagation）神经网络进行系统故障诊断
（1）故障诊断概述
故障诊断的主要任务有：故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复。

根据状态检测所获得的信息，对设备可能要发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，并预测设备状态今后的变化趋势，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修的对策措施，为设备维修提供正确的技术支持。

常见的故障诊断方法有基于解析模型的故障诊断方法、基于信号处理的故障诊断方法及基于知识的故障诊断方法。

以下将采用基于知识的故障诊断方法，而基于知识的故障诊断方法中基于机器学习中的神经网络故障诊断方法。

图4为故障诊断的基本流程：
图4 故障诊断的基本流程
信号采集：通过传感器对温度、震动、噪声、压力、扭矩、转速等信号进行采集，并将信号进行预处理。

特征提取：对收集到的信号进行处理，与常规的参数进行对比、分析，以振动分析为例（时域分析、频域分析、时频分析等），并提取出特征信号。

故障模式识别：根据特征信号对故障模式的分类识别，实现故障诊断。

维修决策：根据故障诊断结果，采取维修措施。

（2）用BP神经网络对武器火控系统进行故障诊断的思考
武器火控系统的结构复杂性、系统综合性、影响因素多样性及故障表现行为的多样性给故障定位带来了很大的困难，故需要采用BP神经网络用以武器系统的故障诊断BP算法是一个有导师学习的多层神经网络算法，每一个训练样本在神经网络中经过两次传递计算，由正向传播和反向传播组成。

在正向传播的过程中，输入信息从输入层经隐含层单元逐层处理，并传向输出层，每一层神经元的状态只影响下一层的神经元的状态。

如果在输出层不能得到期望的输出值，则转入反向传播，将误差信号沿原来的连接通络返回，通过修改各层神经元的阈值和连接各个神经元的权值，使得误差信号减少。

图5 战斗机武器火控系统整体结构图
总结、分析表征武器火控系统运转状态的的特征向量主要有输入参量
x 1,x
2
,x
3
(x)
n
,其中x
i
的参数可以通过装在飞机各部分的传感器进行收集，然后
我们可以通过总结相应的故障y
1,y
2
,……y
n。

反向传播时[8]，定义网络的期望输
出d
k 和实际输出y
k
的误差平方和为目标参数，S个样本的总误差定义为
()2
1
1
2
m
k jk jk
j
E d y
=
=-
∑
1
1
2
S
k
j
E E
S=
=∑
在反向传播过程中，按减少期望输出与实际输出的误差原则（梯度下降法），将输出误差从输出层经中间各层，最后回到输入，得到各层的误差信号，然后根据他们来修改各层各个连接权值。

这种正向和反向的循环一直到误差的达到的允许的范围内或预先设计训练次数为止。

最终我们通过神经网络把故障定位到实施修理时可更换的产品层次，实现故障隔离。

x2
y2 xn
图6 3层BP神经网络
五结论
通过对战斗机武器火控系统进行结构组成、任务剖面、可靠性条件下作战效能及BP神经网络等的分析，可以在武器系统的整个设计、制造、后勤保障环节起到举足轻重的作用，加强了对武器系统的更深层次的理解和认识。

同时运用新
技术在武器系统的故障诊断中也为武器系统的可用性提供了有力的保证.
参考文献
[1]艾新波, 张仲义,逆向系统工程引论[J].系统工程与电子技术,2009,31(8).
[2] 张红，李峰.第四代战斗机武装火控系统总体设计技术分析[J].光电与控制，2000(3).
[3] 刘品，刘岚岚等.可靠性工程技术[M].北京：中国计量出版社，2008.
[4] 高鹰, 谢胜利.一种变步长LMS 自适应滤波算法及分析[J] .电子学报,2001,29(8):
1094-1097.
[5] AN EXAMPLE OF SIMULATION USE IN ARMY WEAPON SYSTEM
DEVELOPMENT[C].ACM,2011,COM-35(9):877 -887.
[6]吕建伟.装备研制的风险管理方法探讨[J].系统工程与电子技术,2002,24(5):8-10,74.
[7] 吕建伟,徐一帆,谢宗仁等.大型复杂武器系统可靠性和维修性指标的总体优化方法[J].
兵工学报,2016,37(6):1144-1152.
[8] Michael Nielsen. Neural Networks and Deep Learning[M].Pearson Education Asia
Ltd,2013.
对本课程的建议
通过在本学期对《武器系统的分析与设计》这门课系统的学习之后，使我对武器系统有了更深入的了解，收获非常多。

同时我也就将这门课提出以下几点建议：
1.应采取老师与学生互动的方式，比如可以让几个学生为一组选定某一个与课
程内容相关的课题进行探讨，然后以ppt演示的形式给大家汇报，最后由老师进行点评总结。

2.老师应该在阶段性授课完毕以后给学生一定的参考资料（如文献、相关书籍、
视频等）进行深度学习，然后以下次上课提问的方式督促大家学习。