航天控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的若干思考

趙 民，高曉穎，陳 偉，呂春紅，李 剛

（1. 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京航天自動控制研究所，北京，100854）

0 引 言

控制系統(tǒng)是航天飛行器的神經(jīng)中樞，其性能在一定程度上直接決定了飛行器的實時反應性、環(huán)境適應性、實際應用性、飛行可控性、軌跡精準性與載荷有效性。隨著中國航天技術(shù)的飛速發(fā)展，飛行器制導控制技術(shù)也在發(fā)生著日新月異的進步，為飛行器遠程精確控制、登月與天體探測等提供了強有力的技術(shù)支撐，在航天大國邁向航天強國的新時代發(fā)展進程中，飛行器在復雜環(huán)境與強約束條件下遂行任務的快速及時、過程可控與可信可靠等綜合性能提升方面的需求日益迫切，因此構(gòu)建可以適應復雜環(huán)境的高性能、高可靠控制系統(tǒng)，是提高未來航天飛行器可靠性、使用性、精確性等整體性能的必然要求。

1 航天飛行器控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

航天飛行器在新時期具有立體化、信息化[1]、快響應等新的特點，打擊目標繁雜、飛行環(huán)境復雜多變、數(shù)據(jù)信息海量成為航天飛行器不可回避的現(xiàn)實問題。中國航天控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)支撐了精確打擊[2]、載人航天、探月探火等軍事和科技的快速發(fā)展，面對新形勢、新環(huán)境條件下飛行器飛的巧、打的準、智能化的現(xiàn)實需求，但還存在以下問題：a）系統(tǒng)性能保持與長時間連續(xù)工作能力、惡劣環(huán)境適應能力有限，對其他相關系統(tǒng)約束較多，影響飛行器整體性能的提升；b）復雜環(huán)境與多約束條件下姿控系統(tǒng)適應性不強和自主化水平不高造成航天飛行器綜合性能提升受限；c）過度依靠冗余技術(shù)的應用來彌補電子設備可靠性差的不足，系統(tǒng)綜合技術(shù)的研究不夠深入，影響飛行器長期可靠與適應能力的提升；d）慣性器件精度以及長期穩(wěn)定性不足，對航天飛行器的精準飛行帶來了較大的影響。

1.1 控制系統(tǒng)可靠性與長時間連續(xù)工作能力決定了航天飛行器的使用性能

飛行器制導控制系統(tǒng)是根據(jù)彈道或飛行軌跡信息，通過慣性等各類傳感器實時測量飛行器的位置、姿態(tài)、速度等信息，進行制導控制運算，依據(jù)控制策略控制舵機等執(zhí)行機構(gòu)實時調(diào)整和修正飛行路線與運動姿態(tài)，確保飛行器按照設計預期穩(wěn)定可靠飛行并精確飛向預定位置[3]。因此，控制系統(tǒng)可靠可信是保證航天飛行器任務實現(xiàn)的物理基礎。

近幾十年來，中國航天技術(shù)的發(fā)展取得了長足進步，主要通過元器件性能提升、冗余重構(gòu)、弱保障快速測試等方面的研究大幅提升了控制系統(tǒng)的可靠性與實際使用性能，但與美國、俄羅斯新型航天飛行器相比，現(xiàn)有飛行器電氣系統(tǒng)的資源整合與優(yōu)化水平還不夠精確，一定程度上影響了有效載荷能力的提升，電氣系統(tǒng)長期工作狀態(tài)下的可靠性理論、長時間連續(xù)工作的試驗方法與評估技術(shù)研究還不夠深入，在一定層面上制約了航天飛行器的測試效率、使用效果與適應能力的提升。航天飛行器控制系統(tǒng)的可擴展性能較差，無法適應不同飛行器應用性不一致的現(xiàn)實需求，甚至為了增加一些功能，往往需要對整個系統(tǒng)進行重新設計，嚴重制約了飛行器的設計迭代效率。傳統(tǒng)定制化的設計，各飛行器之間的設備、軟件模塊基本不具備通用性，導致導彈控制系統(tǒng)成本居高不下，維護困難，各供應商之間的設備兼容性差，嚴重影響了系統(tǒng)的通用性、靈活性和擴展性[4]。硬件綜合電子設計在通用性、軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)體系化設計等方面不夠優(yōu)化，阻礙了飛行器整體性能的提升。飛行器主要采用冗余設計保證部分模塊故障時的可靠性，容錯與深層次的重構(gòu)技術(shù)等方面的工程實踐基礎不夠深厚，同時電氣系統(tǒng)過多的余量與冗余設計，導致系統(tǒng)重量較重、資源富裕量較大，系統(tǒng)內(nèi)部不具備能源流動能力，未能實現(xiàn)這些寶貴資源的高效利用，影響了有效載荷的提升。

航天飛行器長時間連續(xù)工作是快速反應能力、任務有效執(zhí)行能力的重要環(huán)節(jié)。隨著基礎理論研究的進展和技術(shù)的更新，飛行器電氣系統(tǒng)加速退化試驗已經(jīng)在國外實現(xiàn)。對于非長期在軌的航天飛行器，中國對于長時間連續(xù)工作及加速試驗的研究還不夠深入，基于衛(wèi)星長期在軌任務機制的長期加電方法無法在短時飛行航天器中推廣使用，基礎元器件的研究都集中于貯存壽命而不是加電壽命開展，電氣系統(tǒng)長時間連續(xù)工作試驗技術(shù)缺乏相關的技術(shù)儲備和工程研制經(jīng)驗。

近年來，中國航天飛行器在快速響應快速測試技術(shù)領域進行了大量的探索，但測試保障人員較多、人工操作繁瑣、測試方案效率低和準備工作量大的現(xiàn)狀沒有得到有效改善；測試設備繁多，設備展開及狀態(tài)轉(zhuǎn)換耗時較長，設備維修保障困難的問題依舊存在；測試流程復雜，測試時間較長，自動化水平不夠先進，數(shù)據(jù)判讀時間耗時較長，測試指標評估方法不完善，故障檢測率無法適應全飛行器狀態(tài)快速評估的問題沒有完全解決，多因素約束下的快速可信測試與狀態(tài)評估技術(shù)的研究還不夠深入，這些均影響了航天飛行器靈活性和高適應生存能力的提升。

1.2 高可靠精確制導控制方法以及評價體系決定了航天飛行器控制系統(tǒng)的整體性能

美國、俄羅斯等國在提高武器系統(tǒng)打擊精度的同時，在設備的使用性方面也達到了非常高的水平，其在全球高覆蓋率、高分辨率和高精度重力測量方面已建立了較為確定的重力場結(jié)構(gòu)。中國慣性測量裝置對環(huán)境物理參數(shù)項、時變項、非線性等誤差因素來源沒有充分研究，誤差模型還不夠完善，且標定參數(shù)數(shù)量與國外相比差距很大。多模式復合制導目前正處于起步階段，在先進復合制導技術(shù)水平、工程設計經(jīng)驗等方面存在一定的差距。在信息融合方面，美國等家對全源融合算法進行了深入研究，而中國則采用多傳感器融合定位形式，融合的信息和手段較為有限，體系化高可靠精確自主導航與制導性能亟需進一步提升，不足以支撐航天飛行器的長遠發(fā)展。

隨機魯棒分析與設計方法已在飛行器姿態(tài)控制設計上推廣應用，但針對頻域辨識的研究起步較晚，在飛行器的系統(tǒng)辨識中拓展不夠深入。在飛行器姿態(tài)控制的設計過程中，忽略或弱化伺服回路特性（載荷、彈性條件、非線性特性等）和約束條件（頻帶、鉸鏈力矩等）對姿控系統(tǒng)的影響，在一定程度上降低了姿態(tài)控制器的實用性，如何充分協(xié)調(diào)姿控回路與伺服回路之間的匹配關系，實現(xiàn)一體化姿態(tài)控制設計，需要進一步開展工程應用技術(shù)研究。另外，由于飛行器針對環(huán)境參數(shù)、本體參數(shù)沒有實現(xiàn)準確和快速的辨識，采用擾動在線估計和抑制技術(shù)，提高姿控系統(tǒng)面對環(huán)境變化或者未知環(huán)境適應性方法的應用性還存在一定不足，面向綜合性能提升的姿控系統(tǒng)設計工程應用不夠深入，在一定層面上制約了飛行器任務遂行與性能保持能力的提升。

慣性測量系統(tǒng)通過敏感載體角運動和線運動參數(shù)為制導系統(tǒng)提供精確的速度、位置和姿態(tài)信息，協(xié)助制導系統(tǒng)完成制導控制，由于具有全天候、抗干擾和隱蔽性好等突出優(yōu)點，慣性導航系統(tǒng)在航天飛行器中發(fā)揮著不可替代的作用，但目前中國航天飛行器慣性測量系統(tǒng)誤差源和誤差建模技術(shù)研究還不夠深入，多場耦合環(huán)境對誤差影響的抑制技術(shù)研究較為欠缺，儀表精度對比以前有了很大的提升，但在慣性儀表的長期通電精度保持能力上還存在一定差距，設備和試件之間缺乏配套的測試規(guī)范、時空測量參考基準等“軟技術(shù)”銜接，不能進行系統(tǒng)級全方位驗證，在一定程度上制約了慣性測試技術(shù)的發(fā)展水平。

1.3 差距原因分析

為了實現(xiàn)飛行器高精度、高速度、高魯棒性、高機動性和低能耗等現(xiàn)實要求，控制系統(tǒng)勢必需要采用更為先進的設計理念、更加復雜的設計方法來逐步提高系統(tǒng)的整體性能，在航天飛行器本身的強耦合性、非線性、時變性和不確定特性等約束條件下，隨著控制系統(tǒng)先進性和復雜性程度的不斷提高，能否確保飛行控制系統(tǒng)設計的正確性、功能完善性和可靠性，是保證飛行安全的關鍵所在。但目前中國航天飛行器的標準規(guī)范體系不夠完備、基礎理論研究不夠深入、可信快速測試方法不夠完善、先進方法的工程應用經(jīng)驗不足、精細化設計與系統(tǒng)性能評估方法相對較弱等原因，共同導致了中國航天飛行器的整體性能在與國外先進技術(shù)方面相比還存在一定差距。

a）控制系統(tǒng)標準體系不夠完備，對先進設計理念和設計方法的指導作用有限。

隨著控制系統(tǒng)新技術(shù)的大量應用和設計水平的不斷提升，相應的設計規(guī)范也需要不斷更新完善。近年來控制系統(tǒng)大量的新技術(shù)將從理論研究轉(zhuǎn)向工程應用，傳統(tǒng)的設計規(guī)范在設計理念、設計方法和設計手段上的指導意義依然保守，而且部分新技術(shù)相關的設計規(guī)范有所缺失，不能完全滿足未來飛行器研制的需求和新技術(shù)發(fā)展的需要。

b）面向長時間連續(xù)工作的電氣系統(tǒng)設計理論及方法研究不夠充分。

對于非長期在軌的飛行器，針對電氣系統(tǒng)有長時間連續(xù)工作需求的項目，目前依舊采用傳統(tǒng)的設計方法，對于深層的長時間連續(xù)工作電氣系統(tǒng)設計方法與理論，尚未開展基礎性研究，無法定量給出電氣系統(tǒng)長期工作壽命指標，缺乏適應于小樣本、低失效率產(chǎn)品的工作壽命定量評估方法與解決方案，限制了航天飛行器測試流程的優(yōu)化。

c）多因素強約束下的可信測試、狀態(tài)評估與快速響應技術(shù)應用有限。

中國航天飛行器測試系統(tǒng)目前多采用基于PXI等總線標準，體積質(zhì)量較大、成本較高、機動性不夠靈活，不同使用工況下與長時間連續(xù)工作過程中的多模式自主切換方法與綜合評估能力、快速響應與系統(tǒng)協(xié)同應用能力不強，可用性評價信息優(yōu)選方法不夠優(yōu)化，控制系統(tǒng)故障處理相關技術(shù)的應用程度有限，制約了航天飛行器使用時的反應速度、利用效率和使用效果的提高。

d）復雜環(huán)境與多約束條件下制導性能與控制能力適應性有待進一步提升。

制導性能直接決定著飛行器精確飛行能力，多源信息的深度融合可以提高飛行器的精確制導能力，目前航天飛行器相關的研究主要集中在慣性導航、衛(wèi)星導航或視覺導航的數(shù)據(jù)融合上，融合的信息和手段有限，在制導控制過程中未充分考慮擾動引力場的影響，自主制導精度長期受引力場的影響還未實現(xiàn)質(zhì)的提高，一定程度上影響了航天飛行器導航制導性能的提升。

e）面向綜合性能提升的姿控系統(tǒng)設計工程應用經(jīng)驗不夠豐富。

當前在對全飛行器、全任務流程的不確定性缺乏深入認知的情況下，為確保穩(wěn)定性以及控制精度等性能，傳統(tǒng)的飛行器姿控系統(tǒng)大多按照極限偏差組合開展分析設計，在一定程度上犧牲了控制精度和動態(tài)品質(zhì)，一般情況下姿控系統(tǒng)弱化了伺服回路特性和約束條件對姿控系統(tǒng)的影響，導致整體性能不夠優(yōu)化。針對頻域在線辨識技術(shù)多是對飛行器參數(shù)或模型的辨識，通過模型求解穩(wěn)定裕度，對于穩(wěn)定裕度的直接辨識的實際應用較少。另外部分飛行器的姿控系統(tǒng)設計主要依靠設計的穩(wěn)定裕度和魯棒性來被動克服參數(shù)快時變和多源干擾，在復雜戰(zhàn)場和惡劣飛行環(huán)境中的自主適應能力不夠強大，影響航天飛行器可控抵達目標最大能力的發(fā)揮，不利于控制性能提升。

f）高精度慣性系統(tǒng)誤差機理的研究不夠深入。

近年來慣性測量裝置儀表精度和可靠性有了明顯的提升，支撐了中國航天飛行器的高速發(fā)展，但高精度慣性測量系統(tǒng)應對復雜應用環(huán)境下所產(chǎn)生的精度影響認識不夠清晰，誤差模型簡單、補償手段單一、動態(tài)誤差激勵不夠充分、參數(shù)標定結(jié)果殘差較大，慣性儀表的誤差源和誤差建模技術(shù)研究還不夠深入，尤其是高階誤差辨識方法不夠準確，多場耦合環(huán)境對慣性儀表誤差影響的機理研究欠缺，與新形勢下慣性測量系統(tǒng)支撐快速測試、長航時、高動態(tài)應用的現(xiàn)實要求不匹配，成為制約中國航天飛行器高精度制導技術(shù)實現(xiàn)的重要因素。

2 新時期航天飛行器控制系統(tǒng)亟待開展的重點技術(shù)

為了提高航天飛行器復雜環(huán)境下的使用性能以及精確飛行能力，亟待重點突破以下幾項關鍵技術(shù)，提高設計效率，共同支撐航天飛行器可靠性、使用性、精確性等整體性能的提升。

a）完善控制系統(tǒng)標準體系，開展控制系統(tǒng)設計相關標準規(guī)范評估與修訂，重點針對航天飛行器控制系統(tǒng)的高可靠性、長期加電、精確飛行、性能提升等關鍵能力開展相關支撐標準研究，構(gòu)建滿足控制系統(tǒng)技術(shù)新、探索性強、涉及的技術(shù)領域多、學科交叉強等需求的標準體系，指導促進控制系統(tǒng)相關關鍵技術(shù)的工程化應用。

b）突破制導性能提升及評估技術(shù)，從時間、空間維度上共同提高導航、制導性能以及飛行可靠性，開展基于狀態(tài)信息的制導技術(shù)研究，充分利用數(shù)字地圖、天文導航、地理信息、目標探測、外部信息源等信息資源，最大限度地挖掘可用信息，實現(xiàn)信息的深度融合。

c）突破強適應姿態(tài)控制技術(shù)，提高姿控系統(tǒng)在復雜使用條件和惡劣飛行環(huán)境中的自主適應能力，深度挖掘并歸納出科學化的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，建立一套自適應、擴展性強的飛行器控制設計方法，在驅(qū)動能力下降等情況下保障控制系統(tǒng)性能，最大限度發(fā)揮航天飛行器飛行全過程的控制品質(zhì)和整體性能。

d）提升高精度慣性測量系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，從力學環(huán)境、溫度場分析和電磁環(huán)境等方面入手，摸清慣性器件誤差機理，揭示各類非線性誤差瓶頸的技術(shù)內(nèi)涵，建立動態(tài)的溫度誤差模型、時變誤差系數(shù)模型，形成一套科學合理完善規(guī)范的慣性測量系統(tǒng)的指標體系，進一步提高慣性器件測量精度與穩(wěn)定性。

e）突破高可靠冗余容錯控制技術(shù)，開展系統(tǒng)集成與精細設計，建立標準化、小型化、開放式系統(tǒng)架構(gòu)，提高模塊功能的互換性，降低系統(tǒng)保障資源需求，提高系統(tǒng)可靠性，降低維護成本，實現(xiàn)系統(tǒng)能力、可靠性、效率及成本的優(yōu)化。

f）提升長時間高可靠連續(xù)工作能力，建立部分產(chǎn)品的退化模型與可靠性模型庫，完成加速試驗方法研究，構(gòu)建電氣系統(tǒng)性能退化表征參數(shù)與可靠性體系。開展高性能伺服系統(tǒng)長期穩(wěn)定性設計技術(shù)攻關，在極端運行工況、復雜環(huán)境、長期貯存及工作條件下進一步提高伺服系統(tǒng)的可靠性及整體性能保持能力。

g）突破多因素強約束條件下的可信測試技術(shù)，構(gòu)建機動能力強、低成本、高通用、快響應、弱保障、環(huán)境適應能力強的測試系統(tǒng)，以不同使用工況下的多模態(tài)測試工作為發(fā)力點，優(yōu)化測試流程與狀態(tài)評估方法，逐步提高航天飛行器控制系統(tǒng)的工作效益與使用效果。

3 結(jié)束語

航天技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)了中國科學技術(shù)發(fā)展的前沿水平，放眼內(nèi)外、正視現(xiàn)狀，中國在航天相關領域的基礎機理、理論方法、技術(shù)突破、工程應用等方面還存在一定差距，特別是航天飛行器控制系統(tǒng)，針對先進設計理念的標準體系的構(gòu)建需要逐步開展，面向長時間連續(xù)工作與性能保持、高精度制導性能提升的機理研究迫在眉睫，支撐快速測試與飛行器性能可靠評估的方法亟需不斷創(chuàng)新，提高飛行器控制性能與在線動態(tài)重構(gòu)方法的工程應用技術(shù)需要不斷迭代，通過各個方向技術(shù)的不斷優(yōu)化，提升航天飛行器的整體性能，為航天領域的跟緊、比肩、超越奠定技術(shù)基礎。