趙 民，高曉穎，陳 偉，呂春紅，李 剛

（1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京航天自動(dòng)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(shí)時(shí)反應(yīng)性、環(huán)境適應(yīng)性、實(shí)際應(yīng)用性、飛行可控性、軌跡精準(zhǔn)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(dǎo)控制技術(shù)也在發(fā)生著日新月異的進(jìn)步，為飛行器遠(yuǎn)程精確控制、登月與天體探測等提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，在航天大國邁向航天強(qiáng)國的新時(shí)代發(fā)展進(jìn)程中，飛行器在復(fù)雜環(huán)境與強(qiáng)約束條件下遂行任務(wù)的快速及時(shí)、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(yīng)復(fù)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(shí)期具有立體化、信息化[1]、快響應(yīng)等新的特點(diǎn)，打擊目標(biāo)繁雜、飛行環(huán)境復(fù)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(shí)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(zhǔn)、智能化的現(xiàn)實(shí)需求，但還存在以下問題：a）系統(tǒng)性能保持與長時(shí)間連續(xù)工作能力、惡劣環(huán)境適應(yīng)能力有限，對其他相關(guān)系統(tǒng)約束較多，影響飛行器整體性能的提升；b）復(fù)雜環(huán)境與多約束條件下姿控系統(tǒng)適應(yīng)性不強(qiáng)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(yīng)用來彌補(bǔ)電子設(shè)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(yīng)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(zhǔn)飛行帶來了較大的影響。

1.1 控制系統(tǒng)可靠性與長時(shí)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(dǎo)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(shí)時(shí)測量飛行器的位置、姿態(tài)、速度等信息，進(jìn)行制導(dǎo)控制運(yùn)算，依據(jù)控制策略控制舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)整和修正飛行路線與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，確保飛行器按照設(shè)計(jì)預(yù)期穩(wěn)定可靠飛行并精確飛向預(yù)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(wù)實(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)。

近幾十年來，中國航天技術(shù)的發(fā)展取得了長足進(jìn)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(shí)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(shí)間連續(xù)工作的試驗(yàn)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(yīng)能力的提升。航天飛行器控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能較差，無法適應(yīng)不同飛行器應(yīng)用性不一致的現(xiàn)實(shí)需求，甚至為了增加一些功能，往往需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，嚴(yán)重制約了飛行器的設(shè)計(jì)迭代效率。傳統(tǒng)定制化的設(shè)計(jì)，各飛行器之間的設(shè)備、軟件模塊基本不具備通用性，導(dǎo)致導(dǎo)彈控制系統(tǒng)成本居高不下，維護(hù)困難，各供應(yīng)商之間的設(shè)備兼容性差，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的通用性、靈活性和擴(kuò)展性[4]。硬件綜合電子設(shè)計(jì)在通用性、軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)體系化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)保證部分模塊故障時(shí)的可靠性，容錯(cuò)與深層次的重構(gòu)技術(shù)等方面的工程實(shí)踐基礎(chǔ)不夠深厚，同時(shí)電氣系統(tǒng)過多的余量與冗余設(shè)計(jì)，導(dǎo)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(dòng)能力，未能實(shí)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(shí)間連續(xù)工作是快速反應(yīng)能力、任務(wù)有效執(zhí)行能力的重要環(huán)節(jié)。隨著基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)展和技術(shù)的更新，飛行器電氣系統(tǒng)加速退化試驗(yàn)已經(jīng)在國外實(shí)現(xiàn)。對于非長期在軌的航天飛行器，中國對于長時(shí)間連續(xù)工作及加速試驗(yàn)的研究還不夠深入，基于衛(wèi)星長期在軌任務(wù)機(jī)制的長期加電方法無法在短時(shí)飛行航天器中推廣使用，基礎(chǔ)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(shí)間連續(xù)工作試驗(yàn)技術(shù)缺乏相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備和工程研制經(jīng)驗(yàn)。

近年來，中國航天飛行器在快速響應(yīng)快速測試技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)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(zhǔn)備工作量大的現(xiàn)狀沒有得到有效改善；測試設(shè)備繁多，設(shè)備展開及狀態(tài)轉(zhuǎn)換耗時(shí)較長，設(shè)備維修保障困難的問題依舊存在；測試流程復(fù)雜，測試時(shí)間較長，自動(dòng)化水平不夠先進(jìn)，數(shù)據(jù)判讀時(shí)間耗時(shí)較長，測試指標(biāo)評估方法不完善，故障檢測率無法適應(yīng)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(yīng)生存能力的提升。

1.2 高可靠精確制導(dǎo)控制方法以及評價(jià)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(shí)，在設(shè)備的使用性方面也達(dá)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(xiàng)、時(shí)變項(xiàng)、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(biāo)定參數(shù)數(shù)量與國外相比差距很大。多模式復(fù)合制導(dǎo)目前正處于起步階段，在先進(jìn)復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)水平、工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(dǎo)航與制導(dǎo)性能亟需進(jìn)一步提升，不足以支撐航天飛行器的長遠(yuǎn)發(fā)展。

隨機(jī)魯棒分析與設(shè)計(jì)方法已在飛行器姿態(tài)控制設(shè)計(jì)上推廣應(yīng)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(shè)計(jì)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(shí)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(guān)系，實(shí)現(xiàn)一體化姿態(tài)控制設(shè)計(jì)，需要進(jìn)一步開展工程應(yīng)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和快速的辨識，采用擾動(dòng)在線估計(jì)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(yīng)性方法的應(yīng)用性還存在一定不足，面向綜合性能提升的姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用不夠深入，在一定層面上制約了飛行器任務(wù)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(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)參數(shù)為制導(dǎo)系統(tǒng)提供精確的速度、位置和姿態(tài)信息，協(xié)助制導(dǎo)系統(tǒng)完成制導(dǎo)控制，由于具有全天候、抗干擾和隱蔽性好等突出優(yōu)點(diǎn)，慣性導(dǎo)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(shè)備和試件之間缺乏配套的測試規(guī)范、時(shí)空測量參考基準(zhǔn)等“軟技術(shù)”銜接，不能進(jìn)行系統(tǒng)級全方位驗(yàn)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(shí)現(xiàn)飛行器高精度、高速度、高魯棒性、高機(jī)動(dòng)性和低能耗等現(xiàn)實(shí)要求，控制系統(tǒng)勢必需要采用更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(qiáng)耦合性、非線性、時(shí)變性和不確定特性等約束條件下，隨著控制系統(tǒng)先進(jìn)性和復(fù)雜性程度的不斷提高，能否確保飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、功能完善性和可靠性，是保證飛行安全的關(guān)鍵所在。但目前中國航天飛行器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系不夠完備、基礎(chǔ)理論研究不夠深入、可信快速測試方法不夠完善、先進(jìn)方法的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足、精細(xì)化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)性能評估方法相對較弱等原因，共同導(dǎo)致了中國航天飛行器的整體性能在與國外先進(jìn)技術(shù)方面相比還存在一定差距。

a）控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完備，對先進(jìn)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法的指導(dǎo)作用有限。

隨著控制系統(tǒng)新技術(shù)的大量應(yīng)用和設(shè)計(jì)水平的不斷提升，相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(yīng)用，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范在設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段上的指導(dǎo)意義依然保守，而且部分新技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)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(shí)間連續(xù)工作的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)間連續(xù)工作需求的項(xiàng)目，目前依舊采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對于深層的長時(shí)間連續(xù)工作電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與理論，尚未開展基礎(chǔ)性研究，無法定量給出電氣系統(tǒng)長期工作壽命指標(biāo)，缺乏適應(yīng)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(qiáng)約束下的可信測試、狀態(tài)評估與快速響應(yīng)技術(shù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，體積質(zhì)量較大、成本較高、機(jī)動(dòng)性不夠靈活，不同使用工況下與長時(shí)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(yīng)與系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)用能力不強(qiáng)，可用性評價(jià)信息優(yōu)選方法不夠優(yōu)化，控制系統(tǒng)故障處理相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用程度有限，制約了航天飛行器使用時(shí)的反應(yīng)速度、利用效率和使用效果的提高。

d）復(fù)雜環(huán)境與多約束條件下制導(dǎo)性能與控制能力適應(yīng)性有待進(jìn)一步提升。

制導(dǎo)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(dǎo)能力，目前航天飛行器相關(guān)的研究主要集中在慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航或視覺導(dǎo)航的數(shù)據(jù)融合上，融合的信息和手段有限，在制導(dǎo)控制過程中未充分考慮擾動(dòng)引力場的影響，自主制導(dǎo)精度長期受引力場的影響還未實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提高，一定程度上影響了航天飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)性能的提升。

e）面向綜合性能提升的姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不夠豐富。

當(dāng)前在對全飛行器、全任務(wù)流程的不確定性缺乏深入認(rèn)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(shè)計(jì)，在一定程度上犧牲了控制精度和動(dòng)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(dǎo)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(shí)際應(yīng)用較少。另外部分飛行器的姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)的穩(wěn)定裕度和魯棒性來被動(dòng)克服參數(shù)快時(shí)變和多源干擾，在復(fù)雜戰(zhàn)場和惡劣飛行環(huán)境中的自主適應(yīng)能力不夠強(qiáng)大，影響航天飛行器可控抵達(dá)目標(biāo)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(jī)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(yīng)對復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下所產(chǎn)生的精度影響認(rèn)識不夠清晰，誤差模型簡單、補(bǔ)償手段單一、動(dòng)態(tài)誤差激勵(lì)不夠充分、參數(shù)標(biāo)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(zhǔn)確，多場耦合環(huán)境對慣性儀表誤差影響的機(jī)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(shí)、高動(dòng)態(tài)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)要求不匹配，成為制約中國航天飛行器高精度制導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重要因素。

2 新時(shí)期航天飛行器控制系統(tǒng)亟待開展的重點(diǎn)技術(shù)

為了提高航天飛行器復(fù)雜環(huán)境下的使用性能以及精確飛行能力，亟待重點(diǎn)突破以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提高設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)體系，開展控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范評估與修訂，重點(diǎn)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(guān)鍵能力開展相關(guān)支撐標(biāo)準(zhǔn)研究，構(gòu)建滿足控制系統(tǒng)技術(shù)新、探索性強(qiáng)、涉及的技術(shù)領(lǐng)域多、學(xué)科交叉強(qiáng)等需求的標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)促進(jìn)控制系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的工程化應(yīng)用。

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

c）突破強(qiáng)適應(yīng)姿態(tài)控制技術(shù)，提高姿控系統(tǒng)在復(fù)雜使用條件和惡劣飛行環(huán)境中的自主適應(yīng)能力，深度挖掘并歸納出科學(xué)化的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一套自適應(yīng)、擴(kuò)展性強(qiáng)的飛行器控制設(shè)計(jì)方法，在驅(qū)動(dòng)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(xué)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(jī)理，揭示各類非線性誤差瓶頸的技術(shù)內(nèi)涵，建立動(dòng)態(tài)的溫度誤差模型、時(shí)變誤差系數(shù)模型，形成一套科學(xué)合理完善規(guī)范的慣性測量系統(tǒng)的指標(biāo)體系，進(jìn)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(cuò)控制技術(shù)，開展系統(tǒng)集成與精細(xì)設(shè)計(jì)，建立標(biāo)準(zhǔn)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(hù)成本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力、可靠性、效率及成本的優(yōu)化。

f）提升長時(shí)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(yàn)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(shè)計(jì)技術(shù)攻關(guān)，在極端運(yùn)行工況、復(fù)雜環(huán)境、長期貯存及工作條件下進(jìn)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(qiáng)約束條件下的可信測試技術(shù)，構(gòu)建機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、低成本、高通用、快響應(yīng)、弱保障、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)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(diǎn)，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(xué)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(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)機(jī)理、理論方法、技術(shù)突破、工程應(yīng)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(jìn)設(shè)計(jì)理念的標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建需要逐步開展，面向長時(shí)間連續(xù)工作與性能保持、高精度制導(dǎo)性能提升的機(jī)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(dòng)態(tài)重構(gòu)方法的工程應(yīng)用技術(shù)需要不斷迭代，通過各個(gè)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(lǐng)域的跟緊、比肩、超越奠定技術(shù)基礎(chǔ)。