馬衛(wèi)華

北京航天自動控制研究所，北京100854

在新型高超聲速飛行器研制中，對制導與控制方案做出迅速、合理的評價是一項重要工作［1］。影響高超聲速飛行器制導與控制系統(tǒng)性能的因素種類繁多，為了對實際制導與控制性能有較全面的認識，使其滿足工程研制需要，需對其做出評估與鑒定。

通過制導與控制系統(tǒng)性能評估，一方面可以評估各種制導與姿態(tài)控制方法的優(yōu)劣，通過定量測試找出多種制導控制方案的優(yōu)缺點并分析其原因，從而改進和提高;更重要的是在對高超聲速飛行器實際性能認識較少的情況下，通過綜合評估來確定最適合該類飛行器及飛行任務(wù)的制導與控制方案，或通過對多種方案進行科學整合得到滿足任務(wù)需求的優(yōu)化方案。

國外在第二代可重復(fù)使用運載器(RLV)、成員探測飛行器(CEV)等研制過程中廣泛采用評估手段來考核其制導性能［2］。在定性評估的基礎(chǔ)上采用定量評估方法，從需求定位、飛行任務(wù)、蒙特卡洛試驗、評估指標體系、計分方法等方面考慮，最終以計分或圖示的形式給出性能測評結(jié)果［3－4］。通過對多種制導方法性能的評估，對最終方案的確定及制導性能的改進提供了重要依據(jù)。

本文基于高超聲速飛行器的特點，首先對其制導與控制性能進行定性評估，在此基礎(chǔ)上建立了制導與姿態(tài)控制性能評估指標體系，基于層次分析思想進行指標權(quán)重的分配，提出了一套適用于高超聲速飛行器的制導與控制性能評估方法，并給出了制導與姿態(tài)控制性能評估驗證系統(tǒng)的框架，為后續(xù)高超聲速飛行器制導與控制性能評估提供了重要參考依據(jù)。

1 制導與控制系統(tǒng)性能定性分析

制導控制性能評估首先是建立在對評測制導與姿態(tài)控制系統(tǒng)深入理解的基礎(chǔ)上，評估工作是定性分析和定量評分2種評估方式的有機結(jié)合。定性分析是定量評估工作的基礎(chǔ)，從總體上把握制導與控制方案的基本情況，相關(guān)定性評估結(jié)論可用于指導定量評估工作。定量計算反映制導與姿態(tài)控制各項性能的指標，找出被測制導與姿態(tài)控制方案在各個方面存在的問題與優(yōu)勢。通過定性與定量的評估工作，整合各個方案的優(yōu)點得到適合飛行器研制任務(wù)需求的制導與控制方案。

1.1 測試任務(wù)設(shè)計

飛行器任務(wù)設(shè)計是制導控制性能評估工作的重要一步，在進行任務(wù)設(shè)計之前，首先應(yīng)對該型飛行器進行任務(wù)需求分析，進而明確對制導與姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計的需求以及需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，評估工作只有以科學合理的飛行任務(wù)作為評估測試條件，才能真正得到滿足任務(wù)需求的確定方案。例如，對于可重復(fù)使用運載器，其高可靠性/安全性和運行成本是其考慮的2個主要需求，因此在性能評估測試時，根據(jù)任務(wù)需求，可設(shè)計正常飛行任務(wù)、異常飛行任務(wù)如火箭發(fā)動機故障、推力散布、姿控能力下降、建模誤差等情況［5］。

綜上分析，在設(shè)計飛行任務(wù)之前要明確該飛行器對制導與控制的任務(wù)需求以及為了滿足這個需求需要具有的關(guān)鍵技術(shù)。只有這2個問題真正明確了，評估中的飛行任務(wù)設(shè)計才會有針對性，才能體現(xiàn)出性能評估在此類飛行器研制中的真正價值。

1.2 制導與控制關(guān)鍵性能及需考慮的因素

制導與姿態(tài)控制關(guān)鍵性能是評估指標體系制定的依據(jù)。制導與控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該是對這些性能進行優(yōu)化折中，軌跡質(zhì)量是制導控制性能的外在表現(xiàn)，制導控制關(guān)鍵性能指標除再入軌跡相關(guān)的性能外，還包括像模型自適應(yīng)能力、系統(tǒng)裕度等方面的內(nèi)在性能，制導與控制關(guān)鍵性能有到達指定目標點的精確度、滿足約束情況、對干擾、不確定性的裕度和敏感性、任務(wù)適應(yīng)性、匹配導航系統(tǒng)能力、制導與姿控系統(tǒng)匹配性、算法復(fù)雜性等。

評估制導與姿態(tài)控制性能，就需要找出影響其性能的重要因素，并將這些影響因素進行系統(tǒng)建模，在進行評估時將這些因素科學地加入到評測仿真中［6］。影響制導控制性能的因素主要有飛行器氣動模型、環(huán)境模型、導航設(shè)備輸出的速度/位置信息、飛行器質(zhì)量特性、控制能力等［7］。

2 評價指標體系的構(gòu)建

無論任何評估方法，最終都是通過對性能指標進行評價來實現(xiàn)［8］。指標體系一般覆蓋系統(tǒng)性能評估需重點關(guān)注的多個方面，對控制系統(tǒng)而言包括精確性、魯棒性、動態(tài)品質(zhì)等，以逐級分解的形式構(gòu)成了指標體系的樹狀結(jié)構(gòu)，并可通過設(shè)置權(quán)重系數(shù)的方式來體現(xiàn)不同指標的重要程度。對于底層指標，可直接由仿真結(jié)果進行評價;對于非底層指標，則由其下級指標進行加權(quán)綜合評價。圖1給出了指標體系分解示意圖。

圖1 指標體系分解示意圖

2.1 制導性能評估指標體系

制導性能的評估是一個典型的多目標決策問題，其根本是對制導系統(tǒng)的性能進行客觀評價。制導性能可分為靜態(tài)性能和動態(tài)性能2個方面。

(1)靜態(tài)性能

靜態(tài)性能主要體現(xiàn)對飛行器總體技術(shù)指標的滿足情況，具體體現(xiàn)在物理約束、特定戰(zhàn)技指標的滿足程度。其中:物理約束主要包括駐點熱流、動壓及過載等過程約束;戰(zhàn)技指標:如縱程、橫向機動能力、終端高度、終端速度、終端彈道傾角、終端彈道偏角等。

(2)動態(tài)性能

制導的任務(wù)是將滑翔飛行器準確地從再入點導引到指定的目標狀態(tài)，為減小姿態(tài)控制系統(tǒng)負擔，制導系統(tǒng)生成的制導指令必須易于實現(xiàn)，這類要求稱為動態(tài)性能。動態(tài)性能包括制導方法的可實現(xiàn)性、適應(yīng)性?？蓪崿F(xiàn)性主要是衡量制導方法的計算量是否滿足彈載計算機的計算要求。適應(yīng)性主要是反映制導方法對一些參數(shù)偏差擾動等的魯棒性，如級間分離參數(shù)波動、關(guān)機點參數(shù)波動，初始條件偏差等。圖2給出了高超聲速飛行器制導性能評價指標體系。

圖2 制導性能評價指標體系

從圖2可以看出，制導性能評價指標體系分為過程約束指標、控制約束指標、終端約束、工程可實現(xiàn)性、方法適應(yīng)性等頂層指標，各頂層指標又可細分為若干底層性能指標，而底層性能指標為性能評價的直觀表現(xiàn)形式。

2.2 姿態(tài)控制性能評估指標體系

對于姿態(tài)控制而言，其性能指標一般從動態(tài)品質(zhì)、參數(shù)攝動適應(yīng)性、外界干擾適應(yīng)性和工程實現(xiàn)性4個方面來考慮，而每一方面又涉及到若干具體指標。

動態(tài)品質(zhì)指標:考察姿態(tài)控制系統(tǒng)跟蹤或保持給定姿態(tài)指令的品質(zhì)，除各通道控制系統(tǒng)的精確性、快速性和平穩(wěn)性指標外，還需考查姿控系統(tǒng)對于通道間耦合效應(yīng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)抑制能力。

參數(shù)攝動適應(yīng)性和外界干擾適應(yīng)性分別考察姿態(tài)控制系統(tǒng)對于飛行器自身參數(shù)攝動、外部干擾因素的適應(yīng)能力，并進行量化評估。

工程實現(xiàn)性驗證所研究的理論和方法是否適用于工程實際，重點關(guān)注控制律的計算耗時。

圖3給出了姿控評價指標體系，可以看出，對于任意底層指標而言，又有具體的考核方式，如準確性主要通過非零初值下回零的穩(wěn)態(tài)值來考核，而滾動到側(cè)滑動態(tài)交聯(lián)的抑制能力主要通過傾側(cè)角階躍指令下側(cè)滑角瞬態(tài)最大增量來考核。

3 性能評估方法及實現(xiàn)

對系統(tǒng)進行性能評價是一個多目標決策的過程，常用專家評分法、分層分析(AHP)法、模糊綜合法等進行評價，這些方法采用定性與定量相結(jié)合的方式，其評價結(jié)果具有一定的權(quán)威性。在性能評估的初期階段，可采取專家查看仿真結(jié)果的評估手段，該評估手段雖然非常有效，但需占用大量時間來評估各類不同算法的仿真結(jié)果，且評估結(jié)論帶有一定主觀性。為了使評估結(jié)果更加高效、客觀，可將整個算法評估過程自動化并量化每一個評估指標，最終完成評估任務(wù)。

3.1 評估模型的建立

首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)性能指標體系，建立相應(yīng)的綜合評判模型。

基于層次分析法的思想，對影響系統(tǒng)性能的各考核指標按層次進行描述，以兩級性能指標為例，建立性能評價的二級評價因素集

圖3 姿態(tài)控制性能評價指標體系

其中:ni為Si中評價指標的個數(shù)。

對于任意Si中元素的計算采用計分原則，通過預(yù)先設(shè)定一定的比較邏輯關(guān)系將實際指標值與總體考核值進行比較，得到實際情況下各因素對應(yīng)的分值Vini用以表示每項指標的滿足程度。對應(yīng)底層指標的評語集可表示為:

3.2 性能評估指標的加權(quán)預(yù)處理

確定S和Si中每個因素在綜合評估過程中的重要程度，設(shè)S中每個因素相對S的權(quán)重集為:

對應(yīng)Si中每個因素組成的權(quán)重集:

權(quán)重選擇直接反映各項指標對上一級指標的影響程度，指標權(quán)重的設(shè)計往往依靠專家的經(jīng)驗進行主觀評定，從而不可避免地產(chǎn)生了主觀性和不確定性，很難對系統(tǒng)性能進行全面、合理的綜合評價［9］。可行的思路是基于層次分析法、專家調(diào)查法等相結(jié)合進行指標權(quán)重的計算，可有效防止單一主觀賦權(quán)方法所得權(quán)重重要程度排序與實際情況不符的缺點，使得到的指標權(quán)重更加可信［10］。

3.3 性能的綜合評價

基于所建立的綜合評判模型和權(quán)重矩陣，可以得到對應(yīng)不同級別評價指標的評價結(jié)果。對于任意Ui各因素的評價結(jié)果:

對應(yīng)U的各因素的評價結(jié)果為:

最終得到的評價結(jié)果以分值的形式來描述，使評價結(jié)果更為客觀，符合人們的認知過程，且實際操作過程易于實現(xiàn)。

4 制導與控制性能評估

4.1 制導與控制定量評估方法

基于高超聲速飛行器對制導控制任務(wù)需求的分析，從評估的角度將其分為若干個任務(wù)狀態(tài)。對于可重復(fù)使用運載器來說，可分為正常飛行任務(wù)和可靠性/安全測試任務(wù)。正常飛行任務(wù)可分為亞軌道標稱任務(wù)和在軌返回任務(wù);可靠性/安全測試任務(wù)又可分為火箭發(fā)動機故障飛行任務(wù)、發(fā)動機推力散布飛行任務(wù)、姿態(tài)控制性能下降飛行任務(wù)、氣動建模誤差飛行任務(wù)等。而對應(yīng)每一種任務(wù)又可根據(jù)不同的測試條件分為若干子任務(wù)。在各個子任務(wù)測試過程中，需考慮氣動偏差、大氣密度偏差、風干擾、質(zhì)量特性、導航誤差、推進劑晃動等各種隨機擾動與不確定性的影響，通過蒙特卡洛仿真來確定每項性能指標的滿足情況。對于蒙特卡洛散布測試，每一項指標的得分都應(yīng)是該次測試的平均值。

制導與控制性能評估計分采用由下到上的順序，具體步驟可分為4步:

1)計算飛行任務(wù)所對應(yīng)的每一個性能指標得分。在根據(jù)每一類指標的具體計算方法得到指標性能后，該指標性能的計分方式如圖4所示，當單項指標對應(yīng)在 A點橫坐標左邊時，該項指標得分為100。當單項指標在B點橫坐標右邊時，該項指標得分為0。對于處于A，B兩點之間的單項指標值，通過A，B兩點確定的線性函數(shù)完成評分。需要指出的是，對于每一個指標，圖中A，B兩點坐標的確定需要綜合考慮飛行器自身能力、交接班需求等。

圖4 單項指標性能計分方式

2)計算每一個子飛行任務(wù)所對應(yīng)的得分。計分方式采用各個單項指標得分的加權(quán)和。

其中，w指標1，w指標2，…，w指標n分別為指標S指標i對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

3)計算每一類飛行任務(wù)所對應(yīng)的得分。以規(guī)定蒙特卡洛散布下試驗飛行任務(wù)為例，有如下計分公式:

其中，w子任務(wù)1，w子任務(wù)2，…，w子任務(wù)n分別為子任務(wù)S子任務(wù)i對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

4)將各類任務(wù)相加得到制導與控制性能總分:

其中，w類任務(wù)1，w類任務(wù)2，…，w類任務(wù)n分別為類任務(wù)S類任務(wù)i對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

前面論述的制導與姿態(tài)控制評價指標體系是通用的，但針對飛行器不同的飛行段或所要完成的任務(wù)，各性能指標的選取及所占有的比重不同。因此需以飛行任務(wù)需求為出發(fā)點，從制導與控制性能指標體系中選擇合適的指標組成每一飛行任務(wù)對應(yīng)的任務(wù)指標體系，并相應(yīng)的進行權(quán)重分配。例如對于高超聲速飛行器的中制導段，該段既要滿足該段飛行的過程約束條件，又要為下一段提供良好的初始條件，即對終端條件提出一定的要求，同時對初始偏差具有一定的魯棒性。因此，性能指標的確定需綜合考慮多種因素的影響。

4.2 性能評估總體框架

高超聲速飛行器不同于以往飛行器，對其制導與姿態(tài)控制方案直接進行評估是非常困難的，需要從理論與仿真兩方面對方法本身進行深入的分析。性能綜合評估主要包括2個部分:一是需考慮其自身特點選取合理的評價指標，建立一個完整的評價體系;二是評估方法與算法。為實現(xiàn)高超聲速飛行器制導與控制性能評估驗證，構(gòu)建仿真驗證系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，需搭建高保真度的高超聲速飛行器制導控制性能評估驗證平臺，圖5給出了高超聲速飛行器制導控制性能評估平臺的總體框架。

該平臺涵蓋彈道設(shè)計、制導與控制策略驗證、三/六自由度仿真驗證、模擬打靶、測試算例自動生成等功能，通過自動進行單偏差或蒙特卡洛仿真，能夠自動進行試驗數(shù)據(jù)的存儲、統(tǒng)計和分析。通過對實時仿真結(jié)果進行在線判讀，進行異常提示、處理，集成仿真驗證評價標準，完成多個制導姿控方案的驗證、比較及優(yōu)化。該平臺可以為各種制導與姿態(tài)控制理論及方法的有效性和可行性提供驗證，為高超聲速飛行器制導姿控方案設(shè)計提供重要的依據(jù)。

5 結(jié)束語

在探討高超聲速飛行器制導與姿控可能的性能指標與約束要求的基礎(chǔ)上，建立了較為完整的制導與姿控性能評價指標體系?；趯哟畏治龅乃枷?，提出了一套簡單可行的高超聲速飛行器制導與控制性能評估方法，構(gòu)建了性能評估平臺總體框架，為后續(xù)高超聲速飛行器制導與控制方法的評估提供了重要的方法與工具。通過對高超聲速飛行器制導與姿控方法進行性能評估，可以為高超聲速飛行器工程設(shè)計提供指導性建議和決策依據(jù)，從而能夠確保所采用的制導與姿態(tài)控制方案及所采用的設(shè)計方法能夠充分發(fā)揮高超聲速飛行器的性能。

圖5 制導控制性能評估平臺總體框架

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