高琪 王磊 顧懿

摘 要：火箭測(cè)試在航天工程中發(fā)揮著重要的作用，對(duì)于火箭快速測(cè)試技術(shù)加以研究，評(píng)價(jià)其飛行時(shí)序與控制功能等，明確測(cè)試技術(shù)的具體要求，測(cè)試中存在的影響因素等，有利于明確技術(shù)的發(fā)展方向，更好服務(wù)于航天工程。

關(guān)鍵詞：運(yùn)載火箭;測(cè)試技術(shù);技術(shù)分析

火箭的技術(shù)水平代表了一個(gè)國(guó)家航天工程的整體能力?；鸺焖贉y(cè)試技術(shù)蘊(yùn)含著巨大的價(jià)值，已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。分析火箭快速測(cè)試技術(shù)的相關(guān)要點(diǎn)，把握技術(shù)的發(fā)展方向，有助于推動(dòng)航天工程的發(fā)展。

1 火箭測(cè)試技術(shù)的要求

1.1需要保證高可靠性

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的運(yùn)載火箭技術(shù)處于快速發(fā)展中，產(chǎn)品也處于快速更新中，因此對(duì)火箭測(cè)試技術(shù)提出了更高的要求?；鸺郎y(cè)試技術(shù)需要結(jié)合運(yùn)載火箭的特點(diǎn)保證其可靠性。作為火箭工程的核心組成部分，測(cè)試技術(shù)包括了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)等加以融合的產(chǎn)物?；诟呔葧r(shí)空信息的測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地向控制器發(fā)出定位與姿態(tài)信息，控制器依據(jù)GNSS定位確定的坐標(biāo)、INS姿態(tài)與車輪的定位來(lái)控制火箭姿態(tài)。

1.2需要保證低成本

采用低成本的火箭測(cè)試技術(shù)是全球研發(fā)的主流趨勢(shì)。系統(tǒng)選擇合適的低成本IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元）器件，結(jié)合GNSS速度信息，確定最終的高精度位置與姿態(tài)信息，即符合當(dāng)下組合航天領(lǐng)域的主流趨勢(shì)，又拓展了系統(tǒng)的定位手段。

2 火箭快速測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)

2.1高精度時(shí)空網(wǎng)的建立

在具體的應(yīng)用中，組網(wǎng)方式多種，比如可選擇無(wú)中心分布式，將傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)變?yōu)楸馄交哪Ｊ?，以滿足海域內(nèi)通信的需要。系統(tǒng)內(nèi)不節(jié)點(diǎn)的傳輸方式也可以靈活配置，也可以選擇任一節(jié)點(diǎn)作基準(zhǔn)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)的通信。因此通信保障方案可以更加靈活。在數(shù)據(jù)的支持上，各節(jié)點(diǎn)處于對(duì)等的。不同節(jié)點(diǎn)可以與周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)生鏈接，結(jié)合路由信息選擇鏈路進(jìn)行傳輸。相鄰節(jié)點(diǎn)彼此間可以通信，以動(dòng)態(tài)化的路由協(xié)議作為基礎(chǔ)，可以結(jié)合實(shí)際選擇不同節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)定為中轉(zhuǎn)站，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信號(hào)的覆蓋效果。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化由于有了協(xié)議的支持，可以適應(yīng)火箭舶移動(dòng)通信的需求。組網(wǎng)方式保證網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，任何節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障都不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)。在通信傳輸時(shí)，調(diào)制方式可依據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)加以調(diào)整。在條件具備時(shí)，接收信號(hào)可以達(dá)到要求時(shí)，調(diào)制的編碼方式為高階，如16QAM3/4，借助高效的編碼方式保證了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰捎诟邘挊I(yè)務(wù)的應(yīng)用，大量數(shù)據(jù)傳輸可以快速實(shí)現(xiàn); 信號(hào)較弱條件下，調(diào)制采用低階，如選擇BPSK1/2，傳輸帶寬可以保證語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。系統(tǒng)可以采用TOD的同步與跳同步，保證了同步的無(wú)時(shí)差。在組網(wǎng)后，任意選擇可以建立群首模式。 群首采和分布式的“全網(wǎng)時(shí)間基準(zhǔn)”，這種方式可以保證時(shí)間等級(jí)最高。對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)，時(shí)間等級(jí)隨著距離跳數(shù)的增加會(huì)發(fā)生降低。節(jié)點(diǎn)可以周期對(duì)特定區(qū)域廣播，組網(wǎng)后時(shí)間基準(zhǔn)與響應(yīng)范圍得以延續(xù)。如果沒有入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)獲取鄰近節(jié)點(diǎn)的信息，會(huì)自動(dòng)與已入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)完成TOD信息同步，還可以自動(dòng)更新TOD與RTC，依據(jù)新的TOD信息可以實(shí)現(xiàn)跳頻序列，這種方式中以保證網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間隨時(shí)同步，并且可以同步映射于網(wǎng)絡(luò)中。更高等級(jí)的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)后，節(jié)點(diǎn)時(shí)間可以自動(dòng)周期更新。

2.2控制算法

本系統(tǒng)的主要部件包括導(dǎo)航控制器、通訊模塊、液壓傳感器、液壓控制器和導(dǎo)航光靶等。系統(tǒng)的工作原理為：首先在導(dǎo)航光靶上設(shè)定行走線，設(shè)置導(dǎo)航模式（直線或者曲線），通過北斗/GNSS/慣導(dǎo)INS組合系統(tǒng)實(shí)時(shí)向控制器發(fā)送精確的定位信息和姿態(tài)信息。當(dāng)控制器收到信息后，方向傳感器實(shí)時(shí)向控制器發(fā)送車輪的運(yùn)動(dòng)方向;控制器根據(jù)GNSS定位的坐標(biāo)、INS姿態(tài)信息及車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，實(shí)時(shí)向液壓控制閥發(fā)送指令，通過控制轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)液壓油的流量和流向，控制火箭的行駛方向，確保火箭按照導(dǎo)航光靶設(shè)定的路線行駛。在研究過程中，將確定各子系統(tǒng)之間的參數(shù)配置與接口、數(shù)據(jù)流程以及格式、協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)，以及各子系統(tǒng)的具體工作任務(wù)與指標(biāo)分配?？刂扑惴ㄊ菍?shí)現(xiàn)火箭測(cè)試的核心技術(shù)，主要包括火箭轉(zhuǎn)向操縱控制和路徑跟蹤控制兩部分內(nèi)容?；鸺谧詣?dòng)行進(jìn)過程中，通過傳感器實(shí)時(shí)獲取火箭各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將火箭的實(shí)際位置和航向信息與預(yù)定義的路徑比較，計(jì)算橫向偏差和航向偏差;決策控制器以橫向偏差和航向偏差信號(hào)作為輸入，通過內(nèi)置的控制算法計(jì)算出預(yù)期轉(zhuǎn)角并傳輸?shù)较挛粰C(jī);下位機(jī)控制器控制火箭轉(zhuǎn)角，以減小橫向偏差和航向偏差。

2.3高精度低成本GNSS/INS組合導(dǎo)航定位技術(shù)

在整個(gè)GNSS/INS組合火箭自動(dòng)行進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，組合導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵主體之一，因此其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的成功與否。由于INS具有完全自主、機(jī)動(dòng)靈活，可以提供多種模式下導(dǎo)航。當(dāng)前INS可以廣泛應(yīng)用于多個(gè)不同的領(lǐng)域，但是INS的應(yīng)用要考慮到誤差的影響。誤差隨時(shí)間的積累，會(huì)不斷增大，這是應(yīng)用INS要解決的難點(diǎn)問題?；鸺窂礁櫩刂品椒ㄓ卸喾N，如線性模型、最優(yōu)控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、純追蹤模型等。線性模型體現(xiàn)出算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且易于優(yōu)化控制參數(shù)，但是它的缺陷難以及時(shí)消除穩(wěn)態(tài)誤差;PID控制是最為常見的控制方法，體現(xiàn)出算法簡(jiǎn)單、魯棒性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)態(tài)誤差易于消除，但是缺陷是控制參數(shù)難以優(yōu)化;最優(yōu)控制方法可以直接獲得較優(yōu)控制參數(shù)，但是是應(yīng)用中要結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)模型參數(shù)加以優(yōu)化，以保證曲線跟蹤的適應(yīng)性;模糊控制對(duì)于被控對(duì)象不需要模型參數(shù)的高速，體現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性，但是跟蹤誤差較大，快速修正難以實(shí)現(xiàn);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性運(yùn)動(dòng)條件下體現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，但是它的應(yīng)用需要基于高質(zhì)量的訓(xùn)練，要有驗(yàn)證樣本對(duì)比支持，因此泛化能力較弱。純追蹤模型基于幾何的角度加以推導(dǎo)，前視距離的選擇會(huì)對(duì)控制精度產(chǎn)生影響。

3 火箭測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在當(dāng)前火箭快速測(cè)試技術(shù)的發(fā)展中，研究方向集中于開放式與分布式，在繼承現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，降低測(cè)試成本成為新一代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。隨著信息技術(shù)，三維圖紙?jiān)诤娇疹I(lǐng)域得以應(yīng)用，異地通信指揮得以實(shí)現(xiàn)。信息的集中化可以克服空間距離，實(shí)現(xiàn)各類資源的共享。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，火箭測(cè)試更應(yīng)用到更多的數(shù)據(jù)測(cè)試方法，有利于提升火箭測(cè)試的安全性能和技術(shù)穩(wěn)定性。未來(lái)火箭測(cè)試將會(huì)向信息化數(shù)控的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也將為火箭測(cè)試技術(shù)實(shí)施分布式遠(yuǎn)程故障診斷提供及時(shí)智能診斷系統(tǒng)，有利于降低故障的發(fā)生率。網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程故障診斷會(huì)成為火箭測(cè)試技術(shù)的重要趨勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)：

隨著運(yùn)載火箭的發(fā)展，測(cè)試技術(shù)需要保證高性能、高質(zhì)量、可靠性。在測(cè)試技術(shù)的研發(fā)中，縮短測(cè)試周期，降低成本，提升設(shè)施的性能是關(guān)鍵。針對(duì)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)問題的解決還需要火箭設(shè)計(jì)部門、制造部門、靶場(chǎng)人員的共同配合，統(tǒng)籌并進(jìn)，不斷提升火箭測(cè)試技術(shù)的發(fā)展水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐大富，張哲，吳克，李紅兵，林劍鋒，張曉東，郭筱曦.垂直起降重復(fù)使用運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2016，（32）：3453 ～ 3463.

[2]宋征宇.新一代運(yùn)載火箭的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)快速測(cè)試技術(shù)[J].宇航學(xué)報(bào)，2015，（12）：1435 ～1443.

[3]王秀芝，周華，樊玉婷，甄曉改，劉創(chuàng).新一代運(yùn)載火箭測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2014，（08）：90 ～ 92，107.

[4]胡浩.運(yùn)載火箭轉(zhuǎn)級(jí)控制器軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海交通大學(xué)，2013.

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）