楊玖文，谷鵬沖，陳 軍，王競克，閆 河

（中國人民解放軍63729 部隊(duì)，太原，030027）

0 引言

在火箭飛行過程中，需要依靠龐大的地面冗余測量與控制系統(tǒng)進(jìn)行飛行安全控制，以確保飛行異常情況下地面目標(biāo)的安全。但地面系統(tǒng)的參與不利于火箭的快速發(fā)射且存在許多缺點(diǎn)。通過地面無線安控系統(tǒng)發(fā)展而來的自主安控系統(tǒng)，在沒有地面測控系統(tǒng)參與的前提下，依靠箭載的自主安全裝置來獲取精度高、實(shí)時(shí)性好的遙外測判決信息源，對于安全管道的設(shè)置更精準(zhǔn)，確保對地面目標(biāo)進(jìn)行有效保護(hù)。克服了地面無線安控系統(tǒng)參與時(shí)準(zhǔn)備周期長、限制條件多的缺點(diǎn)，有效提高發(fā)射場的發(fā)射速度和頻次，提升發(fā)射能力。

美國SpaceX 公司依靠自主安控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新型自主飛行安全系統(tǒng)（Autonomous Flight Safety System，AFSS）在獵鷹9 號全推力運(yùn)載火箭上的應(yīng)用，取代了地面飛行控制人員和設(shè)備，其具有箭載定位、導(dǎo)航、定時(shí)源和自主安全決策邏輯［1］，有效實(shí)現(xiàn)高頻次的航天發(fā)射。美國國防部計(jì)劃從2025 年開始強(qiáng)制要求所有航天發(fā)射系統(tǒng)安裝自主安控系統(tǒng)。近年來，中國部分海上發(fā)射運(yùn)載火箭型號也實(shí)現(xiàn)了自主安控技術(shù)的初步應(yīng)用。

1 航天發(fā)射安全控制系統(tǒng)的作用及組成

航天發(fā)射具有探索性、先進(jìn)性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，一枚運(yùn)載火箭內(nèi)有數(shù)萬枚甚至數(shù)十萬枚元器件，任何一個(gè)核心元器件工作異常都可能導(dǎo)致發(fā)射失利。由于箭體貯箱中攜帶有數(shù)百噸的高能燃料和助燃劑，一旦發(fā)生故障墜落地面，可能導(dǎo)致燃料爆轟和有毒氣體擴(kuò)散，危及周邊安全。因此，在運(yùn)載火箭發(fā)生嚴(yán)重故障或超出允許飛行區(qū)域時(shí)，務(wù)必及時(shí)采取安全控制措施，使故障箭在空中受控炸毀或解體，實(shí)施火箭飛行安全控制措施的系統(tǒng)被稱為飛行安全控制系統(tǒng)（簡稱安控系統(tǒng)）。

為確保發(fā)射任務(wù)安全可靠，一般運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)設(shè)置兩套安控系統(tǒng)，一套為箭上安全自毀系統(tǒng)，一套為地面安控系統(tǒng)。一般采用箭上自毀和地面遙控炸毀相結(jié)合的方式，共同執(zhí)行飛行過程中的安全控制任務(wù)。兩套系統(tǒng)的工作流程均為判斷故障、發(fā)出指令、使火箭在空中自毀，由測量判斷、控制及執(zhí)行3個(gè)部分組成。由于所處的空間位置、安控判決信息來源、安控判決規(guī)則等差異，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 箭上安全自毀系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

箭上安全自毀系統(tǒng)以慣性器件作為主要測量工具，一般在慣性平臺上安裝極限姿態(tài)角的觸點(diǎn)，用于判斷火箭的飛行姿態(tài)是否失穩(wěn)。對于故障箭自毀，主要是炸毀各級發(fā)動機(jī)及貯箱，當(dāng)收到自毀指令后，各級發(fā)動機(jī)同時(shí)自毀。自毀過程分兩步進(jìn)行，先發(fā)送解保信號，延遲一定時(shí)間后再發(fā)送引爆信號。箭上安全自毀根據(jù)設(shè)計(jì)好的安全自毀方案進(jìn)行，目前主要的自毀方案為姿態(tài)失穩(wěn)自毀。

姿態(tài)失穩(wěn)自毀安控方式的優(yōu)點(diǎn)是測量設(shè)備［2］與控制系統(tǒng)共用，箭載設(shè)備少，在火箭飛行中與地面無關(guān)，系統(tǒng)簡單可靠；缺點(diǎn)是無法測定箭上的位置漂移，不能實(shí)時(shí)選擇自毀時(shí)間與殘骸落點(diǎn)。

1.2 地面無線安控系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

超出安全管道飛行的火箭，可能墜落到人口密集區(qū)或重要設(shè)施設(shè)備、建筑物區(qū)域，造成極大危害。上述姿態(tài)安控方式不能判斷的故障可以通過地面無線安控系統(tǒng)進(jìn)行判斷。地面無線安控系統(tǒng)是發(fā)射場測量控制系統(tǒng)的重要組成部分，由安控信息源（外彈道測量設(shè)備、遙測設(shè)備）、實(shí)時(shí)處理、監(jiān)視顯示、輔助決策和無線電遙控等系統(tǒng)組成，在箭上安控指令接收機(jī)、炸毀執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合下，完成安全控制任務(wù)［3］。地面無線安控系統(tǒng)利用外測、遙測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判決，當(dāng)運(yùn)載火箭飛行時(shí)，測量信息送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算后送安控信息顯示及輔助決策系統(tǒng)，根據(jù)飛行軌跡和判決準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算機(jī)與人工判決，地面無線安控系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 地面無線安控系統(tǒng)組成示意Fig.1 Compositon of ground security control system

地面無線安控系統(tǒng)主要是通過判斷火箭是否超出預(yù)定的“位置、速度、預(yù)示落點(diǎn)安全管道”來進(jìn)行故障判斷的，其優(yōu)點(diǎn)是測量體制和策略方法完善，測量設(shè)備眾多，安控判決信息源冗余度高，可以人工控制，有選擇炸毀時(shí)間和殘骸落點(diǎn)的適應(yīng)能力，但這種方式也存在以下缺陷：

a）造價(jià)和人力成本高；

b）易受干擾和破壞；

c）遙控操作存在較大的時(shí)延誤差，預(yù)示落點(diǎn)的選取存在一定偏差。

d）地面人員判斷決策困難，對地面安控指揮員的能力水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)要求較高。

綜上所述，地面無線安控系統(tǒng)在進(jìn)行故障判斷時(shí)，受主觀和客觀條件的影響，判斷困難。而當(dāng)火箭超出“安全管道”時(shí)，僅通過原來的姿態(tài)安控系統(tǒng)無法判斷。因此將地面無線安控系統(tǒng)的“安全管道”判別模式通過火箭的安全程序控制器來完成就變?yōu)橐环N新的解決路徑，這樣既解決了對自主安控系統(tǒng)不能判別的故障進(jìn)行判斷的問題，又克服了地面無線安控系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

2 自主安控系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)

隨著高頻次航天發(fā)射需求的增加，為了克服地面無線安控的缺點(diǎn)，同時(shí)確保箭上對地面目標(biāo)的保護(hù)能力，近年來發(fā)展出了箭上自主安控技術(shù)，作為一種新型的飛行安全技術(shù)和控制模式，逐步應(yīng)用在新的運(yùn)載火箭上。

自主安控技術(shù)將原有地面無線安控系統(tǒng)所具備的功能和安控模式遷移到了箭載單元上，減少了火箭飛行對各類地面測控設(shè)備的依賴，從而為多任務(wù)并行發(fā)射和跟蹤提供了可能性。同時(shí)，自主安控系統(tǒng)也是確保火箭助推器回收安全性的必要條件。

將“安全管道”判別轉(zhuǎn)移到箭上需要知道實(shí)時(shí)飛行參數(shù)，包括三維位置、三維速度和時(shí)間。此外，箭上還需具備一定計(jì)算能力，完成火箭預(yù)示落點(diǎn)的計(jì)算和安控信息的判決。就目前的箭上設(shè)備而言，只有控制系統(tǒng)才能提供這些飛行參數(shù)［4］，但是如果箭上安控系統(tǒng)通過接收控制系統(tǒng)的信號來進(jìn)行故障判別，就違背了安控系統(tǒng)獨(dú)立、當(dāng)火箭上的其他系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍能可靠工作的設(shè)計(jì)原則。因此，需要在箭上部署具備以下功能的一套子系統(tǒng)：

a）系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，且具有冗余設(shè)計(jì)；

b）具備高精度的定時(shí)和三維導(dǎo)航、定位能力，可以輸出可靠的時(shí)間信息、三維位置和速度信息，同時(shí)，可將自身位置、速度信息與慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置、速度信息進(jìn)行互校準(zhǔn)和融合處理；

c）具備自身運(yùn)行狀態(tài)的健康診斷能力，可實(shí)現(xiàn)部分系統(tǒng)工作異常情況下的應(yīng)急處置；

d）具備一定的信息處理能力，能夠根據(jù)獲取的火箭遙測參數(shù)和三維位置、速度信息，進(jìn)行自主的安控故障判決，實(shí)現(xiàn)飛行異常情況下的自主安控判決和實(shí)施。

由以上功能總結(jié)出自主安控系統(tǒng)的定義：自主安控系統(tǒng)是一套安裝于運(yùn)載火箭上的獨(dú)立的、要素齊全的、軟硬件結(jié)合的安全控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在沒有地面設(shè)備和人員參與的情況下，根據(jù)火箭飛行情況，自主作出火箭飛行是否需要終止或執(zhí)行其它安全決策的判決，并自動執(zhí)行終止或限制火箭飛行的動作，實(shí)現(xiàn)對火箭飛行安全的自主控制。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，為自主安控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了必要條件。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)不僅具有全球性、全天候、連續(xù)的精密三維導(dǎo)航與定位能力，而且具有良好的抗干擾性和保密性。通過在火箭上裝載GNSS接收機(jī)，箭上安控系統(tǒng)就可以通過接收機(jī)測得的火箭實(shí)時(shí)飛行參數(shù)來進(jìn)行“安全管道”的判別，這樣既符合安控系統(tǒng)獨(dú)立性的設(shè)計(jì)要求，又可以利用接收機(jī)輸出信號精度高的特點(diǎn)來提高安控系統(tǒng)故障判斷的可靠性。因此，GNSS 接收機(jī)在火箭上的應(yīng)用對于完善安控系統(tǒng)的功能是必需的，這也是進(jìn)行新型安控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步微型化且處理能力大幅提升。信息技術(shù)自動化、智能化技術(shù)迅速發(fā)展，這為遙外測信息安全控制判決計(jì)算轉(zhuǎn)移到箭上提供了計(jì)算能力和計(jì)算可靠性的保障。

3 通用自主安控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自主安控系統(tǒng)的最終目標(biāo)是在沒有地面設(shè)備保障的飛行航線上，確保航天發(fā)射的地面安全，通過減少航路上的跟蹤測量設(shè)備和通信設(shè)備來降低成本、提高發(fā)射效率；通過縮短飛行終止判決的反應(yīng)時(shí)間來提高地面的安全性。同時(shí)，由于其能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的位置和姿態(tài)測量，也被應(yīng)用于可重復(fù)使用助推器的回收。

中國部分運(yùn)載火箭已實(shí)現(xiàn)了自主安控系統(tǒng)的飛行應(yīng)用，取得了較好的效果，但自主安控系統(tǒng)大多根據(jù)任務(wù)飛行航路及箭上系統(tǒng)自身特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，為專用的自主安控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)可定制的、可以在任何發(fā)射范圍內(nèi)支持各種運(yùn)載火箭的通用自主安控系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行安全性、可靠性認(rèn)證，更有利于開展對運(yùn)載火箭發(fā)射的安全認(rèn)證工作，降低發(fā)射成本。其中，根據(jù)飛行航路定制的自主安控策略是由安控專家根據(jù)現(xiàn)有的地面安控策略借鑒而來，是通用自主安控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

3.1 自主安控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自主安控系統(tǒng)的目的是取代飛行安全控制中的人為因素，同時(shí)減少對地面復(fù)雜、昂貴測量控制和通信設(shè)備的依賴。系統(tǒng)包含冗余導(dǎo)航敏感裝置、慣性測量裝置和提供高可靠平臺的冗余計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過冗余設(shè)計(jì)確保在飛行過程中，當(dāng)某個(gè)單節(jié)點(diǎn)的裝置或計(jì)算機(jī)故障時(shí)，能夠?qū)Ρ鞠到y(tǒng)狀態(tài)和火箭狀態(tài)進(jìn)行一定程度的健康診斷和管理，完成主、備冗余系統(tǒng)狀態(tài)切換，確保自主安控系統(tǒng)工作正常。飛行控制計(jì)算機(jī)使用依據(jù)發(fā)射場安全需求制定的基于規(guī)則的安控判決策略，從而判斷是否對火箭實(shí)施炸毀。

自主安控系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的地面人員參與的安控系統(tǒng)模式，其核心特點(diǎn)有3個(gè)：

a）處理單元、導(dǎo)航接收裝置、慣性測量裝置均實(shí)現(xiàn)了冗余備份；

b）處理單元對箭載的衛(wèi)星定位裝置和慣性測量裝置獲取的導(dǎo)航信息進(jìn)行融合處理；

c）自主安控策略依賴于任務(wù)前裝訂的可配置安全控制算法和策略。

通過對自主安控系統(tǒng)特點(diǎn)的分析，設(shè)計(jì)自主安控系統(tǒng)主要組成要素，包括自主安控信息源采集分系統(tǒng)和自主安控判決分系統(tǒng)。

a）自主安控信息源采集分系統(tǒng)。

箭上采用兩套獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和冗余慣組作為三路相互獨(dú)立的自主安控外測信息源，實(shí)現(xiàn)對火箭飛行狀態(tài)的自主綜合判斷；從箭上測量系統(tǒng)獲取遙測信息，作為健康診斷模塊信息源。

b）自主安控判決分系統(tǒng)。

自主安控判決分系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)冗余備份，其包括安全控制模塊和健康診斷模塊兩個(gè)部分。健康診斷模塊完成主備系統(tǒng)間運(yùn)行信息和健康診斷信息的互傳，以實(shí)現(xiàn)主備控制，同時(shí)該模塊向火箭控制系統(tǒng)傳輸本系統(tǒng)的健康診斷信息和自主安控執(zhí)行信息。安全控制模塊從自主安控信息源采集分系統(tǒng)獲取外測和遙測信息，依據(jù)任務(wù)前裝訂的自主安控策略，進(jìn)行自主安控判決，確定是否終止火箭飛行。

通用自主安控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 通用自主安控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of autonomous security control system

3.2 自主安控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

自主安控系統(tǒng)工作時(shí)的判決信息源包括信息濾波及融合處理后的外測信息和箭上測量系統(tǒng)獲取的遙測信息，兩者均作為自主安控判決的重要信息，遙測信息同時(shí)作為自主安控系統(tǒng)和箭上系統(tǒng)的健康診斷信息。

3.2.1 基于衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航信息的濾波融合

由于自主安控系統(tǒng)模式取消了地面系統(tǒng)對飛行安全控制的這一環(huán)路，為保證其對飛行安全控制的可靠性，發(fā)射場要求自主安控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主備冗余設(shè)計(jì)和冗余的傳感器信息輸入。傳感器裝置可以是衛(wèi)星導(dǎo)航裝置、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性測量裝置、加速度計(jì)等，或者以上相關(guān)的組合裝置。所有傳感器的測量信息均可被自主安控系統(tǒng)的主備冗余系統(tǒng)所獲取。

通過將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)可用于對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行誤差校驗(yàn)和修正，并且由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)測量誤差較小，兩者的結(jié)合使得導(dǎo)航數(shù)據(jù)的正確性高于單一敏感裝置的結(jié)果，兩者的組合系統(tǒng)解決了導(dǎo)航系統(tǒng)的常見故障問題，同時(shí)單個(gè)故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)在功能退化或降階的情況下仍能確保導(dǎo)航信息的正常輸出。

通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和卡爾曼濾波算法，以及線性誤差模型等方法，融合兩個(gè)系統(tǒng)的信息，并進(jìn)行性能仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證。組合系統(tǒng)不斷計(jì)算慣性測量裝置的誤差情況，并對慣性測量裝置輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行判斷，從而協(xié)助自主安控系統(tǒng)確定對其數(shù)據(jù)質(zhì)量的信任等級。組合信息濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在任一時(shí)刻均有導(dǎo)航位置信息和速度信息的輸出，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的失鎖不會導(dǎo)致慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的失效，也不會導(dǎo)致導(dǎo)航信息停止輸出。該系統(tǒng)會輸出飛行過程中的各類錯(cuò)誤狀態(tài)和誤差估計(jì)，從而為后續(xù)任務(wù)的各類數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)和使用提供參考依據(jù)。

3.2.2 基于遙測信息的系統(tǒng)健康診斷

通過測量系統(tǒng)獲取的遙測信息，能夠?qū)崿F(xiàn)自主安控系統(tǒng)對自身運(yùn)行狀態(tài)和火箭運(yùn)行狀態(tài)的健康診斷，自主安控系統(tǒng)中的主、備冗余系統(tǒng)均需具備獨(dú)立觸發(fā)飛行終止的能力，通過健康診斷模塊的聯(lián)系，兩者間可以互相獲取對方工作狀態(tài)的健康診斷信息，其飛行終止命令發(fā)出的判斷邏輯為［5］：

a）若主、備系統(tǒng)均工作正常，且發(fā)出了飛行終止命令，則飛行將被終止。

b）若其中一個(gè)系統(tǒng)工作異常，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)：

1）若檢測到備用系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，則不發(fā)送飛行終止命令；

2）若無法驗(yàn)證備用系統(tǒng)工作是否正常，則立刻發(fā)出飛行終止命令。

c）若主、備系統(tǒng)均工作異常，則兩者的故障將立即觸發(fā)飛行終止命令。

自主安控系統(tǒng)的健康診斷模塊對于可重復(fù)使用助推器的回收也有重要意義，其健康檢測與診斷系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)對重復(fù)使用箭體及發(fā)動機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測，從而進(jìn)一步降低發(fā)射成本。

4 自主安控策略設(shè)計(jì)

由自主安控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可知，自主安控策略是自主安控系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分，也是需要根據(jù)箭上及任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行定制的部分，自主安控策略由安控專家根據(jù)現(xiàn)有的地面安控策略借鑒而來。自主安控的策略的內(nèi)容包括：

a）自主安控的準(zhǔn)則；

b）自主安控的實(shí)施方案，包括自主安控自毀的方案和使用的遙測判決參數(shù)、外測信息源；

c）事前遙測、外測安全管道計(jì)算的參數(shù)和計(jì)算方法；

d）自主安控判決的實(shí)施方法，包括自主安控實(shí)施的判決原則、自主安控故障模式及炸毀條件。

4.1 自主安控的準(zhǔn)則

自主安控的準(zhǔn)則是自主安控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作的核心原則、目標(biāo)及前提，是所有自主安控系統(tǒng)工作均需遵守的原則。以下為自主安控準(zhǔn)則的關(guān)鍵要素：

a）箭上安全自毀完全依賴于自主安控系統(tǒng)，無地面無線安控系統(tǒng)的參與。

b）不誤炸正常箭，炸毀影響地面安全的故障火箭。

c）保護(hù)發(fā)射場設(shè)施，保護(hù)飛行航區(qū)下安全管道內(nèi)被保護(hù)目標(biāo)的安全（被保護(hù)目標(biāo)可根據(jù)任務(wù)具體航路進(jìn)一步明確），子級殘骸及故障殘骸的落區(qū)選取要符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

d）當(dāng)根據(jù)濾波融合后的外測信息源判斷出火箭故障并滿足判決條件時(shí)，實(shí)施自主安控。

e）當(dāng)外部信息源輸入不足以支持自主安控判決時(shí)，不實(shí)施自主安控。

4.2 自主安控的實(shí)施方案

姿態(tài)控制失穩(wěn)與位置控制偏離是觸發(fā)自主安控實(shí)施的主要飛行故障模式，所以自主安控的實(shí)施也主要是針對這兩種情況，故自主安控的實(shí)施方案分為姿態(tài)失穩(wěn)自毀和飛行航路偏移自毀。

a）姿態(tài)失穩(wěn)自毀。

姿態(tài)失穩(wěn)自毀是傳統(tǒng)運(yùn)載火箭具備的安控自毀模式，可以確保運(yùn)載火箭飛行中姿態(tài)出現(xiàn)異常情況時(shí)，結(jié)合測量系統(tǒng)獲取的運(yùn)載火箭俯仰或偏航姿態(tài)角偏差參數(shù)進(jìn)行判斷，在滿足自毀判據(jù)時(shí)，由自主安控系統(tǒng)安全控制模塊向安全控制組合發(fā)出自毀指令，實(shí)施姿態(tài)失穩(wěn)自毀。

b）飛行航路超出安全管道自毀。

自主飛行航路偏移自毀是火箭飛出預(yù)設(shè)航路安全管道時(shí)，由箭上安全自毀系統(tǒng)根據(jù)箭上自身記錄的位置、速度信息及計(jì)算得到的預(yù)示落點(diǎn)信息，自主判斷預(yù)示落點(diǎn)與地面保護(hù)目標(biāo)位置關(guān)系、與箭上提前裝訂的飛行安全管道關(guān)系，進(jìn)行自主判斷并完成自毀，且確保自毀后殘骸不會落入自主安控準(zhǔn)則明確的地面保護(hù)目標(biāo)。飛行航路偏移自毀的各類模式和條件是自主安控策略需要明確的核心內(nèi)容，其中包含任務(wù)前明確的地面保護(hù)目標(biāo)、火箭飛行安全管道等。

4.3 安全管道計(jì)算

安全管道是判斷運(yùn)載火箭是否正常飛行的相關(guān)參數(shù)變化的上下限，這些參數(shù)通常包括火箭飛行的外彈道參數(shù)（如飛行位置、高度、速度、加速度等）和內(nèi)彈道參數(shù)（如發(fā)動機(jī)動力參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)等）。每個(gè)參數(shù)的理論曲線為火箭根據(jù)運(yùn)送載荷的目標(biāo)軌道而設(shè)計(jì)的理論飛行曲線、理論姿態(tài)曲線和發(fā)動機(jī)壓力參數(shù)曲線等。兩旁有兩條曲線，分別描述正常飛行過程中容許的上限和下限，這兩條曲線所形成的“管道”就稱為安全管道。安全管道的寬度取決于彈道或參數(shù)的干擾誤差、測量誤差、處理方法誤差、時(shí)延誤差等因素。

任務(wù)前安全管道的處理部分運(yùn)行在安控計(jì)算機(jī)上，主要計(jì)算生成實(shí)時(shí)需要的各種數(shù)據(jù)。根據(jù)計(jì)算出的測量誤差、干擾誤差、方法誤差等，計(jì)算出允許火箭飛行的安全管道、告警線、必炸線數(shù)據(jù)，主要包括飛行姿態(tài)安全管道、位置安全管道、預(yù)示落點(diǎn)安全管道；計(jì)算出保護(hù)目標(biāo)的落點(diǎn)和保護(hù)半徑、邊界必炸線等數(shù)據(jù)。安全管道計(jì)算完畢后，將結(jié)果加載到自主安控系統(tǒng)的安全控制模塊，作為自主安全自毀方案的執(zhí)行依據(jù)。

4.4 自主安控實(shí)施的模式及判決原則

自主安控故障模式的判別可分為兩類，一類是基于火箭當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行安控判別，主要包括位置安全管道判別、速度安全管道判別、動力安全管道判別、姿態(tài)安全管道判別等；另一類是基于火箭預(yù)測運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行的安控判別，主要包括預(yù)示落點(diǎn)超安全管道、故障情況下預(yù)示落點(diǎn)落入保護(hù)目標(biāo)、預(yù)示落點(diǎn)在保護(hù)目標(biāo)內(nèi)長時(shí)間停留等，火箭自主安控故障模式劃分見表1。各模式判決的條件不同，但遵循的實(shí)施原則相同。不同故障模式下，自主安控系統(tǒng)判決遵循以下實(shí)施原則：

表1 火箭自主安控故障模式劃分Tab.1 Classification of rocket autonomous security control failure modes

a）使用外測彈道信息源的預(yù)示落點(diǎn)信息（Lx-Lz）、速度信息（V-t）、位置信息（Y-X、Y-Z、Y-t）等曲線進(jìn)行安控判決。

b）當(dāng)使用外測信息源進(jìn)行判決時(shí)，應(yīng)參考遙測信息源進(jìn)行確認(rèn)。

c）在各故障模式判斷時(shí)，均需對首航區(qū)內(nèi)重要目標(biāo)實(shí)施保護(hù)，在實(shí)施自毀前進(jìn)行火箭殘骸預(yù)示落點(diǎn)與保護(hù)目標(biāo)區(qū)域位置關(guān)系的判別，最大程度地避免火箭殘骸落入受保護(hù)區(qū)域，最大程度地確保地面安全。

5 自主安控系統(tǒng)應(yīng)用前景

5.1 自主安控系統(tǒng)的適用場景

自主安控系統(tǒng)在確保地面公共安全的前提下，能夠減少飛行安全控制中的人為因素，減少對地面復(fù)雜、昂貴測量控制和通信設(shè)備的依賴，因此其適用于以下場景：

a）海上發(fā)射、空中發(fā)射、應(yīng)急機(jī)動發(fā)射等無依托發(fā)射場。

對于地理?xiàng)l件惡劣的發(fā)射點(diǎn)和發(fā)射航路，無法實(shí)施有效的地面設(shè)備跟蹤部署和地面無線安控；或者地面設(shè)備無法快速機(jī)動到測控點(diǎn)位的情況，可僅依靠箭上自主安控。

b）發(fā)射航路下保護(hù)目標(biāo)較多且無法規(guī)避，地面安全管道較寬，導(dǎo)致保護(hù)目標(biāo)數(shù)量眾多，地面安控落點(diǎn)選擇困難。

發(fā)射航路下保護(hù)目標(biāo)較多且無法規(guī)避時(shí)，通過箭上自主安控系統(tǒng)為主、地面無線安控系統(tǒng)為輔的方式進(jìn)行重要目標(biāo)保護(hù)。箭上自主安控可裝訂較窄的安全管道，盡量避開保護(hù)目標(biāo)；同時(shí)，地面無線安控系統(tǒng)作為輔助備保系統(tǒng)，進(jìn)一步提升對地面公共安全的保護(hù)等級。

c）子級殘骸落區(qū)選擇困難。

子級殘骸落區(qū)周邊人口密集，或者子級殘骸落區(qū)處于國外區(qū)域的情況，可通過自主安控系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)殘骸的可控回收和落地，確保子級落區(qū)安全。

使用推進(jìn)式降落方法的可重復(fù)使用助推器的回收策略可實(shí)現(xiàn)可重復(fù)助推器的精準(zhǔn)可控回收，在回收飛行過程中，貯箱中的燃料是回收正常的動力源，也是回收異常的危險(xiǎn)源。通過在子級上內(nèi)置自主安控系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)對子級的機(jī)載定位、導(dǎo)航，也可根據(jù)飛行航路和彈道設(shè)計(jì)自主安控策略，在實(shí)現(xiàn)可控回收的同時(shí)，確?；厥诊w行安全可靠。

5.2 中國航天發(fā)射應(yīng)用前景

當(dāng)前，中國部分發(fā)射航向和航路受限于航路下城市眾多、人口密集的問題，若采取地面無線安控為主的方式，一方面遙控操作存在較大的時(shí)延誤差，預(yù)示落點(diǎn)的選取存在較大偏差，另一方面地面無線安控安全管道較寬，管道內(nèi)包含的保護(hù)目標(biāo)范圍更大、數(shù)量更多，火箭飛行異常時(shí)，地面安控指揮員難以選取火箭遙控炸毀的時(shí)機(jī)。

若實(shí)現(xiàn)箭上自主安控系統(tǒng)的應(yīng)用，以箭上自主安控為主，地面無線安控為輔，可進(jìn)一步提升火箭飛行異常時(shí)的故障落點(diǎn)選取精度，避開地面保護(hù)目標(biāo)，同時(shí)收窄飛行安全管道，提升地面目標(biāo)安全保護(hù)等級；在采用推進(jìn)式降落方法的子級殘骸回收時(shí)，可提高殘骸回收的落點(diǎn)精度，為新航路的開辟創(chuàng)造必要條件。

5.3 應(yīng)用案例

得益于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、箭載計(jì)算機(jī)技術(shù)及冗余慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，中國火箭自主安控技術(shù)得到了長足的發(fā)展，長征十一號運(yùn)載火箭和捷龍三號運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了完全自主安控。2019 年6 月5 日，長征十一號運(yùn)載火箭發(fā)射成功［6］，該型號任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)了箭上完全自主航線安全控制，其自主安控模式與地面無線安控的功能和模式相同，即火箭飛出預(yù)設(shè)安全管道時(shí)，由箭上安全自毀系統(tǒng)根據(jù)箭上自身定位和導(dǎo)航信息進(jìn)行自主判斷并完成自毀。

美國SpaceX 公司在2017 年3 月16 日之后的所有發(fā)射，均應(yīng)用了自主安控技術(shù)。

6 結(jié)束語

自主安控技術(shù)作為一項(xiàng)航天發(fā)射新技術(shù)，在提升快速發(fā)射能力的同時(shí)，可降低發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)，確保高密度航天發(fā)射對地面目標(biāo)的有效保護(hù)，有利于開辟對地面跟蹤測量設(shè)備依賴較少的發(fā)射點(diǎn)位和新航路，提升發(fā)射頻次和發(fā)射能力。且可應(yīng)用于可重復(fù)使用助推器的回收，有效降低發(fā)射成本。作為可以有效提升發(fā)射效能、降低發(fā)射成本的技術(shù)，自主安控將為航天發(fā)射帶來重大而深遠(yuǎn)的影響。