航天控制系统技术发展的若干思考

赵 民，高晓颖，陈 伟，吕春红，李 刚

（1. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076；2. 北京航天自动控制研究所，北京，100854）

0 引 言

控制系统是航天飞行器的神经中枢，其性能在一定程度上直接决定了飞行器的实时反应性、环境适应性、实际应用性、飞行可控性、轨迹精准性与载荷有效性。随着中国航天技术的飞速发展，飞行器制导控制技术也在发生着日新月异的进步，为飞行器远程精确控制、登月与天体探测等提供了强有力的技术支撑，在航天大国迈向航天强国的新时代发展进程中，飞行器在复杂环境与强约束条件下遂行任务的快速及时、过程可控与可信可靠等综合性能提升方面的需求日益迫切，因此构建可以适应复杂环境的高性能、高可靠控制系统，是提高未来航天飞行器可靠性、使用性、精确性等整体性能的必然要求。

1 航天飞行器控制系统发展现状

航天飞行器在新时期具有立体化、信息化[1]、快响应等新的特点，打击目标繁杂、飞行环境复杂多变、数据信息海量成为航天飞行器不可回避的现实问题。中国航天控制技术经过几十年的发展，已经支撑了精确打击[2]、载人航天、探月探火等军事和科技的快速发展，面对新形势、新环境条件下飞行器飞的巧、打的准、智能化的现实需求，但还存在以下问题：a）系统性能保持与长时间连续工作能力、恶劣环境适应能力有限，对其他相关系统约束较多，影响飞行器整体性能的提升；b）复杂环境与多约束条件下姿控系统适应性不强和自主化水平不高造成航天飞行器综合性能提升受限；c）过度依靠冗余技术的应用来弥补电子设备可靠性差的不足，系统综合技术的研究不够深入，影响飞行器长期可靠与适应能力的提升；d）惯性器件精度以及长期稳定性不足，对航天飞行器的精准飞行带来了较大的影响。

1.1 控制系统可靠性与长时间连续工作能力决定了航天飞行器的使用性能

飞行器制导控制系统是根据弹道或飞行轨迹信息，通过惯性等各类传感器实时测量飞行器的位置、姿态、速度等信息，进行制导控制运算，依据控制策略控制舵机等执行机构实时调整和修正飞行路线与运动姿态，确保飞行器按照设计预期稳定可靠飞行并精确飞向预定位置[3]。因此，控制系统可靠可信是保证航天飞行器任务实现的物理基础。

近几十年来，中国航天技术的发展取得了长足进步，主要通过元器件性能提升、冗余重构、弱保障快速测试等方面的研究大幅提升了控制系统的可靠性与实际使用性能，但与美国、俄罗斯新型航天飞行器相比，现有飞行器电气系统的资源整合与优化水平还不够精确，一定程度上影响了有效载荷能力的提升，电气系统长期工作状态下的可靠性理论、长时间连续工作的试验方法与评估技术研究还不够深入，在一定层面上制约了航天飞行器的测试效率、使用效果与适应能力的提升。航天飞行器控制系统的可扩展性能较差，无法适应不同飞行器应用性不一致的现实需求，甚至为了增加一些功能，往往需要对整个系统进行重新设计，严重制约了飞行器的设计迭代效率。传统定制化的设计，各飞行器之间的设备、软件模块基本不具备通用性，导致导弹控制系统成本居高不下，维护困难，各供应商之间的设备兼容性差，严重影响了系统的通用性、灵活性和扩展性[4]。硬件综合电子设计在通用性、软硬件系统架构体系化设计等方面不够优化，阻碍了飞行器整体性能的提升。飞行器主要采用冗余设计保证部分模块故障时的可靠性，容错与深层次的重构技术等方面的工程实践基础不够深厚，同时电气系统过多的余量与冗余设计，导致系统重量较重、资源富裕量较大，系统内部不具备能源流动能力，未能实现这些宝贵资源的高效利用，影响了有效载荷的提升。

航天飞行器长时间连续工作是快速反应能力、任务有效执行能力的重要环节。随着基础理论研究的进展和技术的更新，飞行器电气系统加速退化试验已经在国外实现。对于非长期在轨的航天飞行器，中国对于长时间连续工作及加速试验的研究还不够深入，基于卫星长期在轨任务机制的长期加电方法无法在短时飞行航天器中推广使用，基础元器件的研究都集中于贮存寿命而不是加电寿命开展，电气系统长时间连续工作试验技术缺乏相关的技术储备和工程研制经验。

近年来，中国航天飞行器在快速响应快速测试技术领域进行了大量的探索，但测试保障人员较多、人工操作繁琐、测试方案效率低和准备工作量大的现状没有得到有效改善；测试设备繁多，设备展开及状态转换耗时较长，设备维修保障困难的问题依旧存在；测试流程复杂，测试时间较长，自动化水平不够先进，数据判读时间耗时较长，测试指标评估方法不完善，故障检测率无法适应全飞行器状态快速评估的问题没有完全解决，多因素约束下的快速可信测试与状态评估技术的研究还不够深入，这些均影响了航天飞行器灵活性和高适应生存能力的提升。

1.2 高可靠精确制导控制方法以及评价体系决定了航天飞行器控制系统的整体性能

美国、俄罗斯等国在提高武器系统打击精度的同时，在设备的使用性方面也达到了非常高的水平，其在全球高覆盖率、高分辨率和高精度重力测量方面已建立了较为确定的重力场结构。中国惯性测量装置对环境物理参数项、时变项、非线性等误差因素来源没有充分研究，误差模型还不够完善，且标定参数数量与国外相比差距很大。多模式复合制导目前正处于起步阶段，在先进复合制导技术水平、工程设计经验等方面存在一定的差距。在信息融合方面，美国等家对全源融合算法进行了深入研究，而中国则采用多传感器融合定位形式，融合的信息和手段较为有限，体系化高可靠精确自主导航与制导性能亟需进一步提升，不足以支撑航天飞行器的长远发展。

随机鲁棒分析与设计方法已在飞行器姿态控制设计上推广应用，但针对频域辨识的研究起步较晚，在飞行器的系统辨识中拓展不够深入。在飞行器姿态控制的设计过程中，忽略或弱化伺服回路特性（载荷、弹性条件、非线性特性等）和约束条件（频带、铰链力矩等）对姿控系统的影响，在一定程度上降低了姿态控制器的实用性，如何充分协调姿控回路与伺服回路之间的匹配关系，实现一体化姿态控制设计，需要进一步开展工程应用技术研究。另外，由于飞行器针对环境参数、本体参数没有实现准确和快速的辨识，采用扰动在线估计和抑制技术，提高姿控系统面对环境变化或者未知环境适应性方法的应用性还存在一定不足，面向综合性能提升的姿控系统设计工程应用不够深入，在一定层面上制约了飞行器任务遂行与性能保持能力的提升。

惯性测量系统通过敏感载体角运动和线运动参数为制导系统提供精确的速度、位置和姿态信息，协助制导系统完成制导控制，由于具有全天候、抗干扰和隐蔽性好等突出优点，惯性导航系统在航天飞行器中发挥着不可替代的作用，但目前中国航天飞行器惯性测量系统误差源和误差建模技术研究还不够深入，多场耦合环境对误差影响的抑制技术研究较为欠缺，仪表精度对比以前有了很大的提升，但在惯性仪表的长期通电精度保持能力上还存在一定差距，设备和试件之间缺乏配套的测试规范、时空测量参考基准等“软技术”衔接，不能进行系统级全方位验证，在一定程度上制约了惯性测试技术的发展水平。

1.3 差距原因分析

为了实现飞行器高精度、高速度、高鲁棒性、高机动性和低能耗等现实要求，控制系统势必需要采用更为先进的设计理念、更加复杂的设计方法来逐步提高系统的整体性能，在航天飞行器本身的强耦合性、非线性、时变性和不确定特性等约束条件下，随着控制系统先进性和复杂性程度的不断提高，能否确保飞行控制系统设计的正确性、功能完善性和可靠性，是保证飞行安全的关键所在。但目前中国航天飞行器的标准规范体系不够完备、基础理论研究不够深入、可信快速测试方法不够完善、先进方法的工程应用经验不足、精细化设计与系统性能评估方法相对较弱等原因，共同导致了中国航天飞行器的整体性能在与国外先进技术方面相比还存在一定差距。

a）控制系统标准体系不够完备，对先进设计理念和设计方法的指导作用有限。

随着控制系统新技术的大量应用和设计水平的不断提升，相应的设计规范也需要不断更新完善。近年来控制系统大量的新技术将从理论研究转向工程应用，传统的设计规范在设计理念、设计方法和设计手段上的指导意义依然保守，而且部分新技术相关的设计规范有所缺失，不能完全满足未来飞行器研制的需求和新技术发展的需要。

b）面向长时间连续工作的电气系统设计理论及方法研究不够充分。

对于非长期在轨的飞行器，针对电气系统有长时间连续工作需求的项目，目前依旧采用传统的设计方法，对于深层的长时间连续工作电气系统设计方法与理论，尚未开展基础性研究，无法定量给出电气系统长期工作寿命指标，缺乏适应于小样本、低失效率产品的工作寿命定量评估方法与解决方案，限制了航天飞行器测试流程的优化。

c）多因素强约束下的可信测试、状态评估与快速响应技术应用有限。

中国航天飞行器测试系统目前多采用基于PXI等总线标准，体积质量较大、成本较高、机动性不够灵活，不同使用工况下与长时间连续工作过程中的多模式自主切换方法与综合评估能力、快速响应与系统协同应用能力不强，可用性评价信息优选方法不够优化，控制系统故障处理相关技术的应用程度有限，制约了航天飞行器使用时的反应速度、利用效率和使用效果的提高。

d）复杂环境与多约束条件下制导性能与控制能力适应性有待进一步提升。

制导性能直接决定着飞行器精确飞行能力，多源信息的深度融合可以提高飞行器的精确制导能力，目前航天飞行器相关的研究主要集中在惯性导航、卫星导航或视觉导航的数据融合上，融合的信息和手段有限，在制导控制过程中未充分考虑扰动引力场的影响，自主制导精度长期受引力场的影响还未实现质的提高，一定程度上影响了航天飞行器导航制导性能的提升。

e）面向综合性能提升的姿控系统设计工程应用经验不够丰富。

当前在对全飞行器、全任务流程的不确定性缺乏深入认知的情况下，为确保稳定性以及控制精度等性能，传统的飞行器姿控系统大多按照极限偏差组合开展分析设计，在一定程度上牺牲了控制精度和动态品质，一般情况下姿控系统弱化了伺服回路特性和约束条件对姿控系统的影响，导致整体性能不够优化。针对频域在线辨识技术多是对飞行器参数或模型的辨识，通过模型求解稳定裕度，对于稳定裕度的直接辨识的实际应用较少。另外部分飞行器的姿控系统设计主要依靠设计的稳定裕度和鲁棒性来被动克服参数快时变和多源干扰，在复杂战场和恶劣飞行环境中的自主适应能力不够强大，影响航天飞行器可控抵达目标最大能力的发挥，不利于控制性能提升。

f）高精度惯性系统误差机理的研究不够深入。

近年来惯性测量装置仪表精度和可靠性有了明显的提升，支撑了中国航天飞行器的高速发展，但高精度惯性测量系统应对复杂应用环境下所产生的精度影响认识不够清晰，误差模型简单、补偿手段单一、动态误差激励不够充分、参数标定结果残差较大，惯性仪表的误差源和误差建模技术研究还不够深入，尤其是高阶误差辨识方法不够准确，多场耦合环境对惯性仪表误差影响的机理研究欠缺，与新形势下惯性测量系统支撑快速测试、长航时、高动态应用的现实要求不匹配，成为制约中国航天飞行器高精度制导技术实现的重要因素。

2 新时期航天飞行器控制系统亟待开展的重点技术

为了提高航天飞行器复杂环境下的使用性能以及精确飞行能力，亟待重点突破以下几项关键技术，提高设计效率，共同支撑航天飞行器可靠性、使用性、精确性等整体性能的提升。

a）完善控制系统标准体系，开展控制系统设计相关标准规范评估与修订，重点针对航天飞行器控制系统的高可靠性、长期加电、精确飞行、性能提升等关键能力开展相关支撑标准研究，构建满足控制系统技术新、探索性强、涉及的技术领域多、学科交叉强等需求的标准体系，指导促进控制系统相关关键技术的工程化应用。

b）突破制导性能提升及评估技术，从时间、空间维度上共同提高导航、制导性能以及飞行可靠性，开展基于状态信息的制导技术研究，充分利用数字地图、天文导航、地理信息、目标探测、外部信息源等信息资源，最大限度地挖掘可用信息，实现信息的深度融合。

c）突破强适应姿态控制技术，提高姿控系统在复杂使用条件和恶劣飞行环境中的自主适应能力，深度挖掘并归纳出科学化的经验数据，建立一套自适应、扩展性强的飞行器控制设计方法，在驱动能力下降等情况下保障控制系统性能，最大限度发挥航天飞行器飞行全过程的控制品质和整体性能。

d）提升高精度惯性测量系统的长期稳定性，从力学环境、温度场分析和电磁环境等方面入手，摸清惯性器件误差机理，揭示各类非线性误差瓶颈的技术内涵，建立动态的温度误差模型、时变误差系数模型，形成一套科学合理完善规范的惯性测量系统的指标体系，进一步提高惯性器件测量精度与稳定性。

e）突破高可靠冗余容错控制技术，开展系统集成与精细设计，建立标准化、小型化、开放式系统架构，提高模块功能的互换性，降低系统保障资源需求，提高系统可靠性，降低维护成本，实现系统能力、可靠性、效率及成本的优化。

f）提升长时间高可靠连续工作能力，建立部分产品的退化模型与可靠性模型库，完成加速试验方法研究，构建电气系统性能退化表征参数与可靠性体系。开展高性能伺服系统长期稳定性设计技术攻关，在极端运行工况、复杂环境、长期贮存及工作条件下进一步提高伺服系统的可靠性及整体性能保持能力。

g）突破多因素强约束条件下的可信测试技术，构建机动能力强、低成本、高通用、快响应、弱保障、环境适应能力强的测试系统，以不同使用工况下的多模态测试工作为发力点，优化测试流程与状态评估方法，逐步提高航天飞行器控制系统的工作效益与使用效果。

3 结束语

航天技术的发展体现了中国科学技术发展的前沿水平，放眼内外、正视现状，中国在航天相关领域的基础机理、理论方法、技术突破、工程应用等方面还存在一定差距，特别是航天飞行器控制系统，针对先进设计理念的标准体系的构建需要逐步开展，面向长时间连续工作与性能保持、高精度制导性能提升的机理研究迫在眉睫，支撑快速测试与飞行器性能可靠评估的方法亟需不断创新，提高飞行器控制性能与在线动态重构方法的工程应用技术需要不断迭代，通过各个方向技术的不断优化，提升航天飞行器的整体性能，为航天领域的跟紧、比肩、超越奠定技术基础。