浅谈信息集成在航天运输控制系统中的应用研究.doc

浅谈信息集成在航天运输控制系统中的应用研究.doc浅谈信息集成在航天运输控制系统中的应用研究引言在航天领域,随着 SpaceX 等私人航天企业的涌入,包括 Ariane 和 ULA 在内的多家航天机构均纷纷感到了竞争的压力, 开始研究如何快速、可靠和低成本地实现火箭的发射服务。为了应对挑战, 航天运输系统应认真考虑使用性问题, 尤其长征系列火箭还未能真正参与国际市场竞争, 使我们长期对这方面的需求不再敏感甚至认为没有需要。同时, 火箭竞争力往往用运载能力等总体指标来衡量, 对于其他分系统能发挥的作用, 讨论得甚少。本文将重点探讨信息技术的发展给航天运输控制系统( 包括地面测发控系统) 带来的机遇与挑战。目前,信息技术对航天控制的影响,更多聚焦于多传感器的信息融合以及多处理器的并行处理等领域, 这体现了信息技术的两个特点: 信息量大大增加,信息处理的能力以及需求也大大增加,但信息技术的作用不仅限于此。应该看到, 信息技术是基础技术, 当基础技术的能力得到了提升, 我们同样要回归到基础去重新认识现有的设计, 去源头寻找解决新问题的新途径。例如, 过去由于处理能力不足而简化或省略的功能是否需要补充完善, 总体的风险是否需要进行调整等。在进行运载火箭控制系统设计时,首先进行系统方案设计, 其重点是确定飞行的轨迹并评估精度; 在此基础上,按照系统从大到小进行任务划分, 例如, 首先确定飞行系统与地面测发控系统的任务界面; 其次,针对飞行系统中的电气系统,明确控制分系统与测量分系统之间的任务界面; 针对控制分系统,再进一步划分设备的组成及其内部软硬件的分工。未来空间运输系统的任务将更加复杂,对其自主控制能力的要求也更高, 总体、控制、动力等多学科融合的趋势愈来愈强, 单纯依靠某一个系统的优化设计空间已越来越窄。因此, 考虑到未来自主控制以及“快速、可靠、经济”地进出空间的需求, 本文分析了信息集成技术在上述设计流程中能够发挥的作用, 提出了四个“一体化”的设计理念,即: 1) 利用箭上计算装置的计算能力,完成在线自主轨迹规划, 实现“制导与弹道设计的一体化”,增强自主控制的能力和适应性; 2) 借助于箭上系统的信息处理能力,进行自检测(Built in Test , BIT) , 实现“ BIT 与地面测试系统的一体化”, 重新规划飞行系统和地面测发控系统的任务分工, 从而达到快速发射和精简技术保障人员的目的; 3) 充分发挥箭上智能单机的处理能力,实现“控制与测量系统的一体化”,减少单一功能的设备,并采用平台化的设计理念,避免重复开发,进而降低成本,提高产品成熟度和可靠性; 4) 设计通用的软硬件一体化开发平台,实现“模型驱动的软硬件设计一体化”,为方案论证和选型提供统一建模与仿真的环境, 确保设计一次成功,避免方案性反复。由于信息技术的发展,传统的功能领域得以延伸,并且可以集成其他功能; 而第四项一体化则为方案设计的早期验证提供了“量化”分析的条件。 1 制导与弹道设计的一体化 轨迹优化中的间接法与直接法传统上制导与弹道分属两个设计领域,弹道设计是离线的静态优化, 而制导控制则是在线的动态优化。许多设计约束由弹道设计来保证, 制导仅完成与入轨精度相关的终端约束的控制。但是, 随着闭路制导技术的应用,制导系统会实时规划满足终端约束的轨迹,有可能偏离标准弹道,从而导致弹道设计中的隐式约束无法得到满足; 如果在制导控制中加上这些约束, 传统的设计方法有可能得不到合适的解析解。飞行器轨迹优化问题实际上是一种带有状态约束和控制约束的最优控制问题。解决这类问题, 间接法和直接法是最常用的两类方法。间接法基于极大值原理推导最优控制的一阶必要条件, 它们构成了求解最优轨迹的 Hamiltonian 边值问题,由于不对性能指标函数直接寻优, 因此该方法称为间接法。当前的大多数实时轨迹优化方法都对动力学方程进行了不同程度的降阶处理, 仅针对某种具体的问题有效。这种应用存在以下不足:1) 约束条件不同, 算法会体现很大差异,很难有一个通用的解决方案或框架;2) 许多情况下难以得到表达完美的解析解, 这时往往要对模型进行简化;3) 即使如此, 许多复杂约束还是难以解决, 只能对约束条件进行精简, 其代价往往由总体承担转嫁到有效载荷。直接法比间接法出现更早,采用参数化方法将连续空间的最优控制问题求解转化为一个非线性规划(NLP) 问题,通过数值求解该非线性规划问题来获得最优轨迹。在计算机技术迅速发展的近 30年, 直接法有了较快的发展, 并且开始应用于航天领域。这些方法的不同体现在对连续最优控制问题的转换、离散化等方面, 文献还概述了一些很有应用前景的方法, 如伪谱法, 滚动时域优化法等, 尤其是离散控制变量和状态变量的伪谱法, 备受关注。该方法成功应用到国际空间站的调姿优化,但对于大气层内飞行段,其