长征系列运载火箭控制系统划代研究

胡海峰 吕新广 宋征宇

北京航天自动控制研究所，北京 100854



长征系列运载火箭控制系统划代研究

胡海峰 吕新广 宋征宇

北京航天自动控制研究所，北京 100854

回顾了半个世纪以来中国长征运载火箭控制系统的发展历程，首次开展了控制系统划代和代际发展研究，总结控制系统取得的技术突破，重点对在役的第三代和在新一代运载火箭中应用的第四代控制系统进行了论述，提出了未来一代控制系统的关键技术和发展方向，展望了控制系统在重型运载中的应用。

运载火箭；控制系统；划代研究；代际发展；重型火箭

从1970年起，中国已成功研制了CZ-1，CZ-2，CZ-3等多个系列的运载火箭[1-2]，目前正在开展新一代运载火箭的研制，同时启动了重型运载的论证。本文回顾长征系列运载火箭控制系统的发展历程，总结控制系统取得的技术突破，为重型运载控制系统的研制提供了参考。

1 控制系统划代研究

目前，国内外还没有对运载火箭控制系统划代开展过专题研究。战斗机和航母一般依据性能指标进行划代，导弹的现行划代方法比较复杂，涉及到年代法、技术水平法和综合法，由于技术要素、系统组成等方面的差异，战斗机、航母和导弹划代方法不适用于运载火箭。文献[3]按照时间历程法对运载火箭划代进行了简要介绍，但对长征系列运载火箭不适用。文献[4]以聚类分析法形成29项指标、117项打分准则，从全箭的角度对长征系列运载火箭进行了划代分析。从总体上讲，火箭生命周期一般较长，控制系统相关的软硬件产品、信息技术发展相对较快，甚至存在火箭未更新换代而控制系统已更新换代的情况。运载火箭控制系统划代可以参考上述方法但又有其自身的特点。

1.1 早期的控制系统

早期运载火箭采用外干扰补偿全惯性制导，直接利用捷联安装的加速度计和陀螺仪输出，经过系数变换、积分后生成关机和导引指令，计算简单，计算装置中的逻辑电路采用晶体管分立元件，图1和2分别为模拟计算机和简易制导关机控制装置的原理框图。典型特征[5-6]为：1) 以模拟量控制为主；2) 采用简易计算装置进行制导控制；3) 采用校正网络进行姿态稳定控制。

图1 模拟计算机框图

图2 简易制导关机控制装置框图

1.2 第二代控制系统

第二代控制系统的典型特征为：1) 采用数字控制系统进行制导与姿态稳定控制；2) 采用惯性陀螺平台导航，通过3个伺服回路将平台台体稳定在惯性空间；3) 采用摄动制导方法进行关机控制。

图3 第二代控制系统框图

上述方案也简称为“平台—计算机方案”[7]，见图3。在这期间惯性平台技术快速发展，根据应用需求，结构形式有二框架三轴、三框架四轴，支撑方式有气浮、液浮等，平台精度提升，可靠性提高；随着计算机技术迅猛发展，远程火箭开创了增量型方案，后续又先后研制成功了8位、16位和32位的箭载计算机，处理能力不断增强；摄动制导理论在这一时期不断发展，早期计算机性能低，采用隐式导航与制导，随着计算机性能的提高，惯性器件实时误差补偿、显式导航和基于全量的摄动导引都逐步成功应用。尽管在近30年的时间里控制系统取得了显著的技术进步，但从技术特征分析仍属于第二代控制系统。

1.3 第三代控制系统

第三代控制系统研制始于90年代，以载人航天为契机，开展了冗余容错控制技术的探索，并不断完善应用至今，制导系统采用更具鲁棒性的闭路制导方法，采用组合导航提高入轨精度。CZ-2F是这一代控制系统的典型，CZ-2C/D，CZ-3A等火箭在此期间也通过探月工程、可靠性工程等进行了冗余容错改进。第三代控制系统的典型特征为：1) 采用冗余设计提高可靠性；2) 采用组合导航技术提高导航精度；3) 采用闭环迭代制导提高入轨精度并增强对推力下降故障的适应性。

冗余设计因任务要求不同，各火箭也略有不同，图4为冗余容错控制系统示例。提高可靠性是这一时期火箭关注的重点，而控制系统提高可靠性更易实施，对全箭可靠性的提高作用也最为显著。经过载人航天等国家级航天项目的推进，冗余容错控制系统设计成果可以归纳为5大技术和1项方法：1)基于TMR的多数表决技术；2)基于故障诊断的冗余管理技术；3)基于故障吸收的容错技术；4)基于参数裕度的冗余技术；5)器件/部件级冗余技术；6)迭代制导方法。

限于篇幅，本文简要介绍部分技术。

图4 冗余容错控制系统框图

1.3.1 基于故障诊断的冗余管理技术

惯性测量设备冗余成为提升系统可靠性的重要手段。CZ-2F从发射神舟三号开始，采用了惯性平台为主、挠性捷联惯组为备份的主从系统[8]。此后长征火箭控制系统还研制了平台+激光惯组、双挠性惯组及双激光惯组等多种冗余方案[9-10]。

图5 双七表挠性惯组共基座安装

惯性测量信息的故障诊断主要针对不同的单表信息进行合理性判别，在故障诊断基础上，形成整体切除的主备式和单表切除的融合式2种冗余管理策略，各有优缺点。以双七表挠性惯组为例[11]，两套惯组共基座安装(图5)，采用单表切除的信息融合方式，将单表级故障容限度提高到2度以上，诊断流程见图6，诊断策略如下：

1) 视加速度信息每个正交轴只有2路测量信息，连同斜置方向共有8路，将所有视加速度测量通道作为一个冗余结构，即8个加表中允许任意2个发生故障；

2) 角速度信息在3个正交轴均有4路测量信息，采用少数服从多数的原则，通过四取三或三取二确定发生故障的敏感轴，将同轴的测量通道作为一个独立的冗余结构，每个测量轴信息允许2度故障。

图6 双七表冗余诊断流程

1.3.2 基于故障吸收的容错技术

基于故障吸收的容错技术能自动地将故障吸收，无需判别诊断和隔离重构，是一种节省资源、简单有效的容错设计。图7为控制系统综合放大器与伺服阀和反馈电位计构成的故障吸收伺服控制小回路，该结构为三重复冗余结构，利用伺服阀的故障吸收实现小回路的冗余管理[12]。

图7 故障吸收伺服控制小回路

1.3.3 基于参数裕度的冗余技术

当系统组件或模块出现故障时仍能基于参数裕度容错工作。以双速率陀螺冗余设计为例，2只速率陀螺均正常时系统裕度最大，1只陀螺故障后通过限幅、诊断将故障通道速率陀螺参数置0，系统稳定裕度下降，但仍能保证火箭稳定飞行。

1.3.4 迭代制导方法

迭代制导在飞行过程中根据目标和运动参数实时规划最优轨迹，能够满足更高的精度需求[13]，迭代制导在我国载人航天任务中连续多次实现了同时精确控制5个轨道根数[14-15]。迭代制导根据飞行中实测的视加速度进行估算，表现出对推力下降等故障模式的强适应性。推力稳定条件下，视加速度变化平稳连续，视加速度、视速度及视位置具有如下表达式：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中以箭体纵轴视加速度代替总视加速度，在发动机小角度摆动时误差可以忽略，其中τ与当前时刻的视加速度有关：

(4)

火箭发动机故障导致推力性能变化时，加速度计敏感视加速度变化，并依据式(1)～(4)估算未来的视速度L、视位置S，由于推力的变化，原入轨点也不再适用，控制系统根据入轨点应达到的速度以及火箭在未来T时间内产生的速度矢量，采用双向逼近法迭代求解，迭代收敛重新获得最佳入轨点和入轨时间，重新规划最优弹道。故障仿真表明，当一级或二级发动机推力大幅度下降时，在运载能力和控制力具备的条件下，入轨精度仍能满足要求。

1.4 第四代控制系统

第四代承担在役运载火箭控制系统更新换代的任务，采用总线制分布式全数字容错控制系统，功能更强，可靠性更高，以新一代中型运载火箭为例，典型特征为：1)余度总线数字体制；2)高可靠三冗余；3)分布式控制；4)集成模块化综合电子(IMA)；5)主动的动力及载荷控制。

图8体现了新一代控制系统的特征[16]：

1) 采用一套总线贯穿全箭，实现一体化设计，通过总线切换解决舱段分离问题。一、二级设备通过1553B总线连接，助推器设备通过422接口与OBC通信。通过总线切换解决舱段分离实现火箭不同级BC共享；

2) 采用系统级冗余设计，由余度总线构成三余度的控制系统，通过系统级冗余容错技术，可靠性指标达到0.998；

3) 各舱段设计相对独立的子系统实现分布式控制。4个助推器、芯一级和芯二级共6个模块均设计独立的控制器，用于本模块伺服、时序和贮箱闭式增压等控制，火箭二级的箭机进行制导、导航任务并生成控制指令，控制器和箭机均为三模冗余结构；

图8 总线制分布式数字容错控制框图

4) 采用集成模块化电子系统(IMA)，实现模块级产品重用。借助于综合电子背板总线的强大功能，基于分时分区的处理模式及总线网络端节点芯片化的思路，具有单一功能的设备集成在一起，分属于不同系统的设备也可集成为综合性的控制组合，多种智能单元在单个机箱内匹配共存，构建功能全面、高效集成的控制系统；

5) 采用动力系统和载荷主动控制技术，扩展控制系统功能。应用主动的动力和环境载荷控制技术，降低不确定性的影响：主动的闭式增压技术实现贮箱薄壁结构承载和发动机入口的压力[17-18]；推力调节控制系统基于指数细分调速方案实现发动机推力的快速精准调节；采用集成化横法向加表装置敏感横、法向过载，实施火箭主动减载控制。上述技术提高了火箭任务的适应性和可靠性，具有降低运载火箭结构质量、提升有效运载能力的优势。

2 未来重型运载火箭控制系统

2.1 重型运载控制系统的挑战

重型运载火箭一般指起飞质量约3000t，LEO轨道运载能力100t级的航天运载器。迄今为止，全世界曾经投入使用或计划研制的重型运载火箭包括美国的土星V、前苏联的N-1和能源号、美国“星座”计划的Ares V。目前在研的重型火箭仅有美国的SLS(空间发射系统)。

SLS继承了大量Ares V火箭的研究成果[19]，电子系统主要为三冗余设计，全箭有AF，EF，UF三套总线，每套总线均为三冗余。SLS制导方法被称为第三代闭路制导[20]，具有“可满足定时、定姿、定点入轨等终端约束”和“可靠性和运算速度满足在线使用要求”的优点，进一步提升了故障适应性，载货任务将力争进入预定轨道，直至燃料耗尽，载人任务将自主决策进入安全轨道。针对复杂飞行器的高可靠稳定性和高飞行性能需求，SLS采用AAC(Adaptive Augmenting Control)控制算法[21]，根据控制品质在线调整增益，扩展了SLS火箭对典型故障和飞行异常的适应性。

重型运载火箭是实施大规模深空探测任务的基础，其大直径、长箭体、大推力、长时间、高精度、低功耗和高可靠的特点对控制系统提出了更高的挑战：

1) 高可靠性和安全性：重型运载火箭有效载荷大和造价高，确保火箭在复杂的全任务剖面内可靠飞行是控制系统面临的重大挑战；

2) 多任务适应性：重型运载火箭系统复杂，需适应载人登月、深空探测等多种任务，要求控制算法必须能适应多任务，具有强鲁棒适应性；

3) 先进性：重型运载火箭拟应用超大推力的液体火箭发动机，采用单发动机双喷管新型伺服技术，在提高控制能力的同时，干扰和不确定性也大大增加，要求控制系统必须具有相应的系统先进性。同时，载人登月需要重型火箭末级在LEO轨道长时间运行，控制系统必须在借鉴成熟技术的基础上，充分应用新型的自适应控制技术，最大限度的发挥其潜能。

2.2 我国重型运载火箭控制系统设想

重型运载火箭控制系统将在第四代基础上应对未来挑战，进行突破和升级，主要表现在：

1) 信息处理能力增强，总线将完成更新换代。

重型运载多传感器的信息融合以及多处理器的并行处理使得信息量大大增加，控制系统信息处理的能力将增强。同时第四代控制系统普遍采用的1553B总线无论从站点数、通信距离、传输速度等方面均无法满足要求。实时以太网和FC总线是目前具有应用前景的选择方案。TTE和EPA通过一种能够以固定的端到端延迟和微秒级时延抖动进行确定性消息传递，具有灵活性的时分多路复用的带宽划分，基于以太网且与LAN网络兼容可使箭上、地面设计网络一体化，其传输速率和距离的优势将充分发挥。Ariane6火箭将会采用TTE总线[22]，猎户座飞船也采用了TTE总线。EPA总线具有功能安全、自主可控和网络自愈的优势[23]。而FC-AE-1553能够实现对MIL-STD-1553总线的平滑升级，具有通讯速率快、网络规模大、通讯距离远和可靠性高等优点，代表了未来航天总线的一个重要的发展方向[24]。上述3种总线均可作为重型火箭的优选方案，应在技术成熟度、工程化设计方面开展深化论证。同时新型总线也将促进分布式控制、IMA综合电子、自检测等技术的升级。

2) 突破主动容错重构控制技术，进一步提高系统飞行可靠性。

可重构控制是在传统余度控制理论的基础上发展起来的主动容错控制技术，开始于20世纪80年代初的自动维护和自修复飞行控制系统研究计划(SRFC)，与此同时航空界也进行了为商用飞机设计的重构飞行控制系统研究计划[25]，各航天大国也陆续开展了容错重构控制的研究。重型运载采用可重构控制技术，在线进行模型辨识、故障检测与隔离，调整重构容错控制器参数或结构，保持系统性能，以应对各种不确定和故障，并为应急处理争取时间。关键技术包括：在线模型辨识和参数整定、基于模型的自适应控制等，同时也需要新型传感器技术的支持，为火箭控制提供更多观测信息。

3) 突破自主控制技术，提升故障应对能力，确保飞行安全。

自主控制的特殊性在于具有在始料未及的态势下以目标为导向的适应与改变能力，这将是重型运载控制系统重要的技术进步。重型运载火箭利用传感器多维度感知飞行环境，不仅能实现实时环境条件及约束下的最优轨迹、最佳姿态飞行，还能适应外部飞行环境进行主动控制。在面对典型非致命的动力、控制机构等故障时，在严格的过程和终端约束下，自主在线快速评估系统故障影响，决策调整任务并控制火箭由当前状态转移到特定目标状态(故障状态下终端时刻可不再作为强制约束)，从而大幅减少发射前的人工准备工作，以获取最大科学回报为目标，提升火箭的适应能力。

4) 分布式控制技术将提升，系统集成度将更高。

IMA概念源于航空，通过在不同的子系统中共享软硬件资源，大量减少嵌入式的航电设备。重型运载航天综合电子的概念将进一步增强，由控制组合和高速总线系统构建一个功能全面、高效集成的系统，同时IMA技术也能较大程度降低成本。

5) 火箭BIT测试更全面，智能敏捷测发控将应用。

在新一代中型运载火箭中，仅控制系统的绝大部分参数由箭上设备自检测，而重型运载电气系统的被测量会大幅增加，通过有线连接至地面测试系统是不现实的，需采用火箭自检测技术，开展控制与测量的一体化设计。事实上，美国自航天飞机开始就采取了一种类似方案，地面系统通过“网关”收集飞行器的信息，以网络化的方式传输，地面测试系统将主要起分析判断作用。

6) 推广应用主动的环境和载荷控制技术，大幅提升运载火箭性能。

中国在从航天大国向航天强国迈进的过程中，航天器控制面临的挑战之一是：对环境载荷影响的控制问题[26]。由于对大气、引力等环境因素的影响机理尚未完全认知，故未能对环境载荷的影响实现有效控制，导致火箭采取加强结构强度的保守设计，影响了运载能力和有效投送比。通过应用主动的环境载荷控制技术，从控制系统角度能够降低环境载荷不确定性的影响，如采用基于攻角和变推力的实时卸载控制技术降低载荷、采用推力调节控制进行最大过载约束改善航天员面临的过载环境、主动的闭式增压控制为薄壁贮箱结构提供内压载荷等，这些技术将有助于降低运载火箭总体结构质量，提升有效运载能力。

3 结束语

半个世纪以来，长征系列运载火箭控制系统从无到有，持续改进，经历了模拟控制、平台-计算机方案、冗余容错控制及总线制分布式全数字控制等的发展，系统性能、可靠性不断提高，也更多地向主动的载荷和环境控制功能拓展。随着控制技术的发展和计算能力的增强，控制系统将向更智能、更集成、更可靠和更经济的方向发展，容错重构、智能自主控制将成为下一个具有划代特征的重大技术进步。

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Research on GNC System Generation of Long March Launch Vehicles

Hu Haifeng, Lv Xinguang, Song Zhengyu

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854, China

Thedevelopmentprogressofchineselaunchvehiclecontrolsysteminthepasthalfcenturyisreviewed.Itisthefirsttimetoresearchcontrolsystemintergenerationaldevelopmentsandanalyzethecharacteristicsofeachgeneration.Thethirdgenerationnowin-serviceandthefourthgenerationtobeappliedtoChinesenewgenerationlaunchvehiclearediscussed.Andthekeytechnologiesoffuturegenerationcontrolsystemareproposedandtheapplicationstoheavylaunchvehiclearediscussed.

Longmarchlaunchvehicle; GNC;Generationresearch;Intergenerationaldevelopment;Heavylaunchvehicle

2016-04-11

胡海峰(1978-)，男，河北保定人，硕士，研究员，主要从事运载火箭控制系统研制及系统集成技术研究；吕新广(1978-)，男，山东青州人，硕士，研究员，主要从事运载火箭制导系统设计；宋征宇(1970-)，男，江苏靖江人，研究员，博士生导师，主要从事飞行器控制、制导与仿真技术及系统集成技术等方面的研究。

V448

A

1006-3242(2016)06-0015-07