高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制性能評(píng)估方法

馬衛(wèi)華

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

在新型高超聲速飛行器研制中，對(duì)制導(dǎo)與控制方案做出迅速、合理的評(píng)價(jià)是一項(xiàng)重要工作［1］。影響高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能的因素種類(lèi)繁多，為了對(duì)實(shí)際制導(dǎo)與控制性能有較全面的認(rèn)識(shí)，使其滿足工程研制需要，需對(duì)其做出評(píng)估與鑒定。

通過(guò)制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評(píng)估，一方面可以評(píng)估各種制導(dǎo)與姿態(tài)控制方法的優(yōu)劣，通過(guò)定量測(cè)試找出多種制導(dǎo)控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)并分析其原因，從而改進(jìn)和提高;更重要的是在對(duì)高超聲速飛行器實(shí)際性能認(rèn)識(shí)較少的情況下，通過(guò)綜合評(píng)估來(lái)確定最適合該類(lèi)飛行器及飛行任務(wù)的制導(dǎo)與控制方案，或通過(guò)對(duì)多種方案進(jìn)行科學(xué)整合得到滿足任務(wù)需求的優(yōu)化方案。

國(guó)外在第二代可重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)、成員探測(cè)飛行器(CEV)等研制過(guò)程中廣泛采用評(píng)估手段來(lái)考核其制導(dǎo)性能［2］。在定性評(píng)估的基礎(chǔ)上采用定量評(píng)估方法，從需求定位、飛行任務(wù)、蒙特卡洛試驗(yàn)、評(píng)估指標(biāo)體系、計(jì)分方法等方面考慮，最終以計(jì)分或圖示的形式給出性能測(cè)評(píng)結(jié)果［3－4］。通過(guò)對(duì)多種制導(dǎo)方法性能的評(píng)估，對(duì)最終方案的確定及制導(dǎo)性能的改進(jìn)提供了重要依據(jù)。

本文基于高超聲速飛行器的特點(diǎn)，首先對(duì)其制導(dǎo)與控制性能進(jìn)行定性評(píng)估，在此基礎(chǔ)上建立了制導(dǎo)與姿態(tài)控制性能評(píng)估指標(biāo)體系，基于層次分析思想進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的分配，提出了一套適用于高超聲速飛行器的制導(dǎo)與控制性能評(píng)估方法，并給出了制導(dǎo)與姿態(tài)控制性能評(píng)估驗(yàn)證系統(tǒng)的框架，為后續(xù)高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制性能評(píng)估提供了重要參考依據(jù)。

1 制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能定性分析

制導(dǎo)控制性能評(píng)估首先是建立在對(duì)評(píng)測(cè)制導(dǎo)與姿態(tài)控制系統(tǒng)深入理解的基礎(chǔ)上，評(píng)估工作是定性分析和定量評(píng)分2種評(píng)估方式的有機(jī)結(jié)合。定性分析是定量評(píng)估工作的基礎(chǔ)，從總體上把握制導(dǎo)與控制方案的基本情況，相關(guān)定性評(píng)估結(jié)論可用于指導(dǎo)定量評(píng)估工作。定量計(jì)算反映制導(dǎo)與姿態(tài)控制各項(xiàng)性能的指標(biāo)，找出被測(cè)制導(dǎo)與姿態(tài)控制方案在各個(gè)方面存在的問(wèn)題與優(yōu)勢(shì)。通過(guò)定性與定量的評(píng)估工作，整合各個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)得到適合飛行器研制任務(wù)需求的制導(dǎo)與控制方案。

1.1 測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)

飛行器任務(wù)設(shè)計(jì)是制導(dǎo)控制性能評(píng)估工作的重要一步，在進(jìn)行任務(wù)設(shè)計(jì)之前，首先應(yīng)對(duì)該型飛行器進(jìn)行任務(wù)需求分析，進(jìn)而明確對(duì)制導(dǎo)與姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求以及需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，評(píng)估工作只有以科學(xué)合理的飛行任務(wù)作為評(píng)估測(cè)試條件，才能真正得到滿足任務(wù)需求的確定方案。例如，對(duì)于可重復(fù)使用運(yùn)載器，其高可靠性/安全性和運(yùn)行成本是其考慮的2個(gè)主要需求，因此在性能評(píng)估測(cè)試時(shí)，根據(jù)任務(wù)需求，可設(shè)計(jì)正常飛行任務(wù)、異常飛行任務(wù)如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障、推力散布、姿控能力下降、建模誤差等情況［5］。

綜上分析，在設(shè)計(jì)飛行任務(wù)之前要明確該飛行器對(duì)制導(dǎo)與控制的任務(wù)需求以及為了滿足這個(gè)需求需要具有的關(guān)鍵技術(shù)。只有這2個(gè)問(wèn)題真正明確了，評(píng)估中的飛行任務(wù)設(shè)計(jì)才會(huì)有針對(duì)性，才能體現(xiàn)出性能評(píng)估在此類(lèi)飛行器研制中的真正價(jià)值。

1.2 制導(dǎo)與控制關(guān)鍵性能及需考慮的因素

制導(dǎo)與姿態(tài)控制關(guān)鍵性能是評(píng)估指標(biāo)體系制定的依據(jù)。制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是對(duì)這些性能進(jìn)行優(yōu)化折中，軌跡質(zhì)量是制導(dǎo)控制性能的外在表現(xiàn)，制導(dǎo)控制關(guān)鍵性能指標(biāo)除再入軌跡相關(guān)的性能外，還包括像模型自適應(yīng)能力、系統(tǒng)裕度等方面的內(nèi)在性能，制導(dǎo)與控制關(guān)鍵性能有到達(dá)指定目標(biāo)點(diǎn)的精確度、滿足約束情況、對(duì)干擾、不確定性的裕度和敏感性、任務(wù)適應(yīng)性、匹配導(dǎo)航系統(tǒng)能力、制導(dǎo)與姿控系統(tǒng)匹配性、算法復(fù)雜性等。

評(píng)估制導(dǎo)與姿態(tài)控制性能，就需要找出影響其性能的重要因素，并將這些影響因素進(jìn)行系統(tǒng)建模，在進(jìn)行評(píng)估時(shí)將這些因素科學(xué)地加入到評(píng)測(cè)仿真中［6］。影響制導(dǎo)控制性能的因素主要有飛行器氣動(dòng)模型、環(huán)境模型、導(dǎo)航設(shè)備輸出的速度/位置信息、飛行器質(zhì)量特性、控制能力等［7］。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

無(wú)論任何評(píng)估方法，最終都是通過(guò)對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)［8］。指標(biāo)體系一般覆蓋系統(tǒng)性能評(píng)估需重點(diǎn)關(guān)注的多個(gè)方面，對(duì)控制系統(tǒng)而言包括精確性、魯棒性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)等，以逐級(jí)分解的形式構(gòu)成了指標(biāo)體系的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，并可通過(guò)設(shè)置權(quán)重系數(shù)的方式來(lái)體現(xiàn)不同指標(biāo)的重要程度。對(duì)于底層指標(biāo)，可直接由仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià);對(duì)于非底層指標(biāo)，則由其下級(jí)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合評(píng)價(jià)。圖1給出了指標(biāo)體系分解示意圖。

圖1 指標(biāo)體系分解示意圖

2.1 制導(dǎo)性能評(píng)估指標(biāo)體系

制導(dǎo)性能的評(píng)估是一個(gè)典型的多目標(biāo)決策問(wèn)題，其根本是對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)的性能進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。制導(dǎo)性能可分為靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能2個(gè)方面。

(1)靜態(tài)性能

靜態(tài)性能主要體現(xiàn)對(duì)飛行器總體技術(shù)指標(biāo)的滿足情況，具體體現(xiàn)在物理約束、特定戰(zhàn)技指標(biāo)的滿足程度。其中:物理約束主要包括駐點(diǎn)熱流、動(dòng)壓及過(guò)載等過(guò)程約束;戰(zhàn)技指標(biāo):如縱程、橫向機(jī)動(dòng)能力、終端高度、終端速度、終端彈道傾角、終端彈道偏角等。

(2)動(dòng)態(tài)性能

制導(dǎo)的任務(wù)是將滑翔飛行器準(zhǔn)確地從再入點(diǎn)導(dǎo)引到指定的目標(biāo)狀態(tài)，為減小姿態(tài)控制系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，制導(dǎo)系統(tǒng)生成的制導(dǎo)指令必須易于實(shí)現(xiàn)，這類(lèi)要求稱(chēng)為動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)性能包括制導(dǎo)方法的可實(shí)現(xiàn)性、適應(yīng)性?？蓪?shí)現(xiàn)性主要是衡量制導(dǎo)方法的計(jì)算量是否滿足彈載計(jì)算機(jī)的計(jì)算要求。適應(yīng)性主要是反映制導(dǎo)方法對(duì)一些參數(shù)偏差擾動(dòng)等的魯棒性，如級(jí)間分離參數(shù)波動(dòng)、關(guān)機(jī)點(diǎn)參數(shù)波動(dòng)，初始條件偏差等。圖2給出了高超聲速飛行器制導(dǎo)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖2 制導(dǎo)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

從圖2可以看出，制導(dǎo)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為過(guò)程約束指標(biāo)、控制約束指標(biāo)、終端約束、工程可實(shí)現(xiàn)性、方法適應(yīng)性等頂層指標(biāo)，各頂層指標(biāo)又可細(xì)分為若干底層性能指標(biāo)，而底層性能指標(biāo)為性能評(píng)價(jià)的直觀表現(xiàn)形式。

2.2 姿態(tài)控制性能評(píng)估指標(biāo)體系

對(duì)于姿態(tài)控制而言，其性能指標(biāo)一般從動(dòng)態(tài)品質(zhì)、參數(shù)攝動(dòng)適應(yīng)性、外界干擾適應(yīng)性和工程實(shí)現(xiàn)性4個(gè)方面來(lái)考慮，而每一方面又涉及到若干具體指標(biāo)。

動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo):考察姿態(tài)控制系統(tǒng)跟蹤或保持給定姿態(tài)指令的品質(zhì)，除各通道控制系統(tǒng)的精確性、快速性和平穩(wěn)性指標(biāo)外，還需考查姿控系統(tǒng)對(duì)于通道間耦合效應(yīng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)抑制能力。

參數(shù)攝動(dòng)適應(yīng)性和外界干擾適應(yīng)性分別考察姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)于飛行器自身參數(shù)攝動(dòng)、外部干擾因素的適應(yīng)能力，并進(jìn)行量化評(píng)估。

工程實(shí)現(xiàn)性驗(yàn)證所研究的理論和方法是否適用于工程實(shí)際，重點(diǎn)關(guān)注控制律的計(jì)算耗時(shí)。

圖3給出了姿控評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，可以看出，對(duì)于任意底層指標(biāo)而言，又有具體的考核方式，如準(zhǔn)確性主要通過(guò)非零初值下回零的穩(wěn)態(tài)值來(lái)考核，而滾動(dòng)到側(cè)滑動(dòng)態(tài)交聯(lián)的抑制能力主要通過(guò)傾側(cè)角階躍指令下側(cè)滑角瞬態(tài)最大增量來(lái)考核。

3 性能評(píng)估方法及實(shí)現(xiàn)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)決策的過(guò)程，常用專(zhuān)家評(píng)分法、分層分析(AHP)法、模糊綜合法等進(jìn)行評(píng)價(jià)，這些方法采用定性與定量相結(jié)合的方式，其評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的權(quán)威性。在性能評(píng)估的初期階段，可采取專(zhuān)家查看仿真結(jié)果的評(píng)估手段，該評(píng)估手段雖然非常有效，但需占用大量時(shí)間來(lái)評(píng)估各類(lèi)不同算法的仿真結(jié)果，且評(píng)估結(jié)論帶有一定主觀性。為了使評(píng)估結(jié)果更加高效、客觀，可將整個(gè)算法評(píng)估過(guò)程自動(dòng)化并量化每一個(gè)評(píng)估指標(biāo)，最終完成評(píng)估任務(wù)。

3.1 評(píng)估模型的建立

首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)體系，建立相應(yīng)的綜合評(píng)判模型。

基于層次分析法的思想，對(duì)影響系統(tǒng)性能的各考核指標(biāo)按層次進(jìn)行描述，以?xún)杉?jí)性能指標(biāo)為例，建立性能評(píng)價(jià)的二級(jí)評(píng)價(jià)因素集

圖3 姿態(tài)控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

其中:ni為Si中評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

對(duì)于任意Si中元素的計(jì)算采用計(jì)分原則，通過(guò)預(yù)先設(shè)定一定的比較邏輯關(guān)系將實(shí)際指標(biāo)值與總體考核值進(jìn)行比較，得到實(shí)際情況下各因素對(duì)應(yīng)的分值Vini用以表示每項(xiàng)指標(biāo)的滿足程度。對(duì)應(yīng)底層指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)集可表示為:

3.2 性能評(píng)估指標(biāo)的加權(quán)預(yù)處理

確定S和Si中每個(gè)因素在綜合評(píng)估過(guò)程中的重要程度，設(shè)S中每個(gè)因素相對(duì)S的權(quán)重集為:

對(duì)應(yīng)Si中每個(gè)因素組成的權(quán)重集:

權(quán)重選擇直接反映各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)上一級(jí)指標(biāo)的影響程度，指標(biāo)權(quán)重的設(shè)計(jì)往往依靠專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀評(píng)定，從而不可避免地產(chǎn)生了主觀性和不確定性，很難對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行全面、合理的綜合評(píng)價(jià)［9］?？尚械乃悸肥腔趯哟畏治龇?、專(zhuān)家調(diào)查法等相結(jié)合進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，可有效防止單一主觀賦權(quán)方法所得權(quán)重重要程度排序與實(shí)際情況不符的缺點(diǎn)，使得到的指標(biāo)權(quán)重更加可信［10］。

3.3 性能的綜合評(píng)價(jià)

基于所建立的綜合評(píng)判模型和權(quán)重矩陣，可以得到對(duì)應(yīng)不同級(jí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)于任意Ui各因素的評(píng)價(jià)結(jié)果:

對(duì)應(yīng)U的各因素的評(píng)價(jià)結(jié)果為:

最終得到的評(píng)價(jià)結(jié)果以分值的形式來(lái)描述，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀，符合人們的認(rèn)知過(guò)程，且實(shí)際操作過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)。

4 制導(dǎo)與控制性能評(píng)估

4.1 制導(dǎo)與控制定量評(píng)估方法

基于高超聲速飛行器對(duì)制導(dǎo)控制任務(wù)需求的分析，從評(píng)估的角度將其分為若干個(gè)任務(wù)狀態(tài)。對(duì)于可重復(fù)使用運(yùn)載器來(lái)說(shuō)，可分為正常飛行任務(wù)和可靠性/安全測(cè)試任務(wù)。正常飛行任務(wù)可分為亞軌道標(biāo)稱(chēng)任務(wù)和在軌返回任務(wù);可靠性/安全測(cè)試任務(wù)又可分為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)故障飛行任務(wù)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力散布飛行任務(wù)、姿態(tài)控制性能下降飛行任務(wù)、氣動(dòng)建模誤差飛行任務(wù)等。而對(duì)應(yīng)每一種任務(wù)又可根據(jù)不同的測(cè)試條件分為若干子任務(wù)。在各個(gè)子任務(wù)測(cè)試過(guò)程中，需考慮氣動(dòng)偏差、大氣密度偏差、風(fēng)干擾、質(zhì)量特性、導(dǎo)航誤差、推進(jìn)劑晃動(dòng)等各種隨機(jī)擾動(dòng)與不確定性的影響，通過(guò)蒙特卡洛仿真來(lái)確定每項(xiàng)性能指標(biāo)的滿足情況。對(duì)于蒙特卡洛散布測(cè)試，每一項(xiàng)指標(biāo)的得分都應(yīng)是該次測(cè)試的平均值。

制導(dǎo)與控制性能評(píng)估計(jì)分采用由下到上的順序，具體步驟可分為4步:

1)計(jì)算飛行任務(wù)所對(duì)應(yīng)的每一個(gè)性能指標(biāo)得分。在根據(jù)每一類(lèi)指標(biāo)的具體計(jì)算方法得到指標(biāo)性能后，該指標(biāo)性能的計(jì)分方式如圖4所示，當(dāng)單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)在 A點(diǎn)橫坐標(biāo)左邊時(shí)，該項(xiàng)指標(biāo)得分為100。當(dāng)單項(xiàng)指標(biāo)在B點(diǎn)橫坐標(biāo)右邊時(shí)，該項(xiàng)指標(biāo)得分為0。對(duì)于處于A，B兩點(diǎn)之間的單項(xiàng)指標(biāo)值，通過(guò)A，B兩點(diǎn)確定的線性函數(shù)完成評(píng)分。需要指出的是，對(duì)于每一個(gè)指標(biāo)，圖中A，B兩點(diǎn)坐標(biāo)的確定需要綜合考慮飛行器自身能力、交接班需求等。

圖4 單項(xiàng)指標(biāo)性能計(jì)分方式

2)計(jì)算每一個(gè)子飛行任務(wù)所對(duì)應(yīng)的得分。計(jì)分方式采用各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)得分的加權(quán)和。

其中，w指標(biāo)1，w指標(biāo)2，…，w指標(biāo)n分別為指標(biāo)S指標(biāo)i對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

3)計(jì)算每一類(lèi)飛行任務(wù)所對(duì)應(yīng)的得分。以規(guī)定蒙特卡洛散布下試驗(yàn)飛行任務(wù)為例，有如下計(jì)分公式:

其中，w子任務(wù)1，w子任務(wù)2，…，w子任務(wù)n分別為子任務(wù)S子任務(wù)i對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

4)將各類(lèi)任務(wù)相加得到制導(dǎo)與控制性能總分:

其中，w類(lèi)任務(wù)1，w類(lèi)任務(wù)2，…，w類(lèi)任務(wù)n分別為類(lèi)任務(wù)S類(lèi)任務(wù)i對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

前面論述的制導(dǎo)與姿態(tài)控制評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是通用的，但針對(duì)飛行器不同的飛行段或所要完成的任務(wù)，各性能指標(biāo)的選取及所占有的比重不同。因此需以飛行任務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn)，從制導(dǎo)與控制性能指標(biāo)體系中選擇合適的指標(biāo)組成每一飛行任務(wù)對(duì)應(yīng)的任務(wù)指標(biāo)體系，并相應(yīng)的進(jìn)行權(quán)重分配。例如對(duì)于高超聲速飛行器的中制導(dǎo)段，該段既要滿足該段飛行的過(guò)程約束條件，又要為下一段提供良好的初始條件，即對(duì)終端條件提出一定的要求，同時(shí)對(duì)初始偏差具有一定的魯棒性。因此，性能指標(biāo)的確定需綜合考慮多種因素的影響。

4.2 性能評(píng)估總體框架

高超聲速飛行器不同于以往飛行器，對(duì)其制導(dǎo)與姿態(tài)控制方案直接進(jìn)行評(píng)估是非常困難的，需要從理論與仿真兩方面對(duì)方法本身進(jìn)行深入的分析。性能綜合評(píng)估主要包括2個(gè)部分:一是需考慮其自身特點(diǎn)選取合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立一個(gè)完整的評(píng)價(jià)體系;二是評(píng)估方法與算法。為實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制性能評(píng)估驗(yàn)證，構(gòu)建仿真驗(yàn)證系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，需搭建高保真度的高超聲速飛行器制導(dǎo)控制性能評(píng)估驗(yàn)證平臺(tái)，圖5給出了高超聲速飛行器制導(dǎo)控制性能評(píng)估平臺(tái)的總體框架。

該平臺(tái)涵蓋彈道設(shè)計(jì)、制導(dǎo)與控制策略驗(yàn)證、三/六自由度仿真驗(yàn)證、模擬打靶、測(cè)試算例自動(dòng)生成等功能，通過(guò)自動(dòng)進(jìn)行單偏差或蒙特卡洛仿真，能夠自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)仿真結(jié)果進(jìn)行在線判讀，進(jìn)行異常提示、處理，集成仿真驗(yàn)證評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，完成多個(gè)制導(dǎo)姿控方案的驗(yàn)證、比較及優(yōu)化。該平臺(tái)可以為各種制導(dǎo)與姿態(tài)控制理論及方法的有效性和可行性提供驗(yàn)證，為高超聲速飛行器制導(dǎo)姿控方案設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在探討高超聲速飛行器制導(dǎo)與姿控可能的性能指標(biāo)與約束要求的基礎(chǔ)上，建立了較為完整的制導(dǎo)與姿控性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?；趯哟畏治龅乃枷?，提出了一套簡(jiǎn)單可行的高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制性能評(píng)估方法，構(gòu)建了性能評(píng)估平臺(tái)總體框架，為后續(xù)高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制方法的評(píng)估提供了重要的方法與工具。通過(guò)對(duì)高超聲速飛行器制導(dǎo)與姿控方法進(jìn)行性能評(píng)估，可以為高超聲速飛行器工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性建議和決策依據(jù)，從而能夠確保所采用的制導(dǎo)與姿態(tài)控制方案及所采用的設(shè)計(jì)方法能夠充分發(fā)揮高超聲速飛行器的性能。

圖5 制導(dǎo)控制性能評(píng)估平臺(tái)總體框架

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