火箭快速測試技術分析

高琪 王磊 顧懿

摘 要：火箭測試在航天工程中發揮著重要的作用，對于火箭快速測試技術加以研究，評價其飛行時序與控制功能等，明確測試技術的具體要求，測試中存在的影響因素等，有利于明確技術的發展方向，更好服務于航天工程。

關鍵詞：運載火箭;測試技術;技術分析

火箭的技術水平代表了一個國家航天工程的整體能力。火箭快速測試技術蘊含著巨大的價值，已成為各國研究的熱點。分析火箭快速測試技術的相關要點，把握技術的發展方向，有助于推動航天工程的發展。

1 火箭測試技術的要求

1.1需要保證高可靠性

當前，國內外的運載火箭技術處于快速發展中，產品也處于快速更新中，因此對火箭測試技術提出了更高的要求。火箭測試技術需要結合運載火箭的特點保證其可靠性。作為火箭工程的核心組成部分，測試技術包括了計算機技術、電子技術、控制技術、導航技術等加以融合的產物。基于高精度時空信息的測試系統，可以實時地向控制器發出定位與姿態信息，控制器依據GNSS定位確定的坐標、INS姿態與車輪的定位來控制火箭姿態。

1.2需要保證低成本

采用低成本的火箭測試技術是全球研發的主流趨勢。系統選擇合適的低成本IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）器件，結合GNSS速度信息，確定最終的高精度位置與姿態信息，即符合當下組合航天領域的主流趨勢，又拓展了系統的定位手段。

2 火箭快速測試關鍵技術

2.1高精度時空網的建立

在具體的應用中，組網方式多種，比如可選擇無中心分布式，將傳統的點對點變為扁平化的模式，以滿足海域內通信的需要。系統內不節點的傳輸方式也可以靈活配置，也可以選擇任一節點作基準網，實現不同節點的通信。因此通信保障方案可以更加靈活。在數據的支持上，各節點處于對等的。不同節點可以與周圍節點發生鏈接，結合路由信息選擇鏈路進行傳輸。相鄰節點彼此間可以通信，以動態化的路由協議作為基礎，可以結合實際選擇不同節點動態組網。每個節點都可以設定為中轉站，保證了網絡內信號的覆蓋效果。網絡拓撲結構的動態變化由于有了協議的支持，可以適應火箭舶移動通信的需求。組網方式保證網絡的抗毀性，任何節點發生故障都不會影響網絡。在通信傳輸時，調制方式可依據接收信號強度自動加以調整。在條件具備時，接收信號可以達到要求時，調制的編碼方式為高階，如16QAM3/4，借助高效的編碼方式保證了高速數據傳輸的需要，由于高帶寬業務的應用，大量數據傳輸可以快速實現; 信號較弱條件下，調制采用低階，如選擇BPSK1/2，傳輸帶寬可以保證語音、數據傳輸的需要。系統可以采用TOD的同步與跳同步，保證了同步的無時差。在組網后，任意選擇可以建立群首模式。 群首采和分布式的“全網時間基準”，這種方式可以保證時間等級最高。對于其他節點，時間等級隨著距離跳數的增加會發生降低。節點可以周期對特定區域廣播，組網后時間基準與響應范圍得以延續。如果沒有入網的節點獲取鄰近節點的信息，會自動與已入網節點完成TOD信息同步，還可以自動更新TOD與RTC，依據新的TOD信息可以實現跳頻序列，這種方式中以保證網絡中時間隨時同步，并且可以同步映射于網絡中。更高等級的組網實現后，節點時間可以自動周期更新。

2.2控制算法

本系統的主要部件包括導航控制器、通訊模塊、液壓傳感器、液壓控制器和導航光靶等。系統的工作原理為：首先在導航光靶上設定行走線，設置導航模式（直線或者曲線），通過北斗/GNSS/慣導INS組合系統實時向控制器發送精確的定位信息和姿態信息。當控制器收到信息后，方向傳感器實時向控制器發送車輪的運動方向;控制器根據GNSS定位的坐標、INS姿態信息及車輪的轉動情況，實時向液壓控制閥發送指令，通過控制轉向液壓系統液壓油的流量和流向，控制火箭的行駛方向，確保火箭按照導航光靶設定的路線行駛。在研究過程中，將確定各子系統之間的參數配置與接口、數據流程以及格式、協議與標準，以及各子系統的具體工作任務與指標分配。控制算法是實現火箭測試的核心技術，主要包括火箭轉向操縱控制和路徑跟蹤控制兩部分內容。火箭在自動行進過程中，通過傳感器實時獲取火箭各項運動參數，將火箭的實際位置和航向信息與預定義的路徑比較，計算橫向偏差和航向偏差;決策控制器以橫向偏差和航向偏差信號作為輸入，通過內置的控制算法計算出預期轉角并傳輸到下位機;下位機控制器控制火箭轉角，以減小橫向偏差和航向偏差。

2.3高精度低成本GNSS/INS組合導航定位技術

在整個GNSS/INS組合火箭自動行進系統設計過程中，組合導航是實現的關鍵主體之一，因此其設計的好壞直接關系到系統的成功與否。由于INS具有完全自主、機動靈活，可以提供多種模式下導航。當前INS可以廣泛應用于多個不同的領域，但是INS的應用要考慮到誤差的影響。誤差隨時間的積累，會不斷增大，這是應用INS要解決的難點問題。火箭路徑跟蹤控制方法有多種，如線性模型、最優控制、PID控制、神經網絡、模糊邏輯、純追蹤模型等。線性模型體現出算法簡單的特點，并且易于優化控制參數，但是它的缺陷難以及時消除穩態誤差;PID控制是最為常見的控制方法，體現出算法簡單、魯棒性較強的優勢，穩態誤差易于消除，但是缺陷是控制參數難以優化;最優控制方法可以直接獲得較優控制參數，但是是應用中要結合運動學對模型參數加以優化，以保證曲線跟蹤的適應性;模糊控制對于被控對象不需要模型參數的高速，體現出較強的魯棒性，但是跟蹤誤差較大，快速修正難以實現;神經網絡在非線性運動條件下體現出較好的適應性，但是它的應用需要基于高質量的訓練，要有驗證樣本對比支持，因此泛化能力較弱。純追蹤模型基于幾何的角度加以推導，前視距離的選擇會對控制精度產生影響。

3 火箭測試技術的發展趨勢

在當前火箭快速測試技術的發展中，研究方向集中于開放式與分布式，在繼承現有技術優勢的同時，降低測試成本成為新一代測試技術的發展目標。隨著信息技術，三維圖紙在航空領域得以應用，異地通信指揮得以實現。信息的集中化可以克服空間距離，實現各類資源的共享。隨著網絡技術的發展，火箭測試更應用到更多的數據測試方法，有利于提升火箭測試的安全性能和技術穩定性。未來火箭測試將會向信息化數控的方向發展，網絡技術也將為火箭測試技術實施分布式遠程故障診斷提供及時智能診斷系統，有利于降低故障的發生率。網絡化的遠程故障診斷會成為火箭測試技術的重要趨勢。

結束語：

隨著運載火箭的發展，測試技術需要保證高性能、高質量、可靠性。在測試技術的研發中，縮短測試周期，降低成本，提升設施的性能是關鍵。針對測試關鍵技術問題的解決還需要火箭設計部門、制造部門、靶場人員的共同配合，統籌并進，不斷提升火箭測試技術的發展水平。

參考文獻：

[1]徐大富，張哲，吳克，李紅兵，林劍鋒，張曉東，郭筱曦.垂直起降重復使用運載火箭發展趨勢與關鍵技術研究進展[J].科學通報，2016，（32）：3453 ～ 3463.

[2]宋征宇.新一代運載火箭的數據驅動快速測試技術[J].宇航學報，2015，（12）：1435 ～1443.

[3]王秀芝，周華，樊玉婷，甄曉改，劉創.新一代運載火箭測試技術發展趨勢[J].四川兵工學報，2014，（08）：90 ～ 92，107.

[4]胡浩.運載火箭轉級控制器軟件的設計與實現[D].上海交通大學，2013.

（首都航天機械有限公司，北京 100076）