淺談資訊整合在航天運輸控制系統中的應用研究論文

　　資訊整合 ***整合平臺*** 是指系統中各子系統和使用者的資訊採用統一的標準，規範和編碼，實現全系統資訊共享，進而可實現相關使用者軟體間的互動和有序工作。以下是小編今天為大家精心準備的：淺談資訊整合在航天運輸控制系統中的應用研究相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!

　　淺談資訊整合在航天運輸控制系統中的應用研究全文如下：

　　引言

　　在航天領域，隨著SpaceX 等私人航天企業的湧入，包括Ariane 和ULA 在內的多家航天機構均紛紛感到了競爭的壓力，開始研究如何快速、可靠和低成本地實現火箭的發射服務。為了應對挑戰，航天運輸系統應認真考慮使用性問題，尤其長征系列火箭還未能真正參與國際市場競爭，使我們長期對這方面的需求不再敏感甚至認為沒有需要。同時，火箭競爭力往往用運載能力等總體指標來衡量，對於其他分系統能發揮的作用，討論得甚少。本文將重點探討資訊科技的發展給航天運輸控制系統***包括地面測發控系統***帶來的機遇與挑戰。

　　目前，資訊科技對航天控制的影響，更多聚焦於多感測器的資訊融合以及多處理器的並行處理等領域，這體現了資訊科技的兩個特點:資訊量大大增加，資訊處理的能力以及需求也大大增加，但資訊科技的作用不僅限於此。應該看到，資訊科技是基礎技術，當基礎技術的能力得到了提升，我們同樣要回歸到基礎去重新認識現有的設計，去源頭尋找解決新問題的新途徑。例如，過去由於處理能力不足而簡化或省略的功能是否需要補充完善，總體的風險是否需要進行調整等。

　　在進行運載火箭控制系統設計時，首先進行系統方案設計，其重點是確定飛行的軌跡並評估精度;在此基礎上，按照系統從大到小進行任務劃分，例如，首先確定飛行系統與地面測發控系統的任務介面;其次，針對飛行系統中的電氣系統，明確控制分系統與測量分系統之間的任務介面;針對控制分系統，再進一步劃分裝置的組成及其內部軟硬體的分工。

　　未來空間運輸系統的任務將更加複雜，對其自主控制能力的要求也更高，總體、控制、動力等多學科融合的趨勢愈來愈強，單純依靠某一個系統的優化設計空間已越來越窄。因此，考慮到未來自主控制以及“快速、可靠、經濟”地進出空間的需求，本文分析了資訊整合技術在上述設計流程中能夠發揮的作用，提出了四個“一體化”的設計理念，即:

　　1***利用箭上計算裝置的計算能力，完成線上自主軌跡規劃，實現“制導與彈道設計的一體化”，增強自主控制的能力和適應性;

　　2***藉助於箭上系統的資訊處理能力，進行自檢測***Built in Test，BIT***，實現“BIT 與地面測試系統的一體化”，重新規劃飛行系統和地面測發控系統的任務分工，從而達到快速發射和精簡技術保障人員的目的;

　　3***充分發揮箭上智慧單機的處理能力，實現“控制與測量系統的一體化”，減少單一功能的裝置，並採用平臺化的設計理念，避免重複開發，進而降低成本，提高產品成熟度和可靠性;

　　4***設計通用的軟硬體一體化開發平臺，實現“模型驅動的軟硬體設計一體化”，為方案論證和選型提供統一建模與模擬的環境，確保設計一次成功，避免方案性反覆。

　　由於資訊科技的發展，傳統的功能領域得以延伸，並且可以整合其他功能;而第四項一體化則為方案設計的早期驗證提供了“量化”分析的條件。

　　1 制導與彈道設計的一體化

　　1. 1 軌跡優化中的間接法與直接法

　　傳統上制導與彈道分屬兩個設計領域，彈道設計是離線的靜態優化，而制導控制則是線上的動態優化。許多設計約束由彈道設計來保證，制導僅完成與入軌精度相關的終端約束的控制。但是，隨著閉路制導技術的應用，制導系統會實時規劃滿足終端約束的軌跡，有可能偏離標準彈道，從而導致彈道設計中的隱式約束無法得到滿足;如果在制導控制中加上這些約束，傳統的設計方法有可能得不到合適的解析解。

　　飛行器軌跡優化問題實際上是一種帶有狀態約束和控制約束的最優控制問題。解決這類問題，間接法和直接法是最常用的兩類方法。間接法基於極大值原理推導最優控制的一階必要條件，它們構成了求解最優軌跡的Hamiltonian 邊值問題，由於不對效能指標函式直接尋優，因此該方法稱為間接法。當前的大多數實時軌跡優化方法都對動力學方程進行了不同程度的降階處理，僅針對某種具體的問題有效。這種應用存在以下不足:1*** 約束條件不同，演算法會體現很大差異，很難有一個通用的解決方案或框架;2***許多情況下難以得到表達完美的解析解，這時往往要對模型進行簡化;3*** 即使如此，許多複雜約束還是難以解決，只能對約束條件進行精簡，其代價往往由總體承擔轉嫁到有效載荷。

　　直接法比間接法出現更早，採用引數化方法將連續空間的最優控制問題求解轉化為一個非線性規劃***NLP***問題，通過數值求解該非線性規劃問題來獲得最優軌跡。在計算機技術迅速發展的近30年，直接法有了較快的發展，並且開始應用於航天領域。這些方法的不同體現在對連續最優控制問題的轉換、離散化等方面，文獻還概述了一些很有應用前景的方法，如偽譜法，滾動時域優化法等，尤其是離散控制變數和狀態變數的偽譜法，備受關注。該方法成功應用到國際空間站的調姿優化，但對於大氣層內飛行段，其實時性尚未得到驗證。

　　在國內，從多級固體火箭上升段到高超聲速飛行器再入段，偽譜法在離線軌跡優化中得到了普遍應用。為提高效率，常採用與直接法結合或序列分段優化的策略，設計一條優化軌跡的時間從數分鐘至數秒，並具有了應用於線上制導的潛力。而文獻提出的收斂深度控制策略，可將特定條件下的優化時間縮短至100 ms 以內，這為線上優化提供了條件。

　　如果能進一步提高直接法的計算效能，採用統一的建模方式，實時地解算各種過程約束或終端約束、等式約束或不等式約束，則制導控制與彈道設計就能實現一體化。這不僅是自主飛行控制的需求，也是技術發展的必然。

　　聯立法在過程控制領域應用廣泛，國內也開始嘗試將這項技術應用到航天運輸系統的設計。運載火箭飛行全過程是多階段、非線性、變動力學模型，以某型火箭為例，其設計約束包括如下部分:

　　1***入軌精度要求;

　　2***入軌姿態要求;

　　3***控制變數的變化率要求*** 如全程角速度限制***;

　　4***分離前控制變數保持不變的要求;

　　5***殘骸落點位置的要求;

　　6***攻角的要求。

　　傳統上只有第1 項約束是制導系統直接控制的，如果同時考慮其他約束，則難以推匯出解析表示式，因此其他約束均隱含在標準彈道中。但若在自主控制下偏離標準彈道，上述約束條件就可能都無法滿足，這使得制導系統的自主性以及應對突發事件的適應能力均有不足，這也是一體化設計所要解決的問題，即自主的軌跡規劃要能滿足所有約束。需要重點解決多階段非線性系統的動態優化、複雜約束動態系統聯立優化等技術難題，並對系統模型進行適應性的重構。

　　1. 2 聯立法的解題框架

　　將火箭運動模型以及各種約束條件按時域劃分有限元，並用插值多項式對各變數進行逼近。然後計算Jacobian 矩陣，並將其結果與離散模型送至非線性規化求解器*** Nonlinear Programming，NLP***。NLP 對聯立的方程進行求解，將計算結果返回離散模型，計算殘差。若殘差滿足要求，則本次軌跡規劃成功，將離散的最優解插值成最優控制曲線;如果殘差不滿足要求，NLP 將進行搜尋方向的計算，更新各變數，並再次求解，這一過程反覆迭代。

　　目前，提高計算效率的主要研究方向為以下幾個方面:

　　1***通過自適應移動有限元方法確定合適的有限元個數;

　　2***通過初值發生技術選擇變數的初值;

　　3***採用多階段動態聯立優化方法*** 而非分段序列優化方法***解決質量突變以及推力非線性變化的情況;

　　4***通過收斂深度控制提高運算速度;

　　5***合理選擇殘差避免不收斂的情況。

　　演算法的優化、計算速度的提升以及並行處理技術的發展，都將促進這項技術的應用。從中可以看出，模型離散化與具體飛行的任務需求相關，其他工作均可以由計算裝置自動完成，從而提供了一種通用的解題框架。該技術的突破，將為此類問題的實時動態求解開闢新的技術途徑，其應用也不僅僅侷限於航天運輸系統。

　　2 BIT 與地面測試的一體化設計

　　2. 1 現狀分析

　　簡化測發控操作，減少發射準備時間，精簡現場保障人員;同時提高測試覆蓋性，縮短天地差異性，加強裝置通用性，這些看似矛盾的需求，是當前對測發控系統的新要求。漸進式改進已難以大幅提升效能，必須從源頭重新規劃，即將箭上控制系統的設計與測試發控的需求結合起來統籌考慮。在這方面，日本Epsilon 固體小運載火箭甚至提出了移動發射控制的概念，通過網路可以在世界的任何一個地方利用一臺行動式計算機方便地檢查和控制火箭發射，主要實現流程控制;而火箭發射準備階段的測試以及故障診斷、重構等工作全部由箭上系統來自主實現，並將是否滿足發射條件傳送至地面供控制中心人員決策。而國內的研究更多著眼於傳統地面裝置的整合，實現地面裝置的統一化設計和型號之間的共享，對如何利用箭上系統的自檢測功能來簡化地面測試還少有論及。

　　結合我國的實際情況，雖然利用箭上裝置BIT功能實現自檢測***資料採集*** 被認為是可行的，但將資料的分析、故障的診斷以及是否滿足發射條件的決策仍交由地面指揮控制中心來完成，是箭、地任務分工較為合理的一種方案，目前已進入了應用研究階段。

　　2. 2 匯流排竊聽與箭地高速測試匯流排

　　與Epsilon 的方案相比，箭上裝置只負責資料的採集，這樣減輕了箭上產品的負擔;箭地之間設計大容量的高速測試匯流排***High-speed Measurement Bus，HMB***，按傳輸速率≮20Mbps、通訊距離≮200 米設計，基於HMB 的資料取樣稱作“匯流排竊聽”技術，以區別於1553B 匯流排等的“匯流排監聽”技術。

　　考慮到箭載計算機是火箭控制系統的主控裝置，對其機內資料匯流排的檢測相當於獲取了與計算機相關的所有輸入***對應各種感測器***和輸出***對應各種控制指令*** 訊號，因此將資料監測點設定在箭載計算機的機內匯流排端;同時為避免對飛行軟體的影響，這些檢測應全部自動實現並將資料通過HMB下傳至測發控系統***自動竊聽併發送***。為便於箭、地主動的收發通訊，設計單獨的使用者郵箱。

　　HMB 將在箭、地系統之間建立統一的介面，在活動發射平臺的前端裝置間配置一臺通訊終端，通過該終端利用網路通訊，可以將資料傳送至指揮控制中心的資料處理終端或後方系統設計單位。為保證通訊的可靠，應適應並接兩個或多個通訊終端的情況。

　　2. 3 自動判讀與閉環測試

　　藉助於HMB，首先可以實現“基於模型和資料驅動的自動判讀”。地面能夠直接“竊聽”到飛行控制軟體的輸入訊號及產生的控制訊號;其他匯流排站點的訊號封裝成遙測量，由箭機作為匯流排控制器轉發給遙測系統時，地面通過對匯流排介面的監測也能獲取這些資料，於是地面系統可以據此採用相同的演算法***模型***進行箭上控制過程的同步推算，並將計算結果與箭上裝置進行對比，這就是“基於模型”和“資料驅動”的含義。理論上二者的處理結果除計算誤差外應基本一致。當然地面與箭上的開發小組應不同，採用類似於多版本的經驗來消除共因失效。這種分析是自動且近似“實時”的，並且對測試用例不敏感:當用例改變，即箭上各種控制器的輸入條件改變時，箭上與地面系統的計算結果也都發生改變;但只要二者一致，說明系統工作正常，並不需要提前準備固定的判據。這種分析技術為閉環測試提供了便利，以控制系統總檢查測試為例。

　　可以看出這種測試是閉環的。地面模擬計算機通過HMB 獲取發動機擺角資訊，模擬箭體的運動，並將解算後的速度、位置和姿態轉換為慣性測量裝置的訊號，通過箭地郵箱反饋至箭載計算機中，形成閉環反饋控制系統。這種將被控系統的模型與電氣系統匹配性測試整合在一起的方案，稱作“系統在迴路”的綜合試驗方案，結合了電氣系統測試和模擬試驗二者的優點。例如，在地面模擬軟體中設定不同的干擾狀態，從而產生不同的測試用例***但並沒有改變硬體的狀態***，增大了測試的覆蓋性;而通過前文介紹的智慧判讀技術，資料的分析全部自動進行。更主要的是，這種測試可以在總裝廠、發射現場實施，從而大大提高在這些場合測試的有效性和覆蓋性。

　　通過上述任務的重新分配，由此可以梳理出新型測發控系統的特點:

　　1***箭地之間的連線除供電訊號外，其餘將以標準化的數字匯流排為主，這簡化並且規範了介面關係，易於型號間通用。

　　2***地面測試的工作性質已轉變為資料分析，“測試與發射控制系統”將轉型為“發射控制系統”，重點是流程控制。

　　3***測試資料的分析採用與箭上裝置同樣的模型，將專家事後分析資料的過程實時化、智慧化，減少了控制中心或後方單位的技術保障人員;具備對不同測試用例的“自適應性”，創造了閉環測試的條件，在簡化操作和測試的同時增強了地面測試把關的力度。

　　3 控制與測量系統的一體化設計

　　3. 1 現狀分析

　　控制與測量系統是火箭電氣系統的兩個主要組成部分。為避免共因失效，測量系統一般獨立於被測系統之外。但隨著電氣產品整體可靠性和成熟度的提升以及各種冗餘技術和BIT 技術的使用，這種獨立的系統設計方案顯得過於複雜，主要體現在以下方面:

　　1***控制系統產品的可靠性、環境適應性、地面試驗考核的力度均得到很大提升;

　　2***控制系統採用各種高效能的處理器，不僅具備BIT 的能力，且在取樣精度、取樣頻率、資料處理等方面已超過遙測系統資料採集單元;

　　3***控制系統普遍採取冗餘設計，並基本解決了“單故障點”問題，使得BIT 測試具備了冗餘能力，提高了BIT 測試的可靠性。

　　國外火箭也意識到了這一點，例如法宇航在“Avionic-X”專案中，提出兩個系統一體化的初步設想，以“飛行控制單元1”為例，包含有控制與測量各自的資料處理模組***類似於計算機***、衛星導航***GNSS***模組、慣性測量模組以及共用的供電模組等，並開始借鑑航空系統中的“整合模組電子系統”架構。

　　國內也較早地開展了航天電氣產品模組化、整合化的應用研究，提出通用資訊化的整合框架，但尚未考慮分系統間的整合。在綜合分析可靠性、成本雙重因素下，測量分系統中的相關功能，尤其是用於對控制系統訊號進行取樣、編碼、傳輸的各種資料採集單元，具備了與控制分系統一體化設計的條件。

　　3. 2 模組化/組合化/整合化設計

　　控制與測量功能的整合並非簡單組合，需要電氣系統從頂層進行規劃，按照“模組化/組合化/整合化”***以下簡稱“三化”*** 的思想進行設計，並要兼顧地面測試的需求。

　　從新一代運載火箭控制系統的研製看，隨著數字化技術的應用，控制系統智慧單機*** 指含有CPU的單機***的配置均基本相同，均含有標準化匯流排介面、處理器、儲存器、時鐘、FPGA、電源模組、匯流排協議晶片等，不同之處都集中在I /O 介面上，例如，伺服控制要採用放大器介面，時序和閥門控制要採用大功率的開關量介面，推力調節則主要是脈寬調製控制和脈衝量介面，等等。因此，上述“三化”設計的思路是，在基本配置均相同的前提下，通過配置不同的I /O 介面，實現各自特定的功能，從而避免重複開發、CPU 種類繁多等不利於資源共享、成熟度提高和降低成本的開發模式，這就需要對各種基本模組和介面模組進行合理規劃。

　　含有處理器的裝置主要有箭載計算機、各級***類***控制器以及各類慣性測量裝置，這些裝置都可以採用“三化”的設計，從而形成不同的整合控制單元。

　　每個整合控制單元除完成控制以及自身的自檢測功能外，還可以兼顧“周邊”相關非智慧裝置訊號的檢測，如各種感測器訊號、配電訊號等，其思想是儘可能多地發揮處理器的“富裕”能力，減少單一功能的單機。整合控制單元採用平臺化設計，通過基本模組和I /O 模組組成各類具體產品。其中基本模組為CPU 模組、供電模組和BIT 模組，而其他典型I /O 模組包括:GNSS、慣性測量模組、開關量輸入/輸出介面***DI /DO***、放大器介面、各種匯流排介面和檢測模組等。

　　整合控制單元的體系結構還應能適應下述不同需求:1***整機級冗餘設計:如計算機、各級控制器的設計;2***系統級冗餘設計:如多慣組冗餘，每套慣組內採用單模方案;3*** 多機並行處理設計;4*** 非冗餘設計:如檢控器等。如果設計平臺考慮周到，還可以兼顧無CPU 狀態的設計，如綜合配電器等。

　　在這種一體化設計中，不再需要針對控制系統的各種資料採集單元，測量資訊將主要由匯流排監視器獲取，飛行軟體承擔“飛行控制”與“資料管理”兩個主要的、優先順序不同的任務，這可以在作業系統的支援下完成。此外，作業系統或軟體中介軟體還可以遮蔽軟體對不同硬體配置的依賴，從而增強軟體的重用性。

　　4 模型驅動的軟硬體一體化設計

　　4. 1 現狀分析

　　當具體到裝置功能的劃分以及整合控制單元的設計時，傳統上稱作“系統綜合設計”。一般參照原有的型號進行設計，或者技術發展帶來裝置功能增強後，體積、功耗降低，可以將多臺裝置組合成一臺。

　　在絕大部分情況下，上述兩種方法應用得很好。但其不足是沒有將系統方案*** 演算法*** 的設計與硬體載體緊密關聯起來，當在地面計算機上完成演算法設計後，需要向性能相對受限的嵌入式目標系統轉化，這樣的轉化過程存在風險。由於最終設計的可行性需要硬體、軟體的原型產品才能進行驗證，因此，在方案論證過程中不同方案選優就沒有一個可以量化的評估值，難以實現“從定性到定量綜合整合”的跨越。

　　隨著電子技術的發展，硬體與軟體的一體化設計已逐漸成為可能，在航天領域，也開始採用“模型驅動工程”***Model-Driven Engineering，MDE***方法開展設計，而國內隨著自主智慧財產權CPU的突破，為本項技術研究創造了條件。

　　4. 2 軟硬體一體化設計

　　MDE 在航天控制上的應用。在該方法中，控制系統的“演算法設計”、“軟體開發”、“硬體開發”這三個“V”字型開發模型被有機整合在一起，系統方案設計中的演算法將首先轉化為可以在模擬器上執行的軟體程式碼，然後該程式碼與硬體設計一併整合到硬體模型中進行協同模擬，從而具備了在沒有硬體載體且針對目標硬體的設計模擬能力。

　　系統綜合設計離不開設計平臺，該平臺必須能為系統設計人員迅速搭建原型模型並進行驗證，這也是廣義上的“定量綜合整合”的基礎。

　　設計平臺為具體產品的軟硬體分工創造便利條件，可以首先選擇一個方案，若不滿足要求則進行調整，因為此階段調整成本較低。為校驗演算法的可行性，需選擇某個處理器IP 核，並用原型法設計出應用軟體，然後整合在一起模擬校驗。應用軟體*** 包括飛行控制軟體、嵌入式作業系統等*** 首先編譯成該CPU 的目標碼，由指令集模擬器*** Instruction SetSimulator，ISS*** 進行呼叫。ISS 是一個虛擬微處理器，它將目標碼進行解碼和執行，對外通過處理器匯流排功能模型與硬體模擬器進行互動。匯流排功能模型實現從指令級到週期級的轉換，產生匯流排週期的序列，並實現匯流排介面功能，驅動這些訊號進入硬體模擬環境;同時對匯流排週期響應進行取樣，並傳送回軟體環境，從而實現軟硬體協同模擬。

　　5 結束語

　　採用聯立法解決真空段多約束條件已取得一定成果，研究物件正向全過程***包含大氣段*** 動態軌跡規劃等方面擴充套件，重點解決實時性問題。以新一代中型運載火箭為契機，基本實現了BIT 與地面測試的一體化設計，利用HMB 以及匯流排“竊聽”技術，地面系統已經能夠實現與箭上裝置的同步解算和分析，在提高效率、節省人員等方面取得了顯著效果。

　　對於控制與測量系統一體化設計而言，航天綜合電子技術是其關鍵技術，將涉及新型電氣系統架構的劃分以及高速匯流排***系統級、背板級*** 互聯技術。軟硬體的一體化設計得益於電子工業水平的提升，但仍需要更多具有自主智慧財產權的嵌入式處理器IP核，才能提供更多的設計選擇。

　　資訊科技的發展，提供重新審視控制技術應用現狀以及發展方向的機會。無論是更強的計算能力、更高的整合度、還是更加先進的建模與模擬技術，在改變技術、產品的同時，也會改變研發模式，其影響將更為深遠，也將促進資訊科技與航天控制技術真正意義上的融合。