火箭快速測試技術(shù)分析

高琪 王磊 顧懿

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

關(guān)鍵詞：運載火箭;測試技術(shù);技術(shù)分析

火箭的技術(shù)水平代表了一個國家航天工程的整體能力?；鸺焖贉y試技術(shù)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(shù)的相關(guān)要點，把握技術(shù)的發(fā)展方向，有助于推動航天工程的發(fā)展。

1 火箭測試技術(shù)的要求

1.1需要保證高可靠性

當前，國內(nèi)外的運載火箭技術(shù)處于快速發(fā)展中，產(chǎn)品也處于快速更新中，因此對火箭測試技術(shù)提出了更高的要求。火箭測試技術(shù)需要結(jié)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(shù)包括了計算機技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)、導航技術(shù)等加以融合的產(chǎn)物。基于高精度時空信息的測試系統(tǒng)，可以實時地向控制器發(fā)出定位與姿態(tài)信息，控制器依據(jù)GNSS定位確定的坐標、INS姿態(tài)與車輪的定位來控制火箭姿態(tài)。

1.2需要保證低成本

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

2 火箭快速測試關(guān)鍵技術(shù)

2.1高精度時空網(wǎng)的建立

在具體的應(yīng)用中，組網(wǎng)方式多種，比如可選擇無中心分布式，將傳統(tǒng)的點對點變?yōu)楸馄交哪Ｊ?，以滿足海域內(nèi)通信的需要。系統(tǒng)內(nèi)不節(jié)點的傳輸方式也可以靈活配置，也可以選擇任一節(jié)點作基準網(wǎng)，實現(xiàn)不同節(jié)點的通信。因此通信保障方案可以更加靈活。在數(shù)據(jù)的支持上，各節(jié)點處于對等的。不同節(jié)點可以與周圍節(jié)點發(fā)生鏈接，結(jié)合路由信息選擇鏈路進行傳輸。相鄰節(jié)點彼此間可以通信，以動態(tài)化的路由協(xié)議作為基礎(chǔ)，可以結(jié)合實際選擇不同節(jié)點動態(tài)組網(wǎng)。每個節(jié)點都可以設(shè)定為中轉(zhuǎn)站，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信號的覆蓋效果。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化由于有了協(xié)議的支持，可以適應(yīng)火箭舶移動通信的需求。組網(wǎng)方式保證網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，任何節(jié)點發(fā)生故障都不會影響網(wǎng)絡(luò)。在通信傳輸時，調(diào)制方式可依據(jù)接收信號強度自動加以調(diào)整。在條件具備時，接收信號可以達到要求時，調(diào)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(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，由于高帶寬業(yè)務(wù)的應(yīng)用，大量數(shù)據(jù)傳輸可以快速實現(xiàn); 信號較弱條件下，調(diào)制采用低階，如選擇BPSK1/2，傳輸帶寬可以保證語音、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。系統(tǒng)可以采用TOD的同步與跳同步，保證了同步的無時差。在組網(wǎng)后，任意選擇可以建立群首模式。 群首采和分布式的“全網(wǎng)時間基準”，這種方式可以保證時間等級最高。對于其他節(jié)點，時間等級隨著距離跳數(shù)的增加會發(fā)生降低。節(jié)點可以周期對特定區(qū)域廣播，組網(wǎng)后時間基準與響應(yīng)范圍得以延續(xù)。如果沒有入網(wǎng)的節(jié)點獲取鄰近節(jié)點的信息，會自動與已入網(wǎng)節(jié)點完成TOD信息同步，還可以自動更新TOD與RTC，依據(jù)新的TOD信息可以實現(xiàn)跳頻序列，這種方式中以保證網(wǎng)絡(luò)中時間隨時同步，并且可以同步映射于網(wǎng)絡(luò)中。更高等級的組網(wǎng)實現(xiàn)后，節(jié)點時間可以自動周期更新。

2.2控制算法

本系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理為：首先在導航光靶上設(shè)定行走線，設(shè)置導航模式（直線或者曲線），通過北斗/GNSS/慣導INS組合系統(tǒng)實時向控制器發(fā)送精確的定位信息和姿態(tài)信息。當控制器收到信息后，方向傳感器實時向控制器發(fā)送車輪的運動方向;控制器根據(jù)GNSS定位的坐標、INS姿態(tài)信息及車輪的轉(zhuǎn)動情況，實時向液壓控制閥發(fā)送指令，通過控制轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)液壓油的流量和流向，控制火箭的行駛方向，確?；鸺凑諏Ш焦獍性O(shè)定的路線行駛。在研究過程中，將確定各子系統(tǒng)之間的參數(shù)配置與接口、數(shù)據(jù)流程以及格式、協(xié)議與標準，以及各子系統(tǒng)的具體工作任務(wù)與指標分配。控制算法是實現(xiàn)火箭測試的核心技術(shù)，主要包括火箭轉(zhuǎn)向操縱控制和路徑跟蹤控制兩部分內(nèi)容?；鸺谧詣有羞M過程中，通過傳感器實時獲取火箭各項運動參數(shù)，將火箭的實際位置和航向信息與預(yù)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(nèi)置的控制算法計算出預(yù)期轉(zhuǎn)角并傳輸?shù)较挛粰C;下位機控制器控制火箭轉(zhuǎn)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(shù)

在整個GNSS/INS組合火箭自動行進系統(tǒng)設(shè)計過程中，組合導航是實現(xiàn)的關(guān)鍵主體之一，因此其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)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(yīng)用于多個不同的領(lǐng)域，但是INS的應(yīng)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(yīng)用INS要解決的難點問題?；鸺窂礁櫩刂品椒ㄓ卸喾N，如線性模型、最優(yōu)控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、純追蹤模型等。線性模型體現(xiàn)出算法簡單的特點，并且易于優(yōu)化控制參數(shù)，但是它的缺陷難以及時消除穩(wěn)態(tài)誤差;PID控制是最為常見的控制方法，體現(xiàn)出算法簡單、魯棒性較強的優(yōu)勢，穩(wěn)態(tài)誤差易于消除，但是缺陷是控制參數(shù)難以優(yōu)化;最優(yōu)控制方法可以直接獲得較優(yōu)控制參數(shù)，但是是應(yīng)用中要結(jié)合運動學對模型參數(shù)加以優(yōu)化，以保證曲線跟蹤的適應(yīng)性;模糊控制對于被控對象不需要模型參數(shù)的高速，體現(xiàn)出較強的魯棒性，但是跟蹤誤差較大，快速修正難以實現(xiàn);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性運動條件下體現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，但是它的應(yīng)用需要基于高質(zhì)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(chǎn)生影響。

3 火箭測試技術(shù)的發(fā)展趨勢

在當前火箭快速測試技術(shù)的發(fā)展中，研究方向集中于開放式與分布式，在繼承現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢的同時，降低測試成本成為新一代測試技術(shù)的發(fā)展目標。隨著信息技術(shù)，三維圖紙在航空領(lǐng)域得以應(yīng)用，異地通信指揮得以實現(xiàn)。信息的集中化可以克服空間距離，實現(xiàn)各類資源的共享。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，火箭測試更應(yīng)用到更多的數(shù)據(jù)測試方法，有利于提升火箭測試的安全性能和技術(shù)穩(wěn)定性。未來火箭測試將會向信息化數(shù)控的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也將為火箭測試技術(shù)實施分布式遠程故障診斷提供及時智能診斷系統(tǒng)，有利于降低故障的發(fā)生率。網(wǎng)絡(luò)化的遠程故障診斷會成為火箭測試技術(shù)的重要趨勢。

結(jié)束語：

隨著運載火箭的發(fā)展，測試技術(shù)需要保證高性能、高質(zhì)量、可靠性。在測試技術(shù)的研發(fā)中，縮短測試周期，降低成本，提升設(shè)施的性能是關(guān)鍵。針對測試關(guān)鍵技術(shù)問題的解決還需要火箭設(shè)計部門、制造部門、靶場人員的共同配合，統(tǒng)籌并進，不斷提升火箭測試技術(shù)的發(fā)展水平。

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