運(yùn)載火箭智能控制的能力特征與關(guān)鍵技術(shù)

鄭卓，禹春梅，程曉明，張惠平，彭漢章，柳嘉潤(rùn)

運(yùn)載火箭智能控制的能力特征與關(guān)鍵技術(shù)

鄭卓1，2，禹春梅1，2，程曉明1，2，張惠平1，2，彭漢章1，2，柳嘉潤(rùn)1，2

（1.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854；2.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854）

運(yùn)載火箭智能控制是智慧火箭研制的核心技術(shù)之一。結(jié)合智能技術(shù)在航天控制上的應(yīng)用研究與工程實(shí)踐，對(duì)運(yùn)載火箭智能控制的能力特征進(jìn)行了分析；介紹了運(yùn)載火箭的智能測(cè)試與發(fā)射、典型動(dòng)力故障診斷與重構(gòu)、環(huán)境與模型自適應(yīng)控制，以及“軟件”定義運(yùn)載火箭等關(guān)鍵技術(shù)；對(duì)我國(guó)運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)的未來發(fā)展進(jìn)行了思考。通過對(duì)航天智能控制技術(shù)持續(xù)不斷地研究與實(shí)踐，為我國(guó)智慧火箭的研制提供強(qiáng)有力的支撐。

運(yùn)載火箭；智能控制；能力特征；關(guān)鍵技術(shù)

0　引言

經(jīng)過60多年的不懈努力，我國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展取得了舉世矚目的成就，獨(dú)立自主研制的以“長(zhǎng)征”系列為代表的數(shù)十種運(yùn)載火箭，具備發(fā)射近地軌道、太陽同步軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道等多種有效載荷的運(yùn)載能力［1］。截至2022年4月，“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭累計(jì)成功發(fā)射了410余次，并且已具備年發(fā)射40余次的發(fā)射能力，這些能力的持續(xù)提升使我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)具備了任務(wù)多樣化、發(fā)射高密度的特點(diǎn)，對(duì)運(yùn)載火箭的安全性、可靠性和低成本等性能提出了更高的要求。運(yùn)載火箭所涉及的控制理論和技術(shù)是當(dāng)今航天控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，具有前沿性、基礎(chǔ)性和綜合性，已成為支撐中國(guó)航天事業(yè)未來發(fā)展的核心關(guān)鍵領(lǐng)域之一［2-3］。

近年來，世界運(yùn)載火箭控制技術(shù)得到了快速發(fā)展，如美國(guó)獵鷹9號(hào)火箭的可重復(fù)使用技術(shù)、故障重構(gòu)技術(shù)，空間發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System， SLS）的先進(jìn)冗余控制技術(shù)、模型自適應(yīng)控制技術(shù)［4］，以及俄羅斯在火箭基礎(chǔ)級(jí)故障后為任務(wù)挽救提出的自適應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)［5］等。雖然我國(guó)的運(yùn)載火箭控制技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，入軌精度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平［6］，但面對(duì)國(guó)際運(yùn)載領(lǐng)域的激烈競(jìng)爭(zhēng)與我國(guó)航天發(fā)射任務(wù)對(duì)安全性、高效性等的要求提升，我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)新一代運(yùn)載火箭的控制技術(shù)有了進(jìn)一步的需求：1）具備對(duì)典型故障的控制重構(gòu)能力；2）具備對(duì)復(fù)雜環(huán)境與模型的自適應(yīng)控制能力；3）具備支撐可重復(fù)使用火箭高空返回的控制能力；4）具備應(yīng)急快速發(fā)射能力。

這些新的需求，使運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)需創(chuàng)新制導(dǎo)控制理論與方法，由適應(yīng)偏差、適應(yīng)環(huán)境逐步向適應(yīng)故障、適應(yīng)任務(wù)的智能控制理念轉(zhuǎn)變［7-8］。基于以上理念與思考，本文結(jié)合智能技術(shù)在航天控制上的應(yīng)用研究與工程實(shí)踐，對(duì)運(yùn)載火箭智能控制的能力特征與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討和展望。

1　運(yùn)載火箭智能控制的能力特征

運(yùn)載火箭智能控制是將智能技術(shù)應(yīng)用于火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，使火箭變得更聰明，主要技術(shù)指標(biāo)得到顯著提升，或具備以往所不具備的能力；并能通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使火箭能力得到持續(xù)提升，從而適應(yīng)來自本體、環(huán)境和目標(biāo)的不確定性，完成復(fù)雜任務(wù)［9］。運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)主要由“測(cè)試與發(fā)射、感知與辨識(shí)、規(guī)劃與制導(dǎo)、姿控與執(zhí)行、學(xué)習(xí)與演進(jìn)”等部分組成，如圖1所示。

圖1　運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)組成

根據(jù)以上對(duì)運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)的定義，結(jié)合新一代運(yùn)載火箭的控制需求，將運(yùn)載火箭智能控制的能力特征描述為以下5個(gè)方面：

1）智能測(cè)試與發(fā)射。運(yùn)載火箭的智能測(cè)試與發(fā)射主要包括測(cè)試過程“去任務(wù)化、去型號(hào)化”，可遠(yuǎn)程測(cè)試，自主健康管理，快速定位并處置故障；可實(shí)現(xiàn)多窗口自適應(yīng)一鍵發(fā)射，適應(yīng)異常狀態(tài)下的自主中止與發(fā)射、地外星球的自主發(fā)射等任務(wù)。

2）智能感知與辨識(shí)。運(yùn)載火箭智能感知與辨識(shí)主要是指在飛行中，火箭自主感知大氣密度、風(fēng)場(chǎng)等環(huán)境特征與彈性、氣動(dòng)、動(dòng)力、典型故障等本體特征。對(duì)這些特征的準(zhǔn)確感知、理解、修正與預(yù)測(cè)，是火箭充分發(fā)揮自身的控制能力，提高入軌精度，并降低故障造成損失的重要保障，是實(shí)現(xiàn)火箭智能控制的一項(xiàng)重要前提。

3）智能規(guī)劃與制導(dǎo)重構(gòu)。運(yùn)載智能規(guī)劃與制導(dǎo)重構(gòu)主要是指運(yùn)載火箭利用智能規(guī)劃與決策、智能制導(dǎo)與控制、智能計(jì)算與軟件等技術(shù)，能夠通過一次設(shè)計(jì)，使火箭自主適應(yīng)多種不同的飛行任務(wù)，也可以使火箭在復(fù)雜干擾與異常故障下，開展任務(wù)決策與降級(jí)、制導(dǎo)控制重構(gòu)、計(jì)算資源遷移等，提高控制系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的健壯性，保障有效載荷的安全。

4）環(huán)境自學(xué)習(xí)與模型自適應(yīng)控制。環(huán)境自學(xué)習(xí)與模型自適應(yīng)控制是指基于對(duì)不確定環(huán)境模型與本體模型特征的不斷感知，開展控制策略自學(xué)習(xí)，持續(xù)優(yōu)化后續(xù)的控制策略，通過“邊飛邊學(xué)”［2］，提升控制品質(zhì)，并能適應(yīng)故障帶來的模型改變，實(shí)現(xiàn)火箭的穩(wěn)定控制。面對(duì)無法準(zhǔn)確掌握的環(huán)境與本體模型散布包絡(luò)以及出現(xiàn)突發(fā)故障的情況，火箭具備的環(huán)境自學(xué)習(xí)和模型自適應(yīng)特征，對(duì)提升火箭的快速發(fā)射能力與故障適應(yīng)能力具有重要的意義。

5）經(jīng)驗(yàn)遷移與自主演進(jìn)。運(yùn)載火箭的經(jīng)驗(yàn)遷移與自主演進(jìn)是指火箭能夠基于每次飛行的數(shù)據(jù)，對(duì)下一發(fā)火箭的控制系統(tǒng)進(jìn)行自主或半自主地改進(jìn)與進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)“飛行經(jīng)驗(yàn)”的遷移，使得離線設(shè)計(jì)的“輔助決策與控制策略”逐發(fā)演進(jìn)，不斷提升火箭控制系統(tǒng)的全生命周期“演進(jìn)”能力。該能力特征可使運(yùn)載火箭不斷地提升“自我認(rèn)知”，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不斷的“自我完善”，為智慧火箭研制提供關(guān)鍵能力支撐。

2　運(yùn)載火箭智能控制的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)新一代運(yùn)載火箭的任務(wù)需求，在以上運(yùn)載火箭5個(gè)智能控制能力特征的牽引下，開展了一系列火箭智能控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)踐。本章在智能測(cè)試與發(fā)射方面，主要介紹了遠(yuǎn)程測(cè)發(fā)控、健康管理和能源動(dòng)態(tài)分配等技術(shù)；在智能感知與辨識(shí)、智能規(guī)劃與制導(dǎo)重構(gòu)、環(huán)境自學(xué)習(xí)與模型自適應(yīng)控制方面，涉及的關(guān)鍵技術(shù)通常是相互關(guān)聯(lián)的，主要介紹了典型故障辨識(shí)與診斷、能力評(píng)估與在線決策、在線規(guī)劃與重構(gòu)、減載控制以及狀態(tài)辨識(shí)與模型自適應(yīng)控制等技術(shù)；在經(jīng)驗(yàn)遷移與自主演進(jìn)方面，主要介紹了數(shù)據(jù)管理與挖掘技術(shù)。此外，本章介紹了基于“軟件定義”的運(yùn)載火箭智能軟件系統(tǒng)，為智能控制能力特征的實(shí)現(xiàn)提供箭上軟硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)支撐。

2.1　智能測(cè)試與發(fā)射技術(shù)

火箭的智能測(cè)試與發(fā)射，主要包括火箭的遠(yuǎn)程測(cè)發(fā)控與零窗口自動(dòng)發(fā)射、火箭智能健康管理、能源智能動(dòng)態(tài)分配等，通過形成多任務(wù)資源共享集成平臺(tái)，為智慧火箭快速測(cè)發(fā)、狀態(tài)評(píng)估、輔助決策等提供平臺(tái)支撐。

2.1.1遠(yuǎn)程測(cè)發(fā)控與零窗口自動(dòng)發(fā)射

遠(yuǎn)程智能測(cè)發(fā)控系統(tǒng)方案，是將智能計(jì)算中心部署在后端，對(duì)前端微系統(tǒng)收集并傳送的所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行歸類、存儲(chǔ)、計(jì)算與分析，能夠?yàn)椴⑿杏?jì)算、數(shù)據(jù)中心和深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練調(diào)優(yōu)提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)支持，輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。零窗口多彈道自動(dòng)選擇與發(fā)射技術(shù)，是實(shí)時(shí)根據(jù)目標(biāo)軌道與GPS/北斗授時(shí)，自主選擇飛行彈道，減少箭地通信交互以及地面人員決策、操作帶來的延時(shí)問題。這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)目前已在我國(guó)長(zhǎng)征系列火箭中開展了實(shí)踐與應(yīng)用，提升了火箭對(duì)發(fā)射窗口的適應(yīng)能力。

2.1.2智能健康管理

運(yùn)載火箭發(fā)射前的智能健康管理，是通過采集并分析火箭全生命周期與歷史測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)掘數(shù)據(jù)特征和故障機(jī)理間的潛在對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用測(cè)試性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)單機(jī)、供配電模塊等故障的自適應(yīng)判斷；通過射前智能故障診斷設(shè)計(jì)方案，使火箭能夠基于全生命周期測(cè)試數(shù)據(jù)，開展預(yù)先維護(hù)，提升控制系統(tǒng)故障檢測(cè)隔離能力與任務(wù)保障能力。

2.1.3能源智能動(dòng)態(tài)分配

運(yùn)載火箭的能源智能動(dòng)態(tài)分配，是根據(jù)控制系統(tǒng)的任務(wù)需求和功能單元工作狀態(tài)實(shí)施能源動(dòng)態(tài)分配、自主充放電和健康狀態(tài)評(píng)估。在火箭測(cè)試發(fā)射過程中，可通過數(shù)字配電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各單機(jī)配電控制、供電保護(hù)、斷電重啟等功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)射前的可靠轉(zhuǎn)電和逆轉(zhuǎn)電，提高任務(wù)保障能力。

2.2　典型動(dòng)力故障在線診斷、評(píng)估與重構(gòu)技術(shù)

針對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭由于動(dòng)力故障導(dǎo)致多次發(fā)射失利的情況，通過提高火箭控制系統(tǒng)對(duì)典型動(dòng)力故障的適應(yīng)能力，提升火箭可靠性與安全性，是火箭控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一［10］。

2.2.1典型動(dòng)力故障在線辨識(shí)與診斷

運(yùn)載火箭的典型動(dòng)力故障通常包括推力異常下降、發(fā)動(dòng)機(jī)異常關(guān)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗、噴管極性接反等，如2006年，印度GSLV-F02運(yùn)載火箭發(fā)射后1枚助推器發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生異常導(dǎo)致火箭偏離預(yù)定軌跡后爆炸；2016年，俄羅斯聯(lián)盟-U火箭第三級(jí)氧箱破裂導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗等。

液體火箭動(dòng)力系統(tǒng)故障發(fā)生后可準(zhǔn)確測(cè)量的信息較少，通過融合動(dòng)力系統(tǒng)信息和控制系統(tǒng)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)典型動(dòng)力故障的準(zhǔn)確辨識(shí)。如對(duì)于火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降故障，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的部分傳感器信息（如渦輪泵轉(zhuǎn)速、燃燒室壓力等），結(jié)合控制系統(tǒng)中的慣組信息與伺服擺角指令信息，在線辨識(shí)主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力故障大小和哪臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生了故障。對(duì)于運(yùn)載火箭噴管極性接反故障，可基于推力指令與慣組測(cè)量信息的解析模型，或基于深度學(xué)習(xí)的推力極性故障辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火箭推力極性故障的準(zhǔn)確診斷［2］，該技術(shù)在飛行演示試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，效果表明能夠較為準(zhǔn)確地診斷故障，并為火箭的軌跡規(guī)劃提供準(zhǔn)確的動(dòng)力系統(tǒng)信息。

2.2.2能力評(píng)估與在線決策

根據(jù)推力下降故障辨識(shí)結(jié)果，對(duì)火箭的飛行能力進(jìn)行評(píng)估與任務(wù)決策，使火箭進(jìn)入安全停泊軌道或降級(jí)軌道，以保證火箭的安全。通常的任務(wù)決策策略有：1）故障影響較小時(shí)，通過故障吸收后仍然進(jìn)入預(yù)定軌道；2）故障影響較大時(shí)，通過故障重構(gòu)，火箭首先選擇進(jìn)入安全停泊軌道，然后擇機(jī)進(jìn)入預(yù)定軌道或降級(jí)軌道；3）故障影響導(dǎo)致任務(wù)無法挽救時(shí)，快速分離以避免對(duì)后續(xù)飛行產(chǎn)生更大的不利影響。

在動(dòng)力故障發(fā)生后，目前的火箭能力評(píng)估方法通常采用基于數(shù)值優(yōu)化的方法，這種方式對(duì)箭載計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源和算力要求較高，難以實(shí)時(shí)得到較為全面、精確的火箭可達(dá)軌道包絡(luò)［10-11］。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)載火箭評(píng)估與決策的發(fā)展將會(huì)基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法，對(duì)地面模擬的大量故障情況與對(duì)應(yīng)的最優(yōu)決策數(shù)據(jù)開展網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，將能力評(píng)估與智能決策融合起來，能夠使火箭在實(shí)際飛行中通過診斷出的故障結(jié)果，快速給出任務(wù)決策，形成“邊飛邊決策”的智能決策體系，持續(xù)增強(qiáng)火箭飛行任務(wù)的故障適應(yīng)能力。

2.2.3在線規(guī)劃與制導(dǎo)控制重構(gòu)

運(yùn)載火箭在完成任務(wù)決策后，需要對(duì)其飛行軌跡進(jìn)行在線規(guī)劃與制導(dǎo)控制重構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者利用凸優(yōu)化方法開展了火箭入軌問題的在線軌跡規(guī)劃［12-13］研究，然后利用規(guī)劃結(jié)果對(duì)迭代制導(dǎo)進(jìn)行重構(gòu)，并通過力矩重分配或自適應(yīng)增益調(diào)節(jié)方法［14］，實(shí)現(xiàn)故障火箭的姿態(tài)穩(wěn)定。后續(xù)將在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展在線多階段（包含滑行段）軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)重構(gòu)，保證實(shí)時(shí)收斂性與全程軌跡的最優(yōu)性。

針對(duì)噴管故障后的姿態(tài)控制重構(gòu)，可基于噴管與慣組信息的解析模型，對(duì)相應(yīng)通道進(jìn)行姿態(tài)控制重構(gòu)［15-16］。該項(xiàng)技術(shù)已在火箭上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了噴管故障辨識(shí)與姿態(tài)控制重構(gòu)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)正確性，加大提升了火箭對(duì)噴管極性故障的可靠性。

2.3　適應(yīng)環(huán)境與模型不確定性的自主控制技術(shù)

運(yùn)載火箭在飛行中受高空風(fēng)與模型不確定性影響較大，需要研究針對(duì)高空風(fēng)環(huán)境影響的智能減載技術(shù)與針對(duì)模型不確定性影響的在線辨識(shí)與自適應(yīng)控制技術(shù)，以提升火箭應(yīng)對(duì)環(huán)境與模型不確定性的能力。

2.3.1減載控制技術(shù)

目前常用的基于過載反饋的減載控制，在保證火箭姿態(tài)穩(wěn)定的前提下，能夠降低平穩(wěn)風(fēng)和切變風(fēng)產(chǎn)生的載荷［17-18］。在此基礎(chǔ)上，近年來研發(fā)的基于自抗擾的運(yùn)載火箭減載技術(shù)也逐步在工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用［19］。該技術(shù)實(shí)時(shí)性好，飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)的減載效果明顯，可提升火箭對(duì)不確定風(fēng)載荷的適應(yīng)能力。

為進(jìn)一步提高火箭的減載效率，可充分利用歷史飛行數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)效果較好的減載策略，形成減載策略專家?guī)?，基于逆?qiáng)化學(xué)習(xí)方法，在離線學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，利用專家?guī)熘械淖顑?yōu)減載策略對(duì)飛行中的實(shí)時(shí)減載策略進(jìn)行探索，并根據(jù)實(shí)時(shí)減載效果，調(diào)整控制策略，提高火箭的主動(dòng)減載能力。這種基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與飛行中自主探索的“邊飛邊學(xué)”減載方式，能夠提升火箭的主動(dòng)減載效率，并在運(yùn)載火箭間具有較強(qiáng)的通用性與方法遷移能力。

2.3.2狀態(tài)辨識(shí)與模型自適應(yīng)控制技術(shù)

運(yùn)載火箭飛行中的不確定環(huán)境與本體模型，使火箭通常采用基于離線偏差帶的方式開展控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)保守。為了釋放控制余量，火箭需開展針對(duì)彈性、氣動(dòng)以及穩(wěn)定裕度等參數(shù)在線辨識(shí)的自適應(yīng)控制技術(shù)，以提升火箭的控制能力。

1）針對(duì)運(yùn)載火箭的剛彈耦合問題，研究基于彈性狀態(tài)估計(jì)與主動(dòng)抑制的剛彈自適應(yīng)控制技術(shù)［20］，實(shí)現(xiàn)低頻彈性信號(hào)的主動(dòng)抑制與剛彈耦合狀態(tài)下的箭體姿態(tài)穩(wěn)定控制，并且能夠增強(qiáng)控制系統(tǒng)對(duì)箭體彈性的適應(yīng)性，簡(jiǎn)化彈性模態(tài)試驗(yàn)。這種方法可較好地估計(jì)火箭低頻彈性，從而能夠適應(yīng)大型運(yùn)載火箭控制品質(zhì)受箭體低頻彈性影響顯著的問題。

2）針對(duì)氣動(dòng)參數(shù)不確定性的控制問題，研究基于氣動(dòng)參數(shù)智能辨識(shí)的自抗擾控制技術(shù)［21］，對(duì)通道間耦合進(jìn)行解耦控制，減弱對(duì)模型信息的依賴性，抑制非匹配不確定性對(duì)控制系統(tǒng)的影響，有效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)模型參數(shù)的大范圍變化。這種通過在線氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)，并進(jìn)行自抗擾控制的方法，在飛行試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠使控制系統(tǒng)減小對(duì)地面離線偏差帶的依賴，并可提升控制精度，降低因氣動(dòng)參數(shù)不確定性帶來的結(jié)構(gòu)載荷需求。

3）針對(duì)火箭姿態(tài)控制能力不能靈活配置，制約火箭一次設(shè)計(jì)、多任務(wù)通用的問題，研究穩(wěn)定裕度在線辨識(shí)與姿控參數(shù)在線優(yōu)化技術(shù)，基于最優(yōu)激勵(lì)與頻域辨識(shí)的穩(wěn)定裕度在線辨識(shí)方法，可在線實(shí)現(xiàn)控制能力協(xié)調(diào)分配與自適應(yīng)調(diào)參，這一技術(shù)在飛行演示試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠增強(qiáng)火箭對(duì)自身模型適應(yīng)性的同時(shí)，還可以為飛行軌跡在線調(diào)整提供控制能力的相關(guān)信息，對(duì)于需要在線規(guī)劃軌跡的飛行任務(wù)具有重要的意義。

2.4　數(shù)據(jù)管理與挖掘技術(shù)

運(yùn)載火箭的數(shù)據(jù)管理與挖掘，主要是利用專家經(jīng)驗(yàn)及飛行數(shù)據(jù)建立智能經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，訓(xùn)練設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過研究多種集群智能算法對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)不斷改進(jìn)與演化。

2.4.1基于全生命周期數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)技術(shù)

采用的全生命周期數(shù)據(jù)包括仿真、飛行及測(cè)試數(shù)據(jù)，通過基于大數(shù)據(jù)分析與訓(xùn)練，在前序飛行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境、火箭本體模型不斷修正。通過基于飛行歷史數(shù)據(jù)，并從數(shù)據(jù)中固化飛行經(jīng)驗(yàn)，分析每次飛行的環(huán)境特征、全箭健康狀態(tài)與控制策略執(zhí)行效果，快速理解飛行環(huán)境特征或定位異常狀態(tài)，持續(xù)改善后續(xù)飛行性能。

2.4.2基于自學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化技術(shù)

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、集群智能算法等，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；基于歷史飛行過程數(shù)據(jù)與飛行結(jié)果數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化飛行策略，適應(yīng)深空探測(cè)、載人運(yùn)輸所需要的多次變軌、在軌加注任務(wù)等多種任務(wù)，使火箭處理問題更加智慧。

2.5　基于“軟件定義”的智能軟件系統(tǒng)

新一代運(yùn)載火箭智能控制技術(shù)呈現(xiàn)出硬件集成化、軟件系統(tǒng)化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，控制系統(tǒng)將從傳統(tǒng)的單機(jī)互聯(lián)，逐步發(fā)展到部署在一個(gè)高度集成的硬件平臺(tái)上、運(yùn)行在統(tǒng)一的軟件框架中、軟硬件高度結(jié)合的智能控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的功能與硬件緊密耦合的裝備研制模式難以適應(yīng)智能時(shí)代多變的特性，亟需建立更加先進(jìn)的技術(shù)框架與產(chǎn)品平臺(tái)。

2.5.1基于“軟件定義”的分層云化系統(tǒng)框架

基于“軟件定義”的分層云化系統(tǒng)框架，是指通過虛擬化技術(shù)，分層隔離封裝，打破業(yè)務(wù)與平臺(tái)、軟件與硬件的耦合，向下將實(shí)體硬件變成虛擬化的部件，向上為各種任務(wù)提供可調(diào)度的服務(wù)接口。系統(tǒng)整體功能可以通過加載軟件組件靈活定制、靈活擴(kuò)展，軟件、硬件、系統(tǒng)可以獨(dú)立發(fā)展、快速集成，同時(shí)組件的可遷移、可重構(gòu)特性可以保證整個(gè)框架的安全性、可靠性，并為系統(tǒng)級(jí)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)提供更多選擇。

2.5.2適應(yīng)云架構(gòu)的分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

為了適應(yīng)云架構(gòu)模式，需要在傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加對(duì)分布式混合異構(gòu)嵌入式平臺(tái)的適配，突破硬件平臺(tái)抽象、異構(gòu)資源管理等關(guān)鍵技術(shù)，形成對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)資源以及接口的綜合管理能力，進(jìn)一步解除軟硬件耦合關(guān)系；突破以內(nèi)存資源安全隔離、資源透明訪問為代表的虛擬化關(guān)鍵技術(shù)，使分層云化系統(tǒng)框架可以便利地運(yùn)行在不同載體。

2.5.3可重構(gòu)的分布式實(shí)時(shí)軟總線

為了讓分布式計(jì)算資源上運(yùn)行的不同任務(wù)間實(shí)現(xiàn)透明通信，同時(shí)故障狀態(tài)下發(fā)生任務(wù)遷移后，整體通信實(shí)現(xiàn)無感重建，研制實(shí)時(shí)分布式軟總線，突破通信介質(zhì)抽象及接口封裝、全局路由映射、虛擬通訊節(jié)點(diǎn)管理等關(guān)鍵技術(shù)，形成對(duì)通信資源的綜合管理能力，使分層云化系統(tǒng)框架可以便利地調(diào)度、管理各組件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跨操作系統(tǒng)、跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)群調(diào)度。

3　運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)的發(fā)展思考

運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)的發(fā)展將是航天控制系統(tǒng)與人工智能理論與技術(shù)成果不斷融合的過程。結(jié)合當(dāng)今智能技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)與新一代運(yùn)載火箭的智能自主需求，基于對(duì)運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)能力特征的理解，我國(guó)運(yùn)載火箭智能控制系統(tǒng)將在以下方面取得創(chuàng)新性發(fā)展。

3.1 地面簡(jiǎn)捷發(fā)射

火箭測(cè)試發(fā)射控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人值守，具備遠(yuǎn)程快速自主測(cè)試、全面健康管理、操作通用簡(jiǎn)單等特征，實(shí)現(xiàn)測(cè)發(fā)設(shè)備與崗位人員的極大減少；可實(shí)現(xiàn)自主發(fā)射，發(fā)射窗口可自主決策，并能支持地外天體非人工干預(yù)發(fā)射，為航班化航天運(yùn)輸提供支撐。該能力的實(shí)現(xiàn)，主要包括：通過自主健康管理，實(shí)現(xiàn)巡檢測(cè)試及自動(dòng)判讀、故障診斷、健康評(píng)估及狀態(tài)預(yù)測(cè)等射前輔助決策；通過自測(cè)試，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試，自動(dòng)充放電，火工品自動(dòng)短路/解?？刂频?，提升測(cè)試安全性；通過自發(fā)射，實(shí)現(xiàn)一鍵發(fā)射、多窗口多彈道自適應(yīng)發(fā)射、預(yù)案自動(dòng)執(zhí)行、自動(dòng)紅線中止等，提升發(fā)射自主性。地面簡(jiǎn)捷發(fā)射，需要控制系統(tǒng)產(chǎn)品具備：1）簡(jiǎn)化性，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)單機(jī)化，單機(jī)單板化，單板器件化；2）集成性，能夠?qū)崿F(xiàn)箭地一體化、軟硬件一體化；3）通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)火箭各部段接口統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，支持部段測(cè)試，利于敏捷開發(fā)。

3.2 飛行隨機(jī)應(yīng)變

火箭控制系統(tǒng)具備任務(wù)強(qiáng)適應(yīng)能力，可以針對(duì)不同軌道、不同載荷、不同空間飛行任務(wù)，一次設(shè)計(jì)全適應(yīng)；在飛行中具備不確定性強(qiáng)適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)不確定環(huán)境和本體模型，取消彈道風(fēng)修正，降低對(duì)模態(tài)試驗(yàn)的依賴；在飛行中具備異常情況強(qiáng)適應(yīng)能力，可以適應(yīng)箭機(jī)、動(dòng)力系統(tǒng)的非致命故障，提升發(fā)射成功率。該能力的實(shí)現(xiàn)，主要包括：通過自感知、自辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境與模態(tài)的在線感知與故障的準(zhǔn)確診斷等；通過自決策、自規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)火箭的能力評(píng)估、任務(wù)決策、軌跡規(guī)劃以及燃料分配等；在無故障下，通過自適應(yīng)、自優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)火箭飛行策略的自適應(yīng)調(diào)節(jié)與控制參數(shù)的自優(yōu)化；在發(fā)生非致命故障情況下，能夠通過自重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)控制的重構(gòu)，挽救發(fā)射任務(wù)。飛行隨機(jī)應(yīng)變，需要控制系統(tǒng)的產(chǎn)品： 1）在“感知辨識(shí)”方面，需要有豐富的感知模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行環(huán)境、狀態(tài)以及異常故障的自感知、自辨識(shí)；2）在“規(guī)劃制導(dǎo)”方面，需要具有高性能異構(gòu)計(jì)算模塊，高速信息傳輸，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算、軟硬件資源動(dòng)態(tài)調(diào)配；3）在“姿態(tài)控制”方面，需具備可在線優(yōu)化、可重構(gòu)姿控模塊，實(shí)現(xiàn)自主參數(shù)調(diào)整、控制能力動(dòng)態(tài)分配；4）在“執(zhí)行”方面，需具備獨(dú)立、解耦、通用的精細(xì)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)靈敏反應(yīng)、智能均衡配置等。

3.3 終身自主演進(jìn)

火箭控制系統(tǒng)能夠自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)與控制策略的在線學(xué)習(xí)、自主優(yōu)化，降低對(duì)總體大型試驗(yàn)與地面半實(shí)物試驗(yàn)的依賴，提升火箭的研制效率；能夠快速迭代，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)積累與利用，控制模型持續(xù)修正，運(yùn)載效能越來越優(yōu)，型號(hào)全生命周期性能不斷提升。該能力的實(shí)現(xiàn)，主要包括：首先通過數(shù)據(jù)生成、管理與挖掘，完成飛行與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的生成、采集、存儲(chǔ)、清洗、挖掘等；其次基于這些數(shù)據(jù)，通過智能化設(shè)計(jì)方案，支撐快速設(shè)計(jì)與飛行中的邊飛邊學(xué)與性能持續(xù)提升，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)智能化；最后基于數(shù)據(jù)積累，通過設(shè)計(jì)參數(shù)一發(fā)比一發(fā)優(yōu)，本體模型一發(fā)比一發(fā)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自演化。終身自主演進(jìn)，需要控制系統(tǒng)的產(chǎn)品：1）在“在線設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)”方面，可開展模塊化設(shè)計(jì)，其中的控制模塊和軟件可快速迭代、在線替換與升級(jí)，具備AI架構(gòu)與在線學(xué)習(xí)功能，支撐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算、在線訓(xùn)練；2）在“終身學(xué)習(xí)”方面，滿足大型學(xué)習(xí)與訓(xùn)練的強(qiáng)算力，支撐全生命周期數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)方案持續(xù)優(yōu)化。

4　結(jié)束語

我國(guó)運(yùn)載火箭控制技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并在我國(guó)“長(zhǎng)征”系列各型運(yùn)載火箭的四百余次飛行任務(wù)中得到了充分驗(yàn)證。隨著新型航天任務(wù)對(duì)智慧火箭的需求越來越迫切，人們逐漸認(rèn)識(shí)到智能控制問題在運(yùn)載火箭中舉足輕重的地位。部分智能控制成果已在火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和飛行控制中進(jìn)行了應(yīng)用，大幅提高了火箭的智能控制水平。本文對(duì)運(yùn)載火箭智能控制的能力特征與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)火箭智能控制系統(tǒng)的未來發(fā)展進(jìn)行了思考。我們相信，通過對(duì)運(yùn)載火箭智能控制技術(shù)持續(xù)不斷地研究、突破與實(shí)踐，將為智慧火箭的研制奠定新的基礎(chǔ)，為建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)做出更大貢獻(xiàn)。

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Capability Characteristics and Key Technologies for the Intelligent Control of Launch Vehicles

ZHENGZhuo1，2， YUChunmei1，2， CHENGXiaoming1，2， ZHANGHuiping1，2， PENGHanzhang1，2， LIUJiarun1，2

（1.Beijing Aerospace Automatic Control Institute， Beijing 100854， China； 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligent Control， Beijing 100854， China）

Intelligent control is one of the core technologies for the research and development of intelligent launch vehicles. In this paper， the capability characteristics of intelligent control for launch vehicles are analyzed by combining the application research and engineering practice of intelligent technologies in aerospace control， Then， the key technologies such as intelligent test and launch， fault identification and control reconfiguration for typical propulsion systems， adaptive control of environments and models， and “software” definition of launch vehicles， are introduced. Finally， the future development of intelligent control systems for launch vehicles in China is considered. The continuous research and practice of aerospace intelligent control technologies provide strong support for the development of intelligent launch vehicles in China.

launch vehicle； intelligent control； capability characteristics； key technologies

2022?04?29；

2022?06?06

國(guó)家自然科學(xué)基金（U21B2028）

鄭卓（1975—），男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)橹悄茱w行控制系統(tǒng)。

程曉明（1989—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器智能制導(dǎo)與控制。

V 488.131

A

10.19328/j.cnki.2096?8655.2022.04.005