火箭快速测试技术分析

高琪 王磊 顾懿

摘 要：火箭测试在航天工程中发挥着重要的作用，对于火箭快速测试技术加以研究，评价其飞行时序与控制功能等，明确测试技术的具体要求，测试中存在的影响因素等，有利于明确技术的发展方向，更好服务于航天工程。

关键词：运载火箭;测试技术;技术分析

火箭的技术水平代表了一个国家航天工程的整体能力。火箭快速测试技术蕴含着巨大的价值，已成为各国研究的热点。分析火箭快速测试技术的相关要点，把握技术的发展方向，有助于推动航天工程的发展。

1 火箭测试技术的要求

1.1需要保证高可靠性

当前，国内外的运载火箭技术处于快速发展中，产品也处于快速更新中，因此对火箭测试技术提出了更高的要求。火箭测试技术需要结合运载火箭的特点保证其可靠性。作为火箭工程的核心组成部分，测试技术包括了计算机技术、电子技术、控制技术、导航技术等加以融合的产物。基于高精度时空信息的测试系统，可以实时地向控制器发出定位与姿态信息，控制器依据GNSS定位确定的坐标、INS姿态与车轮的定位来控制火箭姿态。

1.2需要保证低成本

采用低成本的火箭测试技术是全球研发的主流趋势。系统选择合适的低成本IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）器件，结合GNSS速度信息，确定最终的高精度位置与姿态信息，即符合当下组合航天领域的主流趋势，又拓展了系统的定位手段。

2 火箭快速测试关键技术

2.1高精度时空网的建立

在具体的应用中，组网方式多种，比如可选择无中心分布式，将传统的点对点变为扁平化的模式，以满足海域内通信的需要。系统内不节点的传输方式也可以灵活配置，也可以选择任一节点作基准网，实现不同节点的通信。因此通信保障方案可以更加灵活。在数据的支持上，各节点处于对等的。不同节点可以与周围节点发生链接，结合路由信息选择链路进行传输。相邻节点彼此间可以通信，以动态化的路由协议作为基础，可以结合实际选择不同节点动态组网。每个节点都可以设定为中转站，保证了网络内信号的覆盖效果。网络拓扑结构的动态变化由于有了协议的支持，可以适应火箭舶移动通信的需求。组网方式保证网络的抗毁性，任何节点发生故障都不会影响网络。在通信传输时，调制方式可依据接收信号强度自动加以调整。在条件具备时，接收信号可以达到要求时，调制的编码方式为高阶，如16QAM3/4，借助高效的编码方式保证了高速数据传输的需要，由于高带宽业务的应用，大量数据传输可以快速实现; 信号较弱条件下，调制采用低阶，如选择BPSK1/2，传输带宽可以保证语音、数据传输的需要。系统可以采用TOD的同步与跳同步，保證了同步的无时差。在组网后，任意选择可以建立群首模式。 群首采和分布式的“全网时间基准”，这种方式可以保证时间等级最高。对于其他节点，时间等级随着距离跳数的增加会发生降低。节点可以周期对特定区域广播，组网后时间基准与响应范围得以延续。如果没有入网的节点获取邻近节点的信息，会自动与已入网节点完成TOD信息同步，还可以自动更新TOD与RTC，依据新的TOD信息可以实现跳频序列，这种方式中以保证网络中时间随时同步，并且可以同步映射于网络中。更高等级的组网实现后，节点时间可以自动周期更新。

2.2控制算法

本系统的主要部件包括导航控制器、通讯模块、液压传感器、液压控制器和导航光靶等。系统的工作原理为：首先在导航光靶上设定行走线，设置导航模式（直线或者曲线），通过北斗/GNSS/惯导INS组合系统实时向控制器发送精确的定位信息和姿态信息。当控制器收到信息后，方向传感器实时向控制器发送车轮的运动方向;控制器根据GNSS定位的坐标、INS姿态信息及车轮的转动情况，实时向液压控制阀发送指令，通过控制转向液压系统液压油的流量和流向，控制火箭的行驶方向，确保火箭按照导航光靶设定的路线行驶。在研究过程中，将确定各子系统之间的参数配置与接口、数据流程以及格式、协议与标准，以及各子系统的具体工作任务与指标分配。控制算法是实现火箭测试的核心技术，主要包括火箭转向操纵控制和路径跟踪控制两部分内容。火箭在自动行进过程中，通过传感器实时获取火箭各项运动参数，将火箭的实际位置和航向信息与预定义的路径比较，计算横向偏差和航向偏差;决策控制器以横向偏差和航向偏差信号作为输入，通过内置的控制算法计算出预期转角并传输到下位机;下位机控制器控制火箭转角，以减小横向偏差和航向偏差。

2.3高精度低成本GNSS/INS组合导航定位技术

在整个GNSS/INS组合火箭自动行进系统设计过程中，组合导航是实现的关键主体之一，因此其设计的好坏直接关系到系统的成功与否。由于INS具有完全自主、机动灵活，可以提供多种模式下导航。当前INS可以广泛应用于多个不同的领域，但是INS的应用要考虑到误差的影响。误差随时间的积累，会不断增大，这是应用INS要解决的难点问题。火箭路径跟踪控制方法有多种，如线性模型、最优控制、PID控制、神经网络、模糊逻辑、纯追踪模型等。线性模型体现出算法简单的特点，并且易于优化控制参数，但是它的缺陷难以及时消除稳态误差;PID控制是最为常见的控制方法，体现出算法简单、鲁棒性较强的优势，稳态误差易于消除，但是缺陷是控制参数难以优化;最优控制方法可以直接获得较优控制参数，但是是应用中要结合运动学对模型参数加以优化，以保证曲线跟踪的适应性;模糊控制对于被控对象不需要模型参数的高速，体现出较强的鲁棒性，但是跟踪误差较大，快速修正难以实现;神经网络在非线性运动条件下体现出较好的适应性，但是它的应用需要基于高质量的训练，要有验证样本对比支持，因此泛化能力较弱。纯追踪模型基于几何的角度加以推导，前视距离的选择会对控制精度产生影响。

3 火箭测试技术的发展趋势

在当前火箭快速测试技术的发展中，研究方向集中于开放式与分布式，在继承现有技术优势的同时，降低测试成本成为新一代测试技术的发展目标。随着信息技术，三维图纸在航空领域得以应用，异地通信指挥得以实现。信息的集中化可以克服空间距离，实现各类资源的共享。随着网络技术的发展，火箭测试更应用到更多的数据测试方法，有利于提升火箭测试的安全性能和技术稳定性。未来火箭测试将会向信息化数控的方向发展，网络技术也将为火箭测试技术实施分布式远程故障诊断提供及时智能诊断系统，有利于降低故障的发生率。网络化的远程故障诊断会成为火箭测试技术的重要趋势。

结束语：

随着运载火箭的发展，测试技术需要保证高性能、高质量、可靠性。在测试技术的研发中，缩短测试周期，降低成本，提升设施的性能是关键。针对测试关键技术问题的解决还需要火箭设计部门、制造部门、靶场人员的共同配合，统筹并进，不断提升火箭测试技术的发展水平。

参考文献：

[1]徐大富，张哲，吴克，李红兵，林剑锋，张晓东，郭筱曦.垂直起降重复使用运载火箭发展趋势与关键技术研究进展[J].科学通报，2016，（32）：3453 ～ 3463.

[2]宋征宇.新一代运载火箭的数据驱动快速测试技术[J].宇航学报，2015，（12）：1435 ～1443.

[3]王秀芝，周华，樊玉婷，甄晓改，刘创.新一代运载火箭测试技术发展趋势[J].四川兵工学报，2014，（08）：90 ～ 92，107.

[4]胡浩.运载火箭转级控制器软件的设计与实现[D].上海交通大学，2013.

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