导弹/火箭制导、导航与控制技术发展与展望

马卫华

(1. 北京航天自动控制研究所，北京 100854； 2. 宇航智能控制技术国家级重点实验室，北京 100854；3. 航天智能技术创新中心，北京 100854)

0 引 言

航天技术是目前人类科技含量最高、技术密度最大的领域之一，也是一个国家科技水平和综合国力的重要体现，在国际政治影响力方面具有重要战略意义[1]。经过六十多年的发展,中国航天已经步入世界航天强国行列，在2018年和2019年，宇航发射连续两年位居世界第一，已形成较为完善的进入空间、利用空间及发展空间的技术体系和导弹/火箭产品[2-5]。

导弹/火箭的控制系统由制导、导航与控制系统(Guidance, navigation and control, GNC)等部分构成，是弹/箭的大脑和神经中枢。其中制导、导航与控制技术是支撑各个系统正常运转、实现目标的核心[6]，是航天飞行任务成功与否的关键[7]。

1)导航技术概念及作用

“导航技术”是利用敏感器件测量弹/箭运动参数，并将测量的信息表征弹/箭在某一时刻、某种坐标系的姿态、速度和位置等状态变量的过程[8]。导航系统由测量、传递变换、计算几个环节组成，并给出弹/箭的初始状态和运动过程参数。导航技术准确提供制导系统弹/箭的质心运动参数、提供姿控系统弹/箭的绕心运动参数，解决弹/箭任务飞行器要求的落点、交班精度或入轨精度等问题。

2)制导技术概念及作用

“制导技术”是利用惯性、卫星或其它方法测得弹/箭运动参数，选择使弹/箭从某一飞行状态达到要求状态的机动规律。制导系统由计算装置、惯性测量设备、星敏感器、导引头等部分组成，通过操纵弹/箭推力矢量控制其质心运动，达到期望的终端条件并准确关机，以保证落点偏差小或空间有效载荷准确进入轨道目标区[4]。

3)姿态控制技术概念及作用

“姿态控制技术”是利用敏感器件量测量、导航状态量和导引信息，经过控制装置形成控制指令，操纵弹/箭绕心运动，保证弹/箭在各种干扰、偏差、约束条件甚至故障条件下的稳定飞行，同时尽可能高精度地跟踪制导指令和制导导引要求。姿态控制系统是由惯性测量设备、弹/箭载计算机、中间装置(如放大器等)、各级伺服机构组成的闭环系统。

1 航天制导、导航与控制技术发展

经过60多年的不懈努力,中国弹/箭制导、导航与控制技术得到了长足发展[9]，形成了以惯性导航、组合导航等为代表的导航技术，以摄动制导、闭路制导、迭代制导等为代表的制导技术，以频域设计、全数字设计、冗余控制、自适应控制等为代表的姿态控制技术，引领中国自主研制了4代17型“长征”系列运载火箭,具备多种轨道有效载荷的运载能力，入轨精度达到国际先进水平，制导、导航与控制技术的持续发展推动了中国由航天大国迈向了航天强国[10]。

1.1 导航技术发展

1.1.1惯性导航技术

惯性导航技术利用惯性元器件测量弹/箭的运动过程，进而获得弹/箭导航信息，主要通过加速度计和陀螺仪进行连续的航位推算进行导航。惯性导航技术具备完全自主、隐蔽性好、导航信息完备、短时精度高、数据输出率高等特点，它依靠陀螺、加速度计和导航计算机计算导航参数(位置、速度和姿态等),具有不受外界干扰、更新率高等优点。惯性导航算法流程如图1所示。

图1 惯性导航算法流程图Fig.1 Flow chart of inertial navigation algorithm

根据惯性导航技术特点，又分为平台式惯性测量技术和捷联式惯导技术。

1)平台式惯性测量技术

平台式惯性测量技术将惯性仪表安装在台体上，给惯性仪表提供良好的工作环境，台体具有保持相对惯性空间方位不变的特点，提高了惯性导航系统精度。平台式惯性测量技术具备成熟、可靠、精度高的优点，但由于台体受框架系统制约，存在全姿态控制问题。

中国航天在长征三号甲(CZ-3A)系列运载火箭首次采用了四轴挠性平台，实现数字化输出，完成了大姿态角条件下的测量工作。

2)捷联式惯导技术

捷联惯导技术在平台式惯导技术基础上发展而来，在计算机内建立一个“数学平台”取代机电平台的功能，其弹/箭姿态数据通过计算机计算得到。捷联式惯导系统由速率陀螺、线加速度计和微型计算机以及相关电路组成[11]。捷联惯导系统具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、维护简单、可靠性高等优点，还可以通过冗余技术提高其容错能力。但其随工作时间会累积误差，难以满足远程、长时间高精度导航要求等问题。

随着激光和光纤捷联惯组的发展，捷联式惯性制导的精度也得到了飞速提升。光纤陀螺具有精度高、动态特性好、成本低、可靠性高等一系列优点，现已被广泛应用于弹/箭控制系统中。中国航天首创了速率捷联惯性测量组合+数字计算机制导控制方案，并实现了工程化应用，其带动了捷联惯性器件的飞速发展；中国航天自主研制的激光陀螺捷联惯性测量组合成功应用于某飞行器，支撑了飞行试验取得圆满成功。

由于惯性器件漂移的存在，其误差随时间发散，近年来惯性器件和系统技术得到了飞速发展,但在高精度、远程、长航时的导航应用中,惯导技术仍然需要外部信息源来校正其误差。

1.1.2组合导航技术

组合导航技术：用天文导航、卫星导航等技术中的一个或几个与惯性导航组合在一起，形成综合导航技术。大多数组合导航技术以惯导技术为主，其不仅能提供导航参数，还能够提供全姿态信息参数。

1)惯性卫星组合导航技术

惯性(INS)/卫星(GPS)组合方式克服了各自缺点，取长补短，使组合后的导航系统精度优于两个系统单独工作精度。优点体现为：对惯导系统，可以有效提高惯导系统的性能和精度；对GPS定位系统，可以提高接收机的动态特性和抗干扰能力。另外，INS/GPS组合可以提高GPS的完整性检测，从而提高可靠性；INS/GPS组合可以实现一体化，把GPS接收机放入惯导部件中，减小了系统的体积、重量和成本，且便于实现惯导和GPS的同步，减小非同步误差[12]。

INS/GPS组合制导成功应用于某飞行器，大幅度提高了落点精度，为提高弹/箭的制导精度开辟了一条新途径。

2)惯性星光组合导航技术

惯性星光组合导航是一种纯惯性导航基础上辅以星光测量信息的组合导航方法[13]，其结构框图如图2所示。它利用恒星在惯性空间的稳定性这一基本特点，通过星敏感器的测量获取惯性基准，校准平台坐标系(或数学平台坐标系)与发射惯性坐标系之间的误差角，并根据所测误差角修正导航误差[14]。惯性星光组合导航系统具有测量精度高、无姿态积累误差等优点，提高飞行器的机动能力和快速发射能力，降低控制系统成本，环境适应能力强。

图2 惯性星光组合制导结构框图Fig.2 Block diagram of inertial starlight combined guidance structure

中国航天将捷联惯性星光组合导航技术成功应用于某飞行器飞行试验，填补了中国在该技术的应用空白。基于大视场星敏感器的捷联星光组合导航技术应用于远征(YZ)上面级上，并支撑了首飞飞行试验取得圆满成功。

1.2 制导技术发展

1.2.1摄动制导技术

摄动制导技术是弹/箭按预定标准弹道路径飞行，不需要实时运算确定弹/箭轨道的一种制导技术。具有控制精度较高、对硬件计算资源要求低等优点。根据摄动制导技术特点，分为隐式摄动制导技术和显式摄动制导技术。

1)隐式摄动制导技术

隐式摄动制导技术利用“视速度”积分获得“视位置”、“视位置积分项”，通过反馈控制将飞行轨迹控制在标准弹道附近。以横向为例，隐式摄动导引方程如下：

(1)

2)显式摄动制导技术

显式摄动制导技术是指根据目标数据和弹/箭现时运动参数，实时计算弹/箭射程偏差。以横向为例，显式摄动导引方程如下：

(2)

中国航天将摄动制导技术应用于CZ-3A系列和CZ-2F运载火箭制导系统，满足了准确入轨的要求。

1.2.2闭路制导技术

(3)

中国航天将闭路制导成功应用于某飞行器，实现从摄动制导技术到闭路制导技术的跨越，为飞行器落点精度的提高“保驾护航”，标志着航天控制技术获得了全面的进步。

1.2.3迭代制导技术

迭代制导是随着现代计算机技术和最优控制理论的发展而出现的一种制导技术，利用弹/箭实时状态和终端约束条件计算出一条满足最佳性能指标的弹道用于控制，将发动机推力矢量在俯仰平面和偏航平面内进行分解，以程序角指令形式给出从而控制弹/箭飞行，程序角指令线性函数形式如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

迭代制导技术在入轨精度和适应性方面发挥了重大作用，其已在CZ-2F、长征五号(CZ-5)、长征七号(CZ-7)和YZ上面级等飞行器上得到应用，使中国运载火箭的制导方法误差减小了一个数量级，同时也为中国空间站工程、探月工程、深空探测工程火箭发射任务提供了坚实的技术支撑。

1.3 姿态控制技术发展

1.3.1频域设计技术

频域设计技术综合考虑弹/箭飞行过程中各种影响因素的最大可能偏离情况，按照适应偏差包络下的稳定性需求进行校正网络参数设计。针对分布在弹/箭不同频率段的刚体、晃动以及弹性振动特性进行稳定性控制，确保飞行特征时刻频域稳定，保证弹/箭在飞行过程中有足够的稳定裕度，使其能在刚体、弹性振动或液体晃动的状态下保持稳定飞行。

中国航天首创的弹/箭频域设计技术具有原理清晰，物理概念直观，工程应用性强的优点。频域设计技术经过不断完善发展，成功解决了以长征系列运载火箭为代表的航天运载器刚体运动、弹性振动、推进剂晃动的数学描述和稳定控制问题，确立了中国弹/箭姿控系统设计模式，奠定了姿态控制系统工程化设计基础，为“两弹一星”工程提供了重要的技术支撑。

1.3.2全数字设计技术

全数字设计技术是以数字计算机代替模拟电路构成控制系统闭合回路的设计技术。控制系统的分析、设计与工程实现全部实现数字化转变。在频域稳定性分析与设计的基础上，控制系统通过数字式校正网络的形式实现设计结果。并根据姿控系统设计要求，在弹体振动等不同频率处进行微分或者滤波，保证弹/箭在飞行全过程中有足够的稳定裕度，保证稳定的飞行。全数字设计技术具有改变网络和增益容易、设计简单、设计方案可多样化、运算速度和可靠性高等优点，提升了以模拟电路为基础的姿控系统的性能和适用范围。

中国航天应用数字式姿态控制系统设计及验证技术，实现了某飞行器全数字化姿态控制。通过不断的优化与完善，该技术逐步成熟并支撑了多个飞行器的飞行演示验证，将弹/箭的设计理论和控制精度提升到了新高度，实现了从模拟式控制到数字式控制的跨代转变。

1.3.3冗余控制技术

冗余控制技术是常规设计结合外加资源，抵消故障产生后果，以提高控制系统可靠性的一种控制技术。通过采用基于多源信息融合的故障判别技术，实现故障的定位、切除与吸收处理。利用弹/箭载计算机、惯性器件及伺服机构冗余能力，形成系统级冗余结构，使弹/箭具备承受单点故障的能力，大幅提升控制系统可靠性[17]。

CZ-2F载人运载火箭控制系统首先全面使用了系统级冗余技术，显著提高了火箭的故障适应能力；CZ-3A系列火箭控制系统从Y9开始采用系统级冗余技术，并经过100余发飞行试验考核，为高密度发射和圆满完成中国载人航天工程奠定了基础。新一代运载火箭CZ-5和CZ-7也都采用了系统级冗余技术，大幅提高了控制系统的飞行可靠性。

1.3.4自适应控制技术

自适应控制技术是一种通过在线调整参数以适应被控对象不确定性及扰动的高精度姿态控制技术。基于观测器估计、模型参考调整等方法，实现对弹/箭结构偏差、弹性等本体不确定和非连续气动、风等外部扰动进行补偿与自适应控制，达到在满足弹/箭准确跟踪参考输入的同时，具备足够的自适应与抗扰能力。图3为自适应控制技术结构图。在常规反馈控制系统的控制器基础上，增加了自适应外环构成自适应控制器。通过外环自适应调整控制器参数，实现内环对被控对象不确定性及扰动的抑制作用，从而降低弹/箭对模型的依赖。自适应控制技术具有适应本体不确定、复杂飞行环境及应对突发事件等优点。

图3 自适应控制器的结构图Fig.3 Structure diagram of adaptive controller

中国航天将自适应控制技术应用于某飞行器和YZ上面级等弹/箭姿控系统中，为具有不确定性参数和干扰的弹/箭控制提供了技术解决途径。

2 航天制导、导航与控制技术思考与展望

随着未来中国航天事业的发展，弹/箭自身结构复杂化，飞行任务多样化，飞行环境不确定且控制精度要求越来越高等需求对控制系统提出了新挑战[18]。

2.1 航天制导、导航与控制技术展望

1)惯性卫星组合导航技术

针对未来对打击能力和命中精度的要求，以及智能化、信息化、高效化、精确化的需求，当前惯性卫星组合导航技术朝着微型化、抗干扰、反欺骗、高精度、复合性、可靠性、完整性等方向发展。作为一种非线性、噪声非高斯的系统，对滤波方法的要求也较高，如何提高算法实时性是该类方法亟待解决的问题。将神经网络、遗传算法等智能算法引入到滤波方法[14]中，探索适用于惯性卫星组合导航技术的滤波新方法，需研制高精度、小型化、集成化和一体化组合导航技术。

2)惯性星光组合导航技术

针对复杂约束条件，对星光导航技术提出了更高的要求，传统星光导航技术在空间光环境分析、快速寻优选星算法以及修正效率等方面需要进一步提高，有限调姿的可观测性等约束造成星光导航难以应用。随着应用范围逐渐扩大,高精度、低成本、小型化、全球昼夜、全自动、全天候捷联惯性星光组合导航系统是今后发展趋势,开展无基准信息的惯性星光组合导航技术研究，在不需要任何外部基准信息的前提下,可直接精确地(角秒级)提供飞行器载体坐标系相对于惯性坐标系的姿态信息,且精度在全程保持稳定。

3)弹/箭在线轨迹规划技术

针对弹/箭飞行过程中的本体不确定、外部扰动和任务变更等需求，根据飞行器当前状态和剩余能力，利用在线轨迹规划方法，在线计算一条适合的飞行轨迹，从而最大限度保证飞行任务成功。在突发情况时，飞行器不再按照原控制指令飞行，而是通过判断飞行器当前的飞行状态，在线规划新的轨迹和相应的控制指令，在保证安全的情况下，尽可能地将载荷送到预定轨道或与预定轨道最为接近的救援轨道。

4)面向多任务的弹/箭智能化评估与决策技术

针对飞行器飞行过程中出现的突发态势挑战，考虑大气层内气动影响及动力约束，使飞行器具备多任务(降级任务、应急救援任务、安全可控返回任务)适应能力，实现任务选择与飞行器控制能力的最优匹配。通过实时在线评估飞行器的剩余入轨能力、可达区域和控制能力。基于能力评估结果，在线自主决策变更停泊轨道，保证载荷能够在轨安全飞行，等待地面的救援；在剩余入轨能力严重不足的情况下，通过在线轨迹重规划，完成再入安全返回或飞行任务降级。

5)非致命故障下的诊断与重构控制技术

未来弹/箭需要具备非致命故障情况下的应急机制和自主优化处理能力，实现主动故障容错与重构控制，为继续完成任务创造条件。出现非致命故障时，弹/箭仍具备一定执行能力，通过检测、诊断故障状态，并对故障部件进行重构，或对控制算法及参数在线自适应调整，防止故障影响范围扩大或失稳。通过对飞行任务进行充分、有效地分析与规划，使导弹/火箭的适应性得到显著提升，完成或降维完成任务。

6)基于在线辨识的强适应控制技术

考虑弹/箭复杂性增强、任务多样化发展以及参数变化无法预知等特点，需要深入利用辨识技术，在线获取本体信息和控制参数实时调整，实现飞行强适应控制。借助高效激励指令、多源信息融合等方法，进一步提升辨识准确度，减少对模型的依赖，将辨识等效模型的方法与传统控制，或现有模型参考自适应控制等现代控制理论方法相结合，逐步实现基于在线辨识的飞行强适应控制。

7)制导控制一体化设计技术

针对未来弹/箭执行机动要求高、相对运动关系变化快等特点，需要完整引入弹/箭的动力学环节，深入分析并补偿制导与控制之间的耦合机理，充分利用弹/箭的状态信息，有效发挥机动能力，确保成功完成各项任务。在充分认识并利用制导、导航与控制系统机理基础上，将其视为一个整体，采用一体化设计方法，提升导弹/火箭的整体性能。

2.2 “会学习”的弹/箭制导控制技术

“会学习”弹/箭制导控制技术是将智能技术引入制导、导航与姿态控制等各个任务环节，实现飞行状态在线辨识与感知、制导控制在线重构、经验知识自学习和自主适应与进化等能力，使弹/箭变得更聪明、更自主。通过学习和训练，弥补程序化控制策略带来的局限性，增强适应复杂飞行环境及应对突发事件的能力。“会学习”的弹/箭包含“边飞边学”和“终身学习”两个特征[19]，其技术框图如图4所示。

图4 “会学习”的弹/箭制导、导航与控制技术Fig.4 GNC technology of “Self-learning” missile/launch vehicle

“边飞边学”是指在弹/箭飞行过程中，通过飞行状态与环境在线辨识、运载及控制能力在线评估、轨迹在线规划、控制在线重构、目标在线变更等功能，使导弹/火箭具备个体强适应、任务快响应、飞行自学习、系统高自主等能力。“终身学习”是指弹/箭能够充分利用全生命周期中所产生的数据，以大数据、智能分析技术等为基础，持续进行自我学习和改进，实现知识的深度挖掘、迁移应用和决策评估，通过完成一次设计流程，使弹/箭的优化与改进延伸到整个飞行器生命周期，实现弹/箭“越飞越聪明”。

3 结束语

本文对弹/箭制导、导航与姿态控制技术的发展进行了综述。对惯性导航、组合导航、摄动制导、闭路制导、迭代制导、频域设计、全数字设计、冗余控制、自适应控制等为代表的制导、导航和姿态控制技术进行了总结和应用综述。对未来GNC技术的发展进行了思考与展望，并提出了惯性卫星组合导航、惯性星光组合导航、弹/箭在线轨迹规划、非致命故障下的诊断与重构控制、面向多任务的导弹/火箭智能化评估与决策、基于在线辨识的强适应控制等七项关键技术。针对更聪明、更自主的弹/箭控制技术发展需求，思考并展望了“会学习”弹/箭的制导、导航与控制技术。