淺談信息集成在航天運(yùn)輸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究論文
信息集成 (集成平臺(tái)) 是指系統(tǒng)中各子系統(tǒng)和用戶的信息采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和編碼，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)信息共享，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)相關(guān)用戶軟件間的交互和有序工作。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：淺談信息集成在航天運(yùn)輸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
淺談信息集成在航天運(yùn)輸控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究全文如下：
引言
在航天領(lǐng)域，隨著SpaceX 等私人航天企業(yè)的涌入，包括Ariane 和ULA 在內(nèi)的多家航天機(jī)構(gòu)均紛紛感到了競(jìng)爭(zhēng)的壓力，開始研究如何快速、可靠和低成本地實(shí)現(xiàn)火箭的發(fā)射服務(wù)。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，航天運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)認(rèn)真考慮使用性問題，尤其長(zhǎng)征系列火箭還未能真正參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，使我們長(zhǎng)期對(duì)這方面的需求不再敏感甚至認(rèn)為沒有需要。同時(shí)，火箭競(jìng)爭(zhēng)力往往用運(yùn)載能力等總體指標(biāo)來(lái)衡量，對(duì)于其他分系統(tǒng)能發(fā)揮的作用，討論得甚少。本文將重點(diǎn)探討信息技術(shù)的發(fā)展給航天運(yùn)輸控制系統(tǒng)(包括地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng))帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
目前，信息技術(shù)對(duì)航天控制的影響，更多聚焦于多傳感器的信息融合以及多處理器的并行處理等領(lǐng)域，這體現(xiàn)了信息技術(shù)的兩個(gè)特點(diǎn):信息量大大增加，信息處理的能力以及需求也大大增加，但信息技術(shù)的作用不僅限于此。應(yīng)該看到，信息技術(shù)是基礎(chǔ)技術(shù)，當(dāng)基礎(chǔ)技術(shù)的能力得到了提升，我們同樣要回歸到基礎(chǔ)去重新認(rèn)識(shí)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，去源頭尋找解決新問題的新途徑。例如，過(guò)去由于處理能力不足而簡(jiǎn)化或省略的功能是否需要補(bǔ)充完善，總體的風(fēng)險(xiǎn)是否需要進(jìn)行調(diào)整等。
在進(jìn)行運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)是確定飛行的軌跡并評(píng)估精度;在此基礎(chǔ)上，按照系統(tǒng)從大到小進(jìn)行任務(wù)劃分，例如，首先確定飛行系統(tǒng)與地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的任務(wù)界面;其次，針對(duì)飛行系統(tǒng)中的電氣系統(tǒng)，明確控制分系統(tǒng)與測(cè)量分系統(tǒng)之間的任務(wù)界面;針對(duì)控制分系統(tǒng)，再進(jìn)一步劃分設(shè)備的組成及其內(nèi)部軟硬件的分工。
未來(lái)空間運(yùn)輸系統(tǒng)的任務(wù)將更加復(fù)雜，對(duì)其自主控制能力的要求也更高，總體、控制、動(dòng)力等多學(xué)科融合的趨勢(shì)愈來(lái)愈強(qiáng)，單純依靠某一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間已越來(lái)越窄。因此，考慮到未來(lái)自主控制以及“快速、可靠、經(jīng)濟(jì)”地進(jìn)出空間的需求，本文分析了信息集成技術(shù)在上述設(shè)計(jì)流程中能夠發(fā)揮的作用，提出了四個(gè)“一體化”的設(shè)計(jì)理念，即:
1)利用箭上計(jì)算裝置的計(jì)算能力，完成在線自主軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)“制導(dǎo)與彈道設(shè)計(jì)的一體化”，增強(qiáng)自主控制的能力和適應(yīng)性;
2)借助于箭上系統(tǒng)的信息處理能力，進(jìn)行自檢測(cè)(Built in Test，BIT)，實(shí)現(xiàn)“BIT 與地面測(cè)試系統(tǒng)的一體化”，重新規(guī)劃飛行系統(tǒng)和地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的任務(wù)分工，從而達(dá)到快速發(fā)射和精簡(jiǎn)技術(shù)保障人員的目的;
3)充分發(fā)揮箭上智能單機(jī)的處理能力，實(shí)現(xiàn)“控制與測(cè)量系統(tǒng)的一體化”，減少單一功能的設(shè)備，并采用平臺(tái)化的設(shè)計(jì)理念，避免重復(fù)開發(fā)，進(jìn)而降低成本，提高產(chǎn)品成熟度和可靠性;
4)設(shè)計(jì)通用的軟硬件一體化開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“模型驅(qū)動(dòng)的軟硬件設(shè)計(jì)一體化”，為方案論證和選型提供統(tǒng)一建模與仿真的環(huán)境，確保設(shè)計(jì)一次成功，避免方案性反復(fù)。
由于信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的功能領(lǐng)域得以延伸，并且可以集成其他功能;而第四項(xiàng)一體化則為方案設(shè)計(jì)的早期驗(yàn)證提供了“量化”分析的條件。
1 制導(dǎo)與彈道設(shè)計(jì)的一體化
1. 1 軌跡優(yōu)化中的間接法與直接法
傳統(tǒng)上制導(dǎo)與彈道分屬兩個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，彈道設(shè)計(jì)是離線的靜態(tài)優(yōu)化，而制導(dǎo)控制則是在線的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。許多設(shè)計(jì)約束由彈道設(shè)計(jì)來(lái)保證，制導(dǎo)僅完成與入軌精度相關(guān)的終端約束的控制。但是，隨著閉路制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，制導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)規(guī)劃滿足終端約束的軌跡，有可能偏離標(biāo)準(zhǔn)彈道，從而導(dǎo)致彈道設(shè)計(jì)中的隱式約束無(wú)法得到滿足;如果在制導(dǎo)控制中加上這些約束，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有可能得不到合適的解析解。
飛行器軌跡優(yōu)化問題實(shí)際上是一種帶有狀態(tài)約束和控制約束的最優(yōu)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。間接法基于極大值原理推導(dǎo)最優(yōu)控制的一階必要條件，它們構(gòu)成了求解最優(yōu)軌跡的Hamiltonian 邊值問題，由于不對(duì)性能指標(biāo)函數(shù)直接尋優(yōu)，因此該方法稱為間接法。當(dāng)前的大多數(shù)實(shí)時(shí)軌跡優(yōu)化方法都對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行了不同程度的降階處理，僅針對(duì)某種具體的問題有效。這種應(yīng)用存在以下不足:1) 約束條件不同，算法會(huì)體現(xiàn)很大差異，很難有一個(gè)通用的解決方案或框架;2)許多情況下難以得到表達(dá)完美的解析解，這時(shí)往往要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化;3) 即使如此，許多復(fù)雜約束還是難以解決，只能對(duì)約束條件進(jìn)行精簡(jiǎn)，其代價(jià)往往由總體承擔(dān)轉(zhuǎn)嫁到有效載荷。
直接法比間接法出現(xiàn)更早，采用參數(shù)化方法將連續(xù)空間的最優(yōu)控制問題求解轉(zhuǎn)化為一個(gè)非線性規(guī)劃(NLP)問題，通過(guò)數(shù)值求解該非線性規(guī)劃問題來(lái)獲得最優(yōu)軌跡。在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的近30年，直接法有了較快的發(fā)展，并且開始應(yīng)用于航天領(lǐng)域。這些方法的不同體現(xiàn)在對(duì)連續(xù)最優(yōu)控制問題的轉(zhuǎn)換、離散化等方面，文獻(xiàn)還概述了一些很有應(yīng)用前景的方法，如偽譜法，滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化法等，尤其是離散控制變量和狀態(tài)變量的偽譜法，備受關(guān)注。該方法成功應(yīng)用到國(guó)際空間站的調(diào)姿優(yōu)化，但對(duì)于大氣層內(nèi)飛行段，其實(shí)時(shí)性尚未得到驗(yàn)證。
在國(guó)內(nèi)，從多級(jí)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(yōu)化中得到了普遍應(yīng)用。為提高效率，常采用與直接法結(jié)合或串行分段優(yōu)化的策略，設(shè)計(jì)一條優(yōu)化軌跡的時(shí)間從數(shù)分鐘至數(shù)秒，并具有了應(yīng)用于在線制導(dǎo)的潛力。而文獻(xiàn)提出的收斂深度控制策略，可將特定條件下的優(yōu)化時(shí)間縮短至100 ms 以內(nèi)，這為在線優(yōu)化提供了條件。
如果能進(jìn)一步提高直接法的計(jì)算效能，采用統(tǒng)一的建模方式，實(shí)時(shí)地解算各種過(guò)程約束或終端約束、等式約束或不等式約束，則制導(dǎo)控制與彈道設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)一體化。這不僅是自主飛行控制的需求，也是技術(shù)發(fā)展的必然。
聯(lián)立法在過(guò)程控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)也開始嘗試將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到航天運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。運(yùn)載火箭飛行全過(guò)程是多階段、非線性、變動(dòng)力學(xué)模型，以某型火箭為例，其設(shè)計(jì)約束包括如下部分:
1)入軌精度要求;
2)入軌姿態(tài)要求;
3)控制變量的變化率要求( 如全程角速度限制);
4)分離前控制變量保持不變的要求;
5)殘骸落點(diǎn)位置的要求;
6)攻角的要求。
傳統(tǒng)上只有第1 項(xiàng)約束是制導(dǎo)系統(tǒng)直接控制的，如果同時(shí)考慮其他約束，則難以推導(dǎo)出解析表達(dá)式，因此其他約束均隱含在標(biāo)準(zhǔn)彈道中。但若在自主控制下偏離標(biāo)準(zhǔn)彈道，上述約束條件就可能都無(wú)法滿足，這使得制導(dǎo)系統(tǒng)的自主性以及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的適應(yīng)能力均有不足，這也是一體化設(shè)計(jì)所要解決的問題，即自主的軌跡規(guī)劃要能滿足所有約束。需要重點(diǎn)解決多階段非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化、復(fù)雜約束動(dòng)態(tài)系統(tǒng)聯(lián)立優(yōu)化等技術(shù)難題，并對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行適應(yīng)性的重構(gòu)。
1. 2 聯(lián)立法的解題框架
將火箭運(yùn)動(dòng)模型以及各種約束條件按時(shí)域劃分有限元，并用插值多項(xiàng)式對(duì)各變量進(jìn)行逼近。然后計(jì)算Jacobian 矩陣，并將其結(jié)果與離散模型送至非線性規(guī)化求解器( Nonlinear Programming，NLP)。NLP 對(duì)聯(lián)立的方程進(jìn)行求解，將計(jì)算結(jié)果返回離散模型，計(jì)算殘差。若殘差滿足要求，則本次軌跡規(guī)劃成功，將離散的最優(yōu)解插值成最優(yōu)控制曲線;如果殘差不滿足要求，NLP 將進(jìn)行搜索方向的計(jì)算，更新各變量，并再次求解，這一過(guò)程反復(fù)迭代。
目前，提高計(jì)算效率的主要研究方向?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面:
1)通過(guò)自適應(yīng)移動(dòng)有限元方法確定合適的有限元個(gè)數(shù);
2)通過(guò)初值發(fā)生技術(shù)選擇變量的初值;
3)采用多階段動(dòng)態(tài)聯(lián)立優(yōu)化方法( 而非分段串行優(yōu)化方法)解決質(zhì)量突變以及推力非線性變化的情況;
4)通過(guò)收斂深度控制提高運(yùn)算速度;
5)合理選擇殘差避免不收斂的情況。
算法的優(yōu)化、計(jì)算速度的提升以及并行處理技術(shù)的發(fā)展，都將促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。從中可以看出，模型離散化與具體飛行的任務(wù)需求相關(guān)，其他工作均可以由計(jì)算裝置自動(dòng)完成，從而提供了一種通用的解題框架。該技術(shù)的突破，將為此類問題的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)求解開辟新的技術(shù)途徑，其應(yīng)用也不僅僅局限于航天運(yùn)輸系統(tǒng)。
2 BIT 與地面測(cè)試的一體化設(shè)計(jì)
2. 1 現(xiàn)狀分析
簡(jiǎn)化測(cè)發(fā)控操作，減少發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，精簡(jiǎn)現(xiàn)場(chǎng)保障人員;同時(shí)提高測(cè)試覆蓋性，縮短天地差異性，加強(qiáng)設(shè)備通用性，這些看似矛盾的需求，是當(dāng)前對(duì)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的新要求。漸進(jìn)式改進(jìn)已難以大幅提升性能，必須從源頭重新規(guī)劃，即將箭上控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試發(fā)控的需求結(jié)合起來(lái)統(tǒng)籌考慮。在這方面，日本Epsilon 固體小運(yùn)載火箭甚至提出了移動(dòng)發(fā)射控制的概念，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以在世界的任何一個(gè)地方利用一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)方便地檢查和控制火箭發(fā)射，主要實(shí)現(xiàn)流程控制;而火箭發(fā)射準(zhǔn)備階段的測(cè)試以及故障診斷、重構(gòu)等工作全部由箭上系統(tǒng)來(lái)自主實(shí)現(xiàn)，并將是否滿足發(fā)射條件傳送至地面供控制中心人員決策。而國(guó)內(nèi)的研究更多著眼于傳統(tǒng)地面設(shè)備的整合，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)和型號(hào)之間的共享，對(duì)如何利用箭上系統(tǒng)的自檢測(cè)功能來(lái)簡(jiǎn)化地面測(cè)試還少有論及。
結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，雖然利用箭上設(shè)備BIT功能實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)(數(shù)據(jù)采集) 被認(rèn)為是可行的，但將數(shù)據(jù)的分析、故障的診斷以及是否滿足發(fā)射條件的決策仍交由地面指揮控制中心來(lái)完成，是箭、地任務(wù)分工較為合理的一種方案，目前已進(jìn)入了應(yīng)用研究階段。
2. 2 總線竊聽與箭地高速測(cè)試總線
與Epsilon 的方案相比，箭上設(shè)備只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，這樣減輕了箭上產(chǎn)品的負(fù)擔(dān);箭地之間設(shè)計(jì)大容量的高速測(cè)試總線(High-speed Measurement Bus，HMB)，按傳輸速率≮20Mbps、通信距離≮200 米設(shè)計(jì)，基于HMB 的數(shù)據(jù)采樣稱作“總線竊聽”技術(shù)，以區(qū)別于1553B 總線等的“總線監(jiān)聽”技術(shù)。
考慮到箭載計(jì)算機(jī)是火箭控制系統(tǒng)的主控設(shè)備，對(duì)其機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)總線的檢測(cè)相當(dāng)于獲取了與計(jì)算機(jī)相關(guān)的所有輸入(對(duì)應(yīng)各種傳感器)和輸出(對(duì)應(yīng)各種控制指令) 信號(hào)，因此將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在箭載計(jì)算機(jī)的機(jī)內(nèi)總線端;同時(shí)為避免對(duì)飛行軟件的影響，這些檢測(cè)應(yīng)全部自動(dòng)實(shí)現(xiàn)并將數(shù)據(jù)通過(guò)HMB下傳至測(cè)發(fā)控系統(tǒng)(自動(dòng)竊聽并發(fā)送)。為便于箭、地主動(dòng)的收發(fā)通訊，設(shè)計(jì)單獨(dú)的用戶郵箱。
HMB 將在箭、地系統(tǒng)之間建立統(tǒng)一的接口，在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的前端設(shè)備間配置一臺(tái)通訊終端，通過(guò)該終端利用網(wǎng)絡(luò)通訊，可以將數(shù)據(jù)傳送至指揮控制中心的數(shù)據(jù)處理終端或后方系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位。為保證通訊的可靠，應(yīng)適應(yīng)并接兩個(gè)或多個(gè)通訊終端的情況。
2. 3 自動(dòng)判讀與閉環(huán)測(cè)試
借助于HMB，首先可以實(shí)現(xiàn)“基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)判讀”。地面能夠直接“竊聽”到飛行控制軟件的輸入信號(hào)及產(chǎn)生的控制信號(hào);其他總線站點(diǎn)的信號(hào)封裝成遙測(cè)量，由箭機(jī)作為總線控制器轉(zhuǎn)發(fā)給遙測(cè)系統(tǒng)時(shí)，地面通過(guò)對(duì)總線接口的監(jiān)測(cè)也能獲取這些數(shù)據(jù)，于是地面系統(tǒng)可以據(jù)此采用相同的算法(模型)進(jìn)行箭上控制過(guò)程的同步推算，并將計(jì)算結(jié)果與箭上設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，這就是“基于模型”和“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的含義。理論上二者的處理結(jié)果除計(jì)算誤差外應(yīng)基本一致。當(dāng)然地面與箭上的開發(fā)小組應(yīng)不同，采用類似于多版本的經(jīng)驗(yàn)來(lái)消除共因失效。這種分析是自動(dòng)且近似“實(shí)時(shí)”的，并且對(duì)測(cè)試用例不敏感:當(dāng)用例改變，即箭上各種控制器的輸入條件改變時(shí)，箭上與地面系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果也都發(fā)生改變;但只要二者一致，說(shuō)明系統(tǒng)工作正常，并不需要提前準(zhǔn)備固定的判據(jù)。這種分析技術(shù)為閉環(huán)測(cè)試提供了便利，以控制系統(tǒng)總檢查測(cè)試為例。
可以看出這種測(cè)試是閉環(huán)的。地面仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)HMB 獲取發(fā)動(dòng)機(jī)擺角信息，仿真箭體的運(yùn)動(dòng)，并將解算后的速度、位置和姿態(tài)轉(zhuǎn)換為慣性測(cè)量設(shè)備的信號(hào)，通過(guò)箭地郵箱反饋至箭載計(jì)算機(jī)中，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。這種將被控系統(tǒng)的模型與電氣系統(tǒng)匹配性測(cè)試集成在一起的方案，稱作“系統(tǒng)在回路”的綜合試驗(yàn)方案，結(jié)合了電氣系統(tǒng)測(cè)試和仿真試驗(yàn)二者的優(yōu)點(diǎn)。例如，在地面仿真軟件中設(shè)置不同的干擾狀態(tài)，從而產(chǎn)生不同的測(cè)試用例(但并沒有改變硬件的狀態(tài))，增大了測(cè)試的覆蓋性;而通過(guò)前文介紹的智能判讀技術(shù)，數(shù)據(jù)的分析全部自動(dòng)進(jìn)行。更主要的是，這種測(cè)試可以在總裝廠、發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，從而大大提高在這些場(chǎng)合測(cè)試的有效性和覆蓋性。
通過(guò)上述任務(wù)的重新分配，由此可以梳理出新型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的特點(diǎn):
1)箭地之間的連接除供電信號(hào)外，其余將以標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字總線為主，這簡(jiǎn)化并且規(guī)范了接口關(guān)系，易于型號(hào)間通用。
2)地面測(cè)試的工作性質(zhì)已轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)分析，“測(cè)試與發(fā)射控制系統(tǒng)”將轉(zhuǎn)型為“發(fā)射控制系統(tǒng)”，重點(diǎn)是流程控制。
3)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析采用與箭上設(shè)備同樣的模型，將專家事后分析數(shù)據(jù)的過(guò)程實(shí)時(shí)化、智能化，減少了控制中心或后方單位的技術(shù)保障人員;具備對(duì)不同測(cè)試用例的“自適應(yīng)性”，創(chuàng)造了閉環(huán)測(cè)試的條件，在簡(jiǎn)化操作和測(cè)試的同時(shí)增強(qiáng)了地面測(cè)試把關(guān)的力度。
3 控制與測(cè)量系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)
3. 1 現(xiàn)狀分析
控制與測(cè)量系統(tǒng)是火箭電氣系統(tǒng)的兩個(gè)主要組成部分。為避免共因失效，測(cè)量系統(tǒng)一般獨(dú)立于被測(cè)系統(tǒng)之外。但隨著電氣產(chǎn)品整體可靠性和成熟度的提升以及各種冗余技術(shù)和BIT 技術(shù)的使用，這種獨(dú)立的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案顯得過(guò)于復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下方面:
1)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、地面試驗(yàn)考核的力度均得到很大提升;
2)控制系統(tǒng)采用各種高性能的處理器，不僅具備BIT 的能力，且在采樣精度、采樣頻率、數(shù)據(jù)處理等方面已超過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元;
3)控制系統(tǒng)普遍采取冗余設(shè)計(jì)，并基本解決了“單故障點(diǎn)”問題，使得BIT 測(cè)試具備了冗余能力，提高了BIT 測(cè)試的可靠性。
國(guó)外火箭也意識(shí)到了這一點(diǎn)，例如法宇航在“Avionic-X”項(xiàng)目中，提出兩個(gè)系統(tǒng)一體化的初步設(shè)想，以“飛行控制單元1”為例，包含有控制與測(cè)量各自的數(shù)據(jù)處理模塊(類似于計(jì)算機(jī))、衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)模塊、慣性測(cè)量模塊以及共用的供電模塊等，并開始借鑒航空系統(tǒng)中的“集成模塊電子系統(tǒng)”架構(gòu)。
國(guó)內(nèi)也較早地開展了航天電氣產(chǎn)品模塊化、集成化的應(yīng)用研究，提出通用信息化的集成框架，但尚未考慮分系統(tǒng)間的集成。在綜合分析可靠性、成本雙重因素下，測(cè)量分系統(tǒng)中的相關(guān)功能，尤其是用于對(duì)控制系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行采樣、編碼、傳輸?shù)母鞣N數(shù)據(jù)采集單元，具備了與控制分系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)的條件。
3. 2 模塊化/組合化/集成化設(shè)計(jì)
控制與測(cè)量功能的集成并非簡(jiǎn)單組合，需要電氣系統(tǒng)從頂層進(jìn)行規(guī)劃，按照“模塊化/組合化/集成化”(以下簡(jiǎn)稱“三化”) 的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，并要兼顧地面測(cè)試的需求。
從新一代運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的研制看，隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，控制系統(tǒng)智能單機(jī)( 指含有CPU的單機(jī))的配置均基本相同，均含有標(biāo)準(zhǔn)化總線接口、處理器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘、FPGA、電源模塊、總線協(xié)議芯片等，不同之處都集中在I /O 接口上，例如，伺服控制要采用放大器接口，時(shí)序和閥門控制要采用大功率的開關(guān)量接口，推力調(diào)節(jié)則主要是脈寬調(diào)制控制和脈沖量接口，等等。因此，上述“三化”設(shè)計(jì)的思路是，在基本配置均相同的前提下，通過(guò)配置不同的I /O 接口，實(shí)現(xiàn)各自特定的功能，從而避免重復(fù)開發(fā)、CPU 種類繁多等不利于資源共享、成熟度提高和降低成本的開發(fā)模式，這就需要對(duì)各種基本模塊和接口模塊進(jìn)行合理規(guī)劃。
含有處理器的設(shè)備主要有箭載計(jì)算機(jī)、各級(jí)(類)控制器以及各類慣性測(cè)量設(shè)備，這些設(shè)備都可以采用“三化”的設(shè)計(jì)，從而形成不同的集成控制單元。
每個(gè)集成控制單元除完成控制以及自身的自檢測(cè)功能外，還可以兼顧“周邊”相關(guān)非智能設(shè)備信號(hào)的檢測(cè)，如各種傳感器信號(hào)、配電信號(hào)等，其思想是盡可能多地發(fā)揮處理器的“富裕”能力，減少單一功能的單機(jī)。集成控制單元采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)，通過(guò)基本模塊和I /O 模塊組成各類具體產(chǎn)品。其中基本模塊為CPU 模塊、供電模塊和BIT 模塊，而其他典型I /O 模塊包括:GNSS、慣性測(cè)量模塊、開關(guān)量輸入/輸出接口(DI /DO)、放大器接口、各種總線接口和檢測(cè)模塊等。
集成控制單元的體系結(jié)構(gòu)還應(yīng)能適應(yīng)下述不同需求:1)整機(jī)級(jí)冗余設(shè)計(jì):如計(jì)算機(jī)、各級(jí)控制器的設(shè)計(jì);2)系統(tǒng)級(jí)冗余設(shè)計(jì):如多慣組冗余，每套慣組內(nèi)采用單模方案;3) 多機(jī)并行處理設(shè)計(jì);4) 非冗余設(shè)計(jì):如檢控器等。如果設(shè)計(jì)平臺(tái)考慮周到，還可以兼顧無(wú)CPU 狀態(tài)的設(shè)計(jì)，如綜合配電器等。
在這種一體化設(shè)計(jì)中，不再需要針對(duì)控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)采集單元，測(cè)量信息將主要由總線監(jiān)視器獲取，飛行軟件承擔(dān)“飛行控制”與“數(shù)據(jù)管理”兩個(gè)主要的、優(yōu)先級(jí)不同的任務(wù)，這可以在操作系統(tǒng)的支持下完成。此外，操作系統(tǒng)或軟件中間件還可以屏蔽軟件對(duì)不同硬件配置的依賴，從而增強(qiáng)軟件的重用性。
4 模型驅(qū)動(dòng)的軟硬件一體化設(shè)計(jì)
4. 1 現(xiàn)狀分析
當(dāng)具體到設(shè)備功能的劃分以及集成控制單元的設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)上稱作“系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”。一般參照原有的型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者技術(shù)發(fā)展帶來(lái)設(shè)備功能增強(qiáng)后，體積、功耗降低，可以將多臺(tái)設(shè)備組合成一臺(tái)。
在絕大部分情況下，上述兩種方法應(yīng)用得很好。但其不足是沒有將系統(tǒng)方案( 算法) 的設(shè)計(jì)與硬件載體緊密關(guān)聯(lián)起來(lái)，當(dāng)在地面計(jì)算機(jī)上完成算法設(shè)計(jì)后，需要向性能相對(duì)受限的嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，這樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程存在風(fēng)險(xiǎn)。由于最終設(shè)計(jì)的可行性需要硬件、軟件的原型產(chǎn)品才能進(jìn)行驗(yàn)證，因此，在方案論證過(guò)程中不同方案選優(yōu)就沒有一個(gè)可以量化的評(píng)估值，難以實(shí)現(xiàn)“從定性到定量綜合集成”的跨越。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，硬件與軟件的一體化設(shè)計(jì)已逐漸成為可能，在航天領(lǐng)域，也開始采用“模型驅(qū)動(dòng)工程”(Model-Driven Engineering，MDE)方法開展設(shè)計(jì)，而國(guó)內(nèi)隨著自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)CPU的突破，為本項(xiàng)技術(shù)研究創(chuàng)造了條件。
4. 2 軟硬件一體化設(shè)計(jì)
MDE 在航天控制上的應(yīng)用。在該方法中，控制系統(tǒng)的“算法設(shè)計(jì)”、“軟件開發(fā)”、“硬件開發(fā)”這三個(gè)“V”字型開發(fā)模型被有機(jī)集成在一起，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中的算法將首先轉(zhuǎn)化為可以在仿真器上運(yùn)行的軟件代碼，然后該代碼與硬件設(shè)計(jì)一并集成到硬件模型中進(jìn)行協(xié)同仿真，從而具備了在沒有硬件載體且針對(duì)目標(biāo)硬件的設(shè)計(jì)仿真能力。
系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)離不開設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)必須能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員迅速搭建原型模型并進(jìn)行驗(yàn)證，這也是廣義上的“定量綜合集成”的基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)平臺(tái)為具體產(chǎn)品的軟硬件分工創(chuàng)造便利條件，可以首先選擇一個(gè)方案，若不滿足要求則進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)榇穗A段調(diào)整成本較低。為校驗(yàn)算法的可行性，需選擇某個(gè)處理器IP 核，并用原型法設(shè)計(jì)出應(yīng)用軟件，然后集成在一起仿真校驗(yàn)。應(yīng)用軟件( 包括飛行控制軟件、嵌入式操作系統(tǒng)等) 首先編譯成該CPU 的目標(biāo)碼，由指令集仿真器( Instruction SetSimulator，ISS) 進(jìn)行調(diào)用。ISS 是一個(gè)虛擬微處理器，它將目標(biāo)碼進(jìn)行解碼和執(zhí)行，對(duì)外通過(guò)處理器總線功能模型與硬件仿真器進(jìn)行交互?？偩€功能模型實(shí)現(xiàn)從指令級(jí)到周期級(jí)的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生總線周期的序列，并實(shí)現(xiàn)總線接口功能，驅(qū)動(dòng)這些信號(hào)進(jìn)入硬件仿真環(huán)境;同時(shí)對(duì)總線周期響應(yīng)進(jìn)行取樣，并傳送回軟件環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同仿真。
5 結(jié)束語(yǔ)
采用聯(lián)立法解決真空段多約束條件已取得一定成果，研究對(duì)象正向全過(guò)程(包含大氣段) 動(dòng)態(tài)軌跡規(guī)劃等方面擴(kuò)展，重點(diǎn)解決實(shí)時(shí)性問題。以新一代中型運(yùn)載火箭為契機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了BIT 與地面測(cè)試的一體化設(shè)計(jì)，利用HMB 以及總線“竊聽”技術(shù)，地面系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)與箭上設(shè)備的同步解算和分析，在提高效率、節(jié)省人員等方面取得了顯著效果。
對(duì)于控制與測(cè)量系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)而言，航天綜合電子技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)，將涉及新型電氣系統(tǒng)架構(gòu)的劃分以及高速總線(系統(tǒng)級(jí)、背板級(jí)) 互聯(lián)技術(shù)。軟硬件的一體化設(shè)計(jì)得益于電子工業(yè)水平的提升，但仍需要更多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式處理器IP核，才能提供更多的設(shè)計(jì)選擇。
信息技術(shù)的發(fā)展，提供重新審視控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展方向的機(jī)會(huì)。無(wú)論是更強(qiáng)的計(jì)算能力、更高的集成度、還是更加先進(jìn)的建模與仿真技術(shù)，在改變技術(shù)、產(chǎn)品的同時(shí)，也會(huì)改變研發(fā)模式，其影響將更為深遠(yuǎn)，也將促進(jìn)信息技術(shù)與航天控制技術(shù)真正意義上的融合。