运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法、运载器及存储
介质
技术领域
背景技术
[0002] 航天运输系统的技术
水平代表着一个国家自主进出空间的能
力，体现着一个国家利用空间和发展空间技术的能力，维护着一个国家的空间安全和空间利益，也是综合国力的象征。随着近年来航天运输领域的快速发展，“重复使用”概念越来越受到重视。重复使用运载器是降低航天运输成本、提高安全可靠性、缩短转场准备时间的理想运输工具，是未来我国航天运输系统的重要组成部分。另外，从技术发展规律来看，航天运输系统从一次性使用向重复使用发展也是技术发展的必然趋势。因此发展技术性能更先进、能重复使用的航天运输系统对于满足我国未来空间开发和降低发射成本等需求具有重要的意义。
[0003] 未来的多级入轨完全/部分重复使用航天运输系统，需要采用嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing System，FADS)来提高运载器无动力返回段的导航和控制
精度。目前，国内对
航天器嵌入式大气数据传感系统的研究和工程应用还不成熟，对测压点布局与压力场建模技术、多信息融合技术、系统故障在线检测与判定等技术缺乏必要的验证手段，大气数据的测量精度与可靠性还需要持续深入的研究。
马赫数、迎
角、
侧滑角、高度及动压等大气相关的数据是重复使用航天器制导与控制所需的关键信息，基于FADS实现工程化的大气数据测量目前还面临一定的困难和不确定性，测量精度与可靠性还需持续改进。为此，在无动力返回过程中或者故障时需要设计一种在无准确大气数据测量信息仍能进行安全可靠控制的制导控制方法，保证航天器安全着陆。
发明内容
[0004] 本发明提出了一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法、运载器及存储介质，旨在解决
现有技术中运载器基于嵌入式大气数据传感系统(FADS)的大气数据测量精度与可靠性低的问题。
[0005] 根据本申请
实施例的第一个方面，提供了一种运载器能量管理段故障判断方法，包括以下步骤：
[0006] 获取
风干扰下大气数据测量数据以及惯性测量数据；
[0007] 分析大气数据测量数据和所述惯性测量数据的特性差异；
[0008] 根据飞行剖面高度、速度、航向、风速以及风向的散布规律建立所述大气数据测量数据的
安全边界的数学表征；
[0009] 根据大气数据测量数据安全边界对大气测量数据的
覆盖程度，判断大气测量信息是否在安全边界范围围，当大气测量信息不在安全边界范围时判断大气数据传感系统故障；
[0010] 当大气数据传感系统故障时根据关键状态边界保护进行纵向控制或根据侧滑角边界保护进行
滚转控制。
[0011] 根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种运载器，包括：
[0013] 处理器；以及
[0015] 其中，所述计算机程序存储在所述存储器中，并被配置为由所述处理器执行以实现所述的运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法。
[0016] 根据本申请实施例的第三个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行以实现运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法。
[0017] 采用本申请实施例中的运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法，通过分析大气数据测量信息与惯性测量信息的特性差异，并建立大气数据测量信息安全边界的数学表征，然后根据大气数据测量信息安全边界对运载器进行飞行控制。在无动力返回过程中FADS故障或无大气数据测量信息的情况下，仍能对运载器实行安全可靠控制，保证航天器安全着陆。
附图说明
[0018] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0019] 图1中示出了根据本申请实施例的一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法的
流程图；
[0020] 图2中示出了根据本申请实施例的一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法中无阻力板的纵向制导控制示意图；
[0021] 图3中示出了根据本申请实施例的另一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法中带阻力板的纵向制导控制示意图；
[0022] 图4中示出了根据本申请实施例的一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法的滚转制导控制示意图；
[0023] 图5示出了根据本申请实施例的一种运载器的结构示意图。
具体实施方式
[0024] 在实现本申请的过程中，
发明人发现运载器无动力返回段的导航和控制精度依赖于嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing System，FADS)，而目前国内对航天器嵌入式大气数据传感系统的研究和工程应用还不成熟，基于FADS实现工程化的大气数据测量目前还面临一定的困难和不确定性，测量精度与可靠性还需持续改进。为此，在无动力返回过程中或者故障时需要设计一种在无准确大气数据测量信息仍能进行安全可靠控制的制导控制方法，保证航天器安全着陆。
[0025] 针对上述问题，本申请实施例中提供了一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法，通过获取风干扰下大气数据测量信息、分析大气数据测量信息与惯性测量信息的特性差异、建立大气数据测量信息安全边界的数学表征、根据大气数据测量信息安全边界的数学表征判断大气测量信息是否在安全边界范围进行大气数据传感系统判断故障，并根据大气数据测量信息安全边界进行运载器制导和控制。使在无动力返回过程中FADS故障或者无大气数据测量信息的情况下，仍能对运载器实行安全可靠控制，保证航天器安全着陆。
[0026] 为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0027] 实施例1
[0028] 图1中示出了根据本申请实施例的一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法的流程图。
[0029] 如图1所示，运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法具体包括：
[0030] S101：获取风干扰下大气数据测量数据、惯性测量数据以及大气数据传感系统解算数据；
[0031] S102：分析大气数据测量数据和所述惯性测量数据的特性差异；
[0032] S103：根据飞行剖面高度、速度、航向、风速以及风向的散布规律建立所述大气数据测量数据的安全边界的数学表征；
[0033] S104：根据大气数据测量数据安全边界对大气测量数据的覆盖程度，判断大气测量信息是否在安全边界范围；同时，根据判断结果确定大气数据传感系统解算数据是否可用以及大气数据传感系统是否故障，当大气测量信息不在安全边界范围时判断大气数据传感系统故障。
[0034] S105，当大气数据传感系统故障时根据关键状态边界保护进行纵向控制或根据侧滑角边界保护进行滚转控制。
[0035] 具体的，S102中，分析大气数据测量信息与惯性测量信息的特性差异时，包括以下步骤：
[0037] 评估风干扰下大气数据测量数据，包括迎角、侧滑角、三轴
加速度、
空速以及动压数据；
[0038] 基于飞行剖面的大气数据测量数据包括速度、高度、静压及动压，以及大气数据传感系统解算数据即FADS测量解算的统计误差特性，基于地速和风速的矢量合成原则，估算大气数据传感系统FADS正常工作时合理的大气数据测量信息如
攻角、侧滑角、动压、空速以及大气高度的散布区间及概率分布。
[0039] 优选地，本实施例中的大气数据测量数据包括攻角、迎角、侧滑角、三轴加速度、动压、空速及大气高度。
[0040] 具体的，S103中，根据飞行剖面高度、速度、航向、风速以及风向的散布规律建立所述大气数据测量数据的安全边界的数学表征，包括以下步骤：
[0041] 通过迎角边界描述空速边界；
[0042] 确定空速安全边界与迎角安全边界的等效数学关系；
[0043] 利用高度剖面、空速边界以及迎角边界共同生成合理的大气测量数据散布区间边界；
[0044] 所述大气测量数据散布区间边界为大气数据测量数据的安全边界的数学表征。
[0045] 具体的，S104中，根据大气数据测量数据安全边界对大气测量数据的覆盖程度，判断大气测量信息是否在安全边界范围，具体包括：
[0046] 根据大气数据测量数据的安全边界的数学表征对大气测量信息作比较；
[0047] 若大气测量数据在大气数据测量数据安全边界内，判断大气测量数据正常可信。即，若攻角、侧滑角、动压、空速数值在理论的安全边界内，认为大气测量信息中的攻角、侧滑角、动压、空速为可信值，FADS无故障。
[0048] 若大气测量数据不在大气数据测量数据安全边界内，判断大气测量数据异常不可信。即，若大气测量信息的攻角、侧滑角、动压、空速数值不在理论的安全边界内，则认为大气测量信息中的攻角、侧滑角、动压、空速为异常值，FADS故障。
[0049] 图2中示出了根据本申请实施例的一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法在无阻力板时的纵向制导控制示意图。
[0050] 如图2所示，根据关键状态边界保护进行纵向控制，包括超音速段不启用阻力板时对升降
舵的控制。
[0051] 超音速段不启用阻力板时，采用主回路
串联、辅回路监控的制导控制结构，
传感器信息采用惯性测量数据；
俯仰角速率/法向加速度增稳控制作为内回路，高度
跟踪制导为主制导回路；速度边界控制与过载边界控制为辅回路；动压(速度)、过载、迎角的约束按照优先级从低到高逐级递进策略进行保护切换。
[0052] 针对升降舵的控制具体包括：
[0053] 根据大气数据测量数据的安全边界生成高度安全边界控制
信号、速度安全边界
控制信号、法向加速度边界控制信号以及迎角安全边界控制信号；
[0054] 将所述高度安全边界控制信号和速度安全边界控制信号输入至第一信号选择器，当高度达到设定范围限制时选择速度安全边界控制信号作为
输出信号，否则选择高度安全边界控制信号作为输出信号；
[0055] 第一信号选择器的输出信号和法向加速度安全边界控制信号输入至第二信号选择器，当法向加速度达到设定范围限制时选择法向加速度安全边界控制信号作为输出信号；否则选择第一信号选择器的输出信号作为输出信号；；
[0056] 第二信号选择器的输出信号和迎角安全边界控制信号输入至第三信号选择器，当迎角达到设定的
升阻比迎角上限时选择迎角安全边界控制信号作为输出信号，否则选择第二信号选择器的输出信号作为输出信号。
[0057] 第三信号选择器的输出信号作为攻角指令，输入至俯仰角速率/法向加速度增稳
控制器，所述俯仰角速率/法向加速度增稳控制器输出舵偏控制信号至升降舵。
[0058] 其中，信号优先级顺序：所述第三信号选择器高于所述第二信号选择器，所述第二信号选择器高于所述第一信号选择器。
[0059] 优选地，所述迎角采用惯性测量迎角。
[0060] 具体实施中，图2是针对超音速段无阻力板情形，拟采用主回路串联、辅回路监控的结构，以俯仰角速率/法向加速度增稳控制为内回路，以高度跟踪制导为主制导回路，速度边界控制与过载边界控制为辅回路，形成基于关键状态保护的纵向制导与控制策略，传感器信息采用惯性测量数据。动压(速度)、过载、迎角的约束按照优先级从低到高逐级递进，迎角约束的优先级最高。高度跟踪制导过程中，若超过了允许的速度变化范围时，切换到速度边界控制；若达到了法向加速度的边界值，则切换到法向加速度边界控制；所有的制导与控制过程中迎角都不能超过最大升阻比迎角，迎角边界控制为最内层的约束控制。
[0061] 制导与控制策略中的迎角拟采用惯性测量迎角代替真实的迎角，二者之间的差异主要体现在风的影响。对于末端区域能量管理，制导与控制不需要精确控制迎角，满足约束条件下的轨迹精确跟踪才是主要任务，迎角仅用于边界保护，可以用惯性迎角代替真实的迎角。惯性测量迎角带来的制导与控制误差主要体现在高度和速度的偏差，高度偏差可以通过外回路高度跟踪制导得到抑制，速度偏差通过速度边界保护控制在允许的范围内。
[0062] 内回路拟采用俯仰角速率和法向加速度混合增稳控制方案，俯仰角速率可以直接体现俯仰运动中迎角的变化率，法向加速度信号可以直接感受空速和迎角的变化，提前抑制风干扰的影响。
[0063] 图3中示出了根据本申请另一实施例的运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法带阻力板时的纵向制导控制示意图。
[0064] 如图3所示，根据关键状态边界保护进行纵向控制，包括亚音速段启用阻力板时对升降舵及阻力板的综合控制，具体步骤为：
[0065] 首先，根据大气数据测量数据的安全边界生成高度安全边界控制信号、速度安全边界控制信号、法向加速度边界控制信号、过载安全边界控制信号以及迎角安全边界控制信号。
[0066] 然后，将所述高度安全边界控制信号和过载安全边界控制信号输入至第四信号选择器，当高度达到设定范围限制时选择过载安全边界控制信号作为输出信号，否则选择高度安全边界控制信号作为输出信号。
[0067] 然后，第四信号选择器的输出信号和法向加速度安全边界控制信号输入至第五信号选择器，当法向加速度达到设定范围限制时选择法向加速度安全边界控制信号作为输出信号；否则选择第四信号选择器的输出信号作为输出信号。
[0068] 最后，第五信号选择器的输出信号输入至俯仰角速率/法向加速度增稳控制器，所述俯仰角速率/法向加速度增稳控制器输出舵偏控制信号至升降舵进行升降舵控制。
[0069] 同时，将速度安全边界控制信号及迎角安全边界控制信号输入至阻力板控制器，当迎角达到设定的升阻比迎角上限时根据迎角安全边界控制信号控制阻力；否则根据速度安全边界控制信号控制阻力板。
[0070] 具体实施中，图3是针对亚音速段有阻力板情形，采用升降舵、阻力板综合控制，升降舵通道与超音速段控制类似，以俯仰角速率/法向加速度增稳控制为内回路，以高度跟踪制导为主制导回路，过载边界控制为辅回路，主要约束过载和迎角。阻力板通道以速度控制为主，同时通过监控迎角允许的边界，保证速度在安全范围内。
[0071] 与超音速段相比，亚音速段的制导与控制策略增加了阻力板回路，直接利用阻力板控制速度。速度控制中拟采用地速代替空速，二者之间的差异主要体现在风的影响。飞行器沿固定的轨迹剖面飞行时，满足以下公式：
[0072]
[0073] γ为弹道倾角，m为
质量，V为速度，g为
重力加速度，L为升力。
[0074] 当前高度下轨迹倾斜角和轨迹倾斜角变化率固定，速度和迎角成反比，空速越大，迎角越小；空速越大，迎角越大，空速和迎角具有相对固定的关系。拟通过监控迎角，根据迎角的大小，调节速度控制指令，进而达到空速和迎角控制的目的。
[0075] 图4中示出了根据本申请实施例的一种运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法的滚转制导控制示意图。
[0076] 如图4所示，根据大气数据测量信息安全边界对运载器进行飞行控制中，包括基于侧滑边界保护的滚转控制，具体如下：
[0077] 首先，根据荷兰滚的模态特性和方向舵的操纵效率通过操控平衡关系计算得到侧滑角的安全边界范围；
[0078] 然后，根据侧滑角的安全边界生成侧滑角边界控制信号，并输入至滚转角速率控制器以及侧滑角变化率控制器，侧向加速度控制信号输入至侧滑角变化率控制器。
[0079] 最后，转角速率控制器根据侧滑角边界控制信号输出滚转角速率信号至副翼；侧滑角变化率控制器根据侧滑角边界控制信号及侧向加速度控制信号输出方向舵偏量以及偏转速度作为控制信号至方向舵。
[0080] 其中，还包括以下步骤：
[0081] 飞行器反馈侧滑角至增益调节器；
[0082] 增益调节器根据侧滑角调节侧滑角边界控制信号、侧向加速度控制信号以及侧滑角变化率控制器的控制增益。
[0083] 具体实施中，对于荷兰滚不稳定的飞行器的控制，由于方向舵的限制，侧滑角必须限制在一定的范围内，滚转控制必须限制侧滑角。惯性测量侧滑角与真实的侧滑角相比，二者的差异主要体现在风的影响。风速一定时，飞行速度越低，差异越大。由于末端区域能量管理段，产生侧力的能力逐渐增大，当存在侧滑时，会产生一定的侧力，侧向加速度可以直接感受侧滑角的变化，但是由于侧力系数较小，侧向加速度反馈不如侧滑角灵敏。拟采用惯性侧滑角代替真实的侧滑角与侧向加速度共同反馈至方向舵抑制侧滑和侧滑变化率。
[0084] 为了抑制侧滑，保证滚转控制的
稳定性，采用惯性侧滑代替真实侧滑角进行反馈时，对侧滑角的限制更为苛刻，需要将惯性侧滑角约束在更小的范围内。
[0085] 根据荷兰滚的模态特性和方向舵的操纵效率，计算分析侧滑角的边界范围，允许的最大的侧滑角范围βmax与方向舵的最大偏转角度δrmax满足：
[0086]
[0087] 为荷兰滚模态系数，βmax为最大侧滑角， 为方向舵效，δrmax为最大方向舵偏量。
[0088] 侧滑角的产生主要有两个方面：滚转运动对
偏航的耦合影响和侧风的影响，前者可以通过控制主动抑制，后者通过侧滑的影响被动响应。
[0089]
[0090]
[0091] β为侧滑角，α为攻角，v为风速，V为地速，Y为
气动力在铅垂面内竖直力分量，p为滚转
角速度，r为偏航角速度，m为质量。
[0092] 为了抑制滚转运动过程中产生大的侧滑，主动抑制滚转角速率，同时通过侧滑角、侧向加速度和侧滑角变化率反馈抑制侧滑。滚转控制拟采用副翼和方向舵协调控制，副翼控制滚转角，方向舵抑制侧滑。侧向加速度、侧滑角、侧滑角变化率反馈至方向舵，用于抑制侧滑，侧滑角变化率融合滚转角速率、偏航角速率信息，侧向加速度可以提前
感知风的影响；滚转角和滚转角速率反馈至副翼，用于滚转角的控制，同时约束滚转角变化率；为了控制侧滑角在安全范围内，将侧滑角边界控制作为滚转控制约束控制回路引入副翼通道，当侧滑角接近边界值时，调整滚转角控制指令，通过改变滚转运动的趋势，减小侧滑角增大的趋势。
[0093] 优选地，为了抑制侧滑角增大的趋势，方向舵通道拟采用变增益控制，根据侧滑角的大小，
自动调节方向舵通道的控制增益，侧滑角越大，控制增益越大，方向舵偏转角度越大。
[0094] 实施例2
[0095] 图5示出了根据本申请实施例的一种运载器的结构示意图。
[0096] 如图5所示，本实施例提供的一种运载器，具体包括：
[0097] 存储器402、处理器401以及计算机程序。
[0098] 其中，所述计算机程序存储在所述存储器402中，并被配置为由所述处理器401执行以实现前面实施例中所述的运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法。
[0099] 本申请实施例中还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现如上任一内容所提供的运载器能量管理段FADS故障判断与控制方法。
[0100] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全
硬件实施例、完全
软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0101] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方
框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程
数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中
指定的功能的装置。
[0102] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0103] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0104] 尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和
修改。所以，所附
权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
[0105] 显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
