可重复使用运载器再入制导与控制系统性能评估方法

摘要

本发明涉及飞行器制导与控制领域，为在后期分析不同方案的优势和存在的问题、指出各自的改进方向以及为飞行器总体方案的最终确定提供客观的评判依据，大大加快RLV再入制导与控制系统的研制速度。为此，本发明采取的技术方案是，可重复使用运载器再入制导与控制系统性能测评方法，包括如下步骤：首先，分析RLV再入制导与控制系统的关键性能，给出各指标的评分准则及相应的归一化方法；然后，分别建立再入制导系统和再入控制系统的性能评估指标体系，并将体系分为三个层次结构；再次，通过两两判断矩阵及特征根法，得到RLV再入制导与控制系统的最终得分。本发明主要应用于飞行器制导与控制。

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器制导与控制领域，尤其涉及一种可重复使用运载器再入制导与控制系 统性能评估方法。

技术背景

可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)是指能够快速穿越大气层、自由 往返于地球与太空之间且可以重复使用的多用途飞行器。它既可快速、便利地向太空运送有 效载荷，又可再入大气层、降落到指定着陆点，是实现快速、可靠、廉价往返太空的重要途 径，有着巨大的军事和民用价值。

再入制导与控制技术是RLV研制中的关键技术之一。再入制导系统通过给姿态控制系统 提供制导指令，将飞行器准确地从再入初始点导引到指定的目标点，并保证飞行器在再入过 程中不违背热流率、热负荷、过载、动压等约束条件。再入控制系统的主要作用是稳定和控 制再入飞行姿态，完成制导系统给出的姿态指令。

由于RLV再入过程外界环境变化剧烈，再入飞行具有大空域、大包线的特点，使飞行器 存在着模型参数不确定以及外界干扰。其次，再入飞行姿态和轨迹的耦合以及三个姿态通道 间的耦合非常严重。这使得RLV再入过程整体上体现为一个高度非线性、强耦合且受不确定 影响的复杂系统，这对飞行器再入制导与控制系统提出了更高的性能要求。在现实情况下， 飞行试验投资巨大，为确保试验的成功并尽量缩减成本，再入过程必须选用最优的制导与控 制方案。故针对再入制导与控制系统提出一种有效的性能评估方法显得极为必要。

另外，随着计算机仿真技术的高速发展，使其在先进飞行器的研制工作中发挥着越来越 重要的作用，因此，将计算机仿真技术融入到RLV再入制导与控制系统的性能评估当中是必 然趋势。通过设计开发评估软件可以实现再入飞行分析、再入制导与控制性能评价等功能。

然而，目前尚无典型有效的关于RLV再入制导与控制系统评估方面的技术。因此，提出 一种RLV再入制导与控制系统的性能评估方法并设计开发相应的评估软件进行实现具有极高 的理论意义和实用价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提出一种可重复使用运载器再入制导与控制系统的性能评估 方法并通过设计开发评估软件进行实现。通过评估结果可以为后期分析不同方案的优势和存 在的问题、指出各自的改进方向以及为飞行器总体方案的最终确定提供客观的评判依据。另 外，通过评估软件显著的提高飞行分析效率，减少不必要的时间浪费，大大加快RLV再入制 导与控制系统的研制速度。为此，本发明采取的技术方案是，可重复使用运载器再入制导与 控制系统性能评估方法，包括如下步骤：

首先，分析RLV再入制导与控制系统的关键性能，以此选取有效的性能评估指标，并按 照RLV的再入任务给出各指标的评分准则及相应的归一化方法；

然后，分别建立再入制导系统和再入控制系统的性能评估指标体系，并将体系分为目标 层即再入段制导\控制系统性能评估、包括再入制导\控制系统的所有关键性能的准则层和包 括所有再入制导\控制系统性能评估指标的指标层三个层次结构；

再次，通过两两判断矩阵及特征根法，分别计算目标层、准则层以及指标层的权重矩阵， 并通过加权评估算法得到RLV再入制导与控制系统的最终得分；

最后，通过运用基于C#.NET和Matlab结合的混合开发方式，以软件形式实现上述各步 骤。

再入制导系统的关键性能如下：满足过程约束的能力；满足控制量约束的能力；满足状 态量约束的能力；末端落点位置、速度、角度精度；制导算法的工程实用性。

再入控制系统的关键性能如下：满足控制约束的能力；控制系统的稳态性能；控制系统 的动态性能。

选取的RLV再入段制导系统性能评估指标及相应的指标描述如下：

选取的RLV再入段控制系统评估指标及相应的指标描述如下：

指标的归一化处理包括：

方法1：适用于成本型指标，即希望数值越小越好，包括攻角变化率、侧倾角变化率、 航迹角变化率、末端高度偏差、末端速度偏差、末端航向角偏差、末端航迹角偏差。对于评 估系统的每个指标x_i，设定其上界x_max，代表控制系统所应该达到的控制性能下限；设定其 下界x_min，代表控制系统所能达到的理想性能上界，为了实现归一化，对于指标x_i，当其值 大于上界x_max时，规定其归一值为0，即：

J_i＝0，当x_i>x_max

当指标x_i其值小于下界x_min时，规定其归一值为1，即：

J_i＝1，当x_i<x_min

当指标x_i的值介于上界x_max与下界x_min之间，将其线性插值作为该指标的归一值，即：

当x_min≤x_i≤x_max

方法2：适用于成本型指标，即希望指标数值越小越好，但并不需对这些指标有严格的 区分度，只需要其不超过规定上界即可，包括过载、热流密度、总吸热量、攻角、侧倾角、 侧滑角。只要指标x_i其值不超过指定上界x_max，就认为其性能表现满足要求，规定其归一值 为1，即：

J_i＝1，当x_i≤x_max

当指标x_i其值大于指定上界x_max时，规定其归一值为0，即：

J_i＝0，当x_i>x_max

方法3：适用于指标只要满足指定的约束上界和下界即可，不必对指标满足约束的能力 进行区分。只要指标x_i其值不超过指定上界x_max和指定下界x_min，就认为其性能表现满足要 求，规定其归一值为1，即：

J_i＝1，当x_min≤x_i≤x_max

若指标x_i其值超过指定上界x_max或者超过指定下界x_min时，就认为其性能表现不满足要 求，规定其归一值为0，即：

J_i＝0，当x_i>x_max或x_i<x_min。

RLV再入制导与控制系统性能评估可采用自上而下的顺序，步骤如下：

①通过RLV再入制导与控制系统仿真获得每个评估指标值，并依据提出的指标归一化方 法对每个指标做相应的归一化处理，最终获得经过归一化处理的n个指标值J₁，J₂…J_n，指 标值向量J＝[J₁ J₂ … J_n]。

②通过两两判断矩阵及特征根法，分别计算性能评估指标体系中的目标层、准则层和指 标层的权重矩阵。权重矩阵的计算具体是，利用特征根法从判断矩阵中计算出每个指标相对 于上一层元素的相对权重。这里采用特征根法计算权重的方法为求解判断矩阵A的特征根问 题，即

AW＝λ_maxW

式中，λ_max是A的最大特征根，W是相应的最大特征根的特征矩阵。

③利用计算得到的指标归一值和权重矩阵，通过加权评估算法得到RLV再入制导与控制 系统的最终评估结果，即评估结果：E＝J·W。

将评估算法加载到Matlab环境下实现，并利用C#开发评估软件主界面，使其具备评估 参数配置的功能；指标值提取与计算的功能；将评估结果进行量化并能进行图形界面显示的 功能；仿真数据与评估结果的管理功能。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

现有的飞行评估方法介绍及优缺点分析：

相比于上述评估方法，本发明提出的性能评估方法通过仿真获取飞行评估数据，所需时 间及成本低，通过设计开发的评估软件可以得出直观的评估曲线以及定量的评估结果，根据 评估结果可以进行择最优再入制导与控制方案的选择，同时为各个方案的改进提供数据支撑。

本发明利用C#和Matlab混合编程实现了评估软件的开发。软件以仿真数据作为输入， 利用Matlab强大运算能力，能迅速输出包括总评和各个指标详细的评估结果，从而增加了评 估效率。另外，评估软件只需要飞行器仿真数据作为输入，并且对输入格式进行了标准设计。 故只需要输入满足格式的飞行数据，评估软件就能高效地得出定量评估结果，大大增加了软 件的通用性。

综上所述，本发明设计的RLV再入制导与控制系统的评估方法及评估软件工程实用性强， 有较高的应用价值，为将来分析不同制导与控制方案的优缺点以及最终方案的确定提供客观 的评判依据。

附图说明

附图1可重复使用运载器再入过程示意图。

附图2RLV再入制导与控制系统性能评估流程图。

附图3RLV再入制导系统性能评估指标体系。

附图4RLV再入控制系统性能评估指标体系。

附图5评估指标归一化方法图。

附图6性能评估软件功能需求图。

附图7性能评估软件总体结构图。

附图8性能评估算法Matlab实现流程图。

附图9性能评估软件主界面设计图。

附图10评估结果显示实例图。

附图11评估结果保存实例图。

具体实施方式

本发明的目的在于提出一种可重复使用运载器再入制导与控制系统的性能评估方法并通 过设计开发评估软件进行实现。

在RLV的初期研发阶段，针对飞行器总体部门对再入制导与控制系统提出的研制要求， 通常会给出若干种实现再入制导与控制的设计方案。一般情况下，这些设计方案将分别采用 不同的技术路线实现相同的任务目标，但因各方案所采用的理论和方法不同，所设计制导与 控制系统的性能会各有优缺点，这就需要通过科学的方法对RLV再入制导与控制系统进行有 效的性能评估。

本发明旨在研究RLV再入制导与控制系统关键性能的基础上，建立一套再入段制导与控 制系统的性能评估指标体系，在此基础上，提出一种再入制导与控制系统的性能评估方法， 并通过设计开发评估软件，最终实现RLV再入制导与控制系统的定量评估。通过评估结果可 以为后期分析不同方案的优势和存在的问题、指出各自的改进方向以及为飞行器总体方案的 最终确定提供客观的评判依据。另外，通过评估软件可以显著的提高飞行分析效率，减少不 必要的时间浪费，大大加快了RLV再入制导与控制系统的研制速度。

本发明以理论方法和计算机仿真技术相结合为主要研究手段，提出了一种可重复使用运 载器再入制导与控制系统的性能评估方法，并设计开发了相应的性能评估软件，实现了RLV 再入制导与控制系统的性能评估。

首先，分析RLV再入制导与控制系统的关键性能，以此选取有效的性能评估指标，并按 照RLV的再入任务给出各指标的评分准则及相应的归一化方法；

然后，分别建立再入制导系统和再入控制系统的性能评估指标体系，并将体系分为目标 层即再入段制导\控制系统性能评估、包括再入制导\控制系统的所有关键性能的准则层和包 括所有再入制导\控制系统性能评估指标的指标层三个层次结构；

再次，通过两两判断矩阵及特征根法，分别计算目标层、准则层以及指标层的权重矩阵， 并通过加权评估算法得到RLV再入制导与控制系统的最终得分；

最后，通过运用基于C#.NET和Matlab结合的混合开发方式，以软件形式实现上述各步 骤。包括界面显示和功能集成两部分：界面显示除了能得到定量的评估结果，还能通过曲线 图的形式直观表现再入制导与控制系统的优劣。功能集成除了实现上述评估算法，还能实现 仿真数据与评估结果的管理功能以及评估参数的配置功能，评估软件可以将用户配置的参数 给到Matlab环境下的评估算法，实现对评估算法的改进。

本发明提出了可重复使用运载器再入制导与控制系统的性能评估方法，通过实验室现有 的飞行制导与控制仿真平台进行仿真验证。

现有的飞行评估方法介绍及优缺点分析：

相比于上述评估方法，本发明提出的性能评估方法通过仿真获取飞行评估数据，所需时 间及成本低，通过设计开发的评估软件可以得出直观的评估曲线以及定量的评估结果，根据 评估结果可以进行择最优再入制导与控制方案的选择，同时为各个方案的改进提供数据支撑。

本发明利用C#和Matlab混合编程实现了评估软件的开发。软件以仿真数据作为输入， 利用Matlab强大运算能力，能迅速输出包括总评和各个指标详细的评估结果，从而增加了评 估效率。另外，评估软件只需要飞行器仿真数据作为输入，并且对输入格式进行了标准设计。 故只需要输入满足格式的飞行数据，评估软件就能高效地得出定量评估结果，大大增加了软 件的通用性。

综上所述，本发明设计的RLV再入制导与控制系统的评估方法及评估软件工程实用性强， 有较高的应用价值，为将来分析不同制导与控制方案的优缺点以及最终方案的确定提供客观 的评判依据。

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1中的(AB)段所示为可重复使用运载器再入段飞行示意图，该阶段是整个再入返 回过程中环境最为恶劣、复杂的一段，从飞行速度分析，经历了高超声速、超声速、近声速 的飞行状态；从飞行路径约束分析，飞行过程受到材料热防护、结构强度、动压和过载的限 制，可行的飞行轨迹往往被限定在较为狭窄的范围之内；从飞行环境分析，飞行过程具有大 空域、大包线的特点。本发明针对RLV再入段的任务需求，对再入制导和控制系统的关键性 能进行分析，总结出再入制导与控制系统性能评估的关键性能。

再入制导系统的关键性能如下：满足过程约束的能力；满足控制量约束的能力；满足状 态量约束的能力；末端落点位置、速度、角度精度；制导算法的工程实用性。

再入控制系统的关键性能如下：满足控制约束的能力；控制系统的稳态性能；控制系统 的动态性能。

如图2所示为RLV再入制导与控制系统性能评估流程图，RLV再入制导与控制系统性能 评估可采用自上而下的顺序，步骤如下：

①分析系统中各因素之间的关系，建立一个自上而下分别为目标层、准则层和指标层的 性能评估指标体系结构，其中，目标层指的是问题的总目标，即所评估系统的性能；准则层 包括的是要评估系统性能需要考虑的几个准则；指标层包括的是能够实现对准则层元素进行 定量分析的指标；

②通过RLV再入制导与控制系统仿真获得每个评估指标值，并依据提出的指标归一化方 法对每个指标做相应的归一化处理，最终获得经过归一化处理的n个指标值。

③通过两两判断矩阵及特征根法，分别计算性能评估指标体系中的目标层、准则层和指 标层的权重矩阵。

④利用②中得到的指标归一值和③中计算得出的权重矩阵，通过加权评估算法得到RLV 再入制导与控制系统的最终评估结果。

⑤利用C#和MATLAB混合编程的方式设计开发评估软件，包括数据接口设计与界面布局 设计，进行评估实现。

具体如下：

(1)构建RLV再入制导与控制系统性能评估指标体系

根据上述RLV再入制导与控制系统的关键性能，本发明将借鉴运筹学中层次分析法的思 想构建再入制导与控制系统的性能评估指标体系。其中，再入制导系统的性能评估指标体系 如图3所示；再入控制系统的性能评估指标体系如图4所示。下面将根据构建的指标体系给 出具体的指标描述及评估准则。

表1RLV再入段制导系统性能评估指标及指标描述

表2RLV再入段控制系统评估指标及指标描述

(2)指标的归一化处理

本发明通过仿真可以获得指标值，但是上述的轨道再入飞行器制导与控制系统性能评估 指标之间存在着不可公度性，取值范围和量纲不尽相同，为了进行客观、科学的综合评价， 首先必须对所有评价指标规范化，即统一标度。为了定量地评估每个指标，需要确定相应归 一化的准则，将每个指标进行量化。方案选取三个归一化方法对相应的指标进行合适的处 理。

方法1：如图5中的(a)所示，适用于该方法的指标可以认为是成本型指标，即希望数 值越小越好，例如攻角变化率、侧倾角变化率、航迹角变化率、末端高度偏差、末端速度偏 差、末端航向角偏差、末端航迹角偏差等均是越小越好。

对于评估系统的每个指标x_i，设定其上界x_max，代表控制系统所应该达到的控制性能下 限；设定其下界x_min，代表控制系统所能达到的理想性能上界。为了实现归一化，对于指标x_i， 当其值大于上界x_max时，规定其归一值为0，即：

J_i＝0，当x_i>x_max

当指标x_i其值小于下界x_min时，规定其归一值为1，即：

J_i＝1，当x_i<x_min

当指标x_i的值介于上界x_max与下界x_min之间，将其线性插值作为该指标的归一值，即：

当x_min≤x_i≤x_max

方法2：如图5中的(b)所示，适用于该方法的指标可以认为是成本型指标，即希望指 标数值越小越好，但并不需对这些指标有严格的区分度，只需要其不超过规定上界即可。例 如过载、热流密度、总吸热量、攻角、侧倾角、侧滑角等，只要指标x_i其值不超过指定上界 x_max，就认为其性能表现满足要求，规定其归一值为1，即：

J_i＝1，当x_i≤x_max

当指标x_i其值大于指定上界x_max时，规定其归一值为0，即：

J_i＝0，当x_i>x_max

方法3：如图5中的(c)所示，适用于该方法的指标只要满足指定的约束上界和下界即 可，不必对指标满足约束的能力进行区分。只要指标x_i其值不超过指定上界x_max和指定下界 x_min，就认为其性能表现满足要求，规定其归一值为1，即：

J_i＝1，当x_min≤x_i≤x_max

若指标x_i其值超过指定上界x_max或者超过指定下界x_min时，就认为其性能表现不满足要 求，规定其归一值为0，即：

J_i＝0，当x_i>x_max或x_i<x_min

将仿真获得的指标值经过合适的归一化方法进行规一化处理后，最终获得如下所示的经 过归一化处理的n个指标值：

J＝[J₁ J₂ … J_n]

例：再入段制导指标归一值划分表

(3)权重矩阵的计算

本发明利用特征根法从判断矩阵中计算出每个指标相对于上一层元素的相对权重。这里 采用特征根法计算权重的方法为求解判断矩阵A的特征根问题。即

AW＝λ_maxW

式中，λ_max是A的最大特征根，W是相应的最大特征根的特征向量。

由上式得到的W经归一化后就可作为权重向量。利用该方法对判断矩阵进行计算，获 得如下所示的几个权重向量。

例：再入制导系统准则层的两两判断矩阵表：

由特征根法计算得到的权重向量为：

W＝[0.3636 0.1091 0.4727 0.0545]^T

(4)系统性能总评计算

通过得到的评估指标值J以及相应的权重W，可计算得到RLV再入制导或控制系统的性 能总评：

E＝J·W

(5)制导与控制系统性能评估软件的设计与实现

如图6所示为制导与控制系统评估软件的功能需求图。本发明设计开发的RLV再入制导 与控制系统性能评估软件，具备：评估参数配置的功能；指标值提取与计算的功能；将评估 结果进行量化并能进行图形界面显示的功能，以便用户查看评估结果；另外，还具备了仿真 数据与评估结果的管理及最终实现整个评估过程自动执行的功能。

下面对各个功能进行详细描述：

①评估参数的配置功能：

评估过程需要实现评估参数的配置，即对再入制导与控制系统评估指标的权重参数配置 以及对每个指标的评估标准配置等。

②指标值提取和计算功能：

指标值提取和计算的功能是在构建完善的制导与控制系统性能评估指标体系的基础上， 设置合理的评估标准，通过归一化处理的方法实现各性能指标的计算。

③评估结果的量化功能：

该功能是指对给定的制导与控制系统进行评估计算，获得相应定量的评估得分，目的是 通过对不同制导与控制系统之间的评估得分比较，能够分析其优劣，便于最优制导与控制方 案的选择。

④图形界面显示功能：

对于仿真结果与评估结论，采用图形界面进行显示，包括评估结果的定量结果显示、各 指标量随时间变化的仿真曲线图等形式。设计的界面直观、简洁，便于查看。

⑤评估数据管理功能：

仿真评估计算结束后，能够将评估仿真过程中产生的变量信息以及评估计算后的结果按 照特定数据结构进行保存，方便日后的查看、再现与比对。

如图7所示为再入制导与控制系统性能评估具体实现图。其中评估算法主要由指标值计 算、指标的归一化处理以及指标权重的选取部分构成，它相当于构建了一个性能评估模型， 为评估软件的功能实现提供需要的理论模型，这也是整个性能评估的核心，其他部分的功能 都是围绕这个来展开的。另一部分是性能评估软件，它主要在性能评估模块的基础上设计， 实现评估过程的自动执行。包括对评估参数的设置、评估计算的实现以及对所有结果的显示 等。

如图8所示为性能评估算法Matlab实现流程图。主要包括：指标值计算模块；归一化处 理模块；指标值评分模块；权重计算模块；MAT文件(MAT文件有两个，分别为已经定义的默 认参数文件和可供用户自定义的参数文件，都包含制导与控制系统各个飞行阶段相应指标的 评分标准和权重矩阵，供各模块调用)；主控文件(主控文件是Matlab算法的核心文件，通 过读取MAT文件中的权重矩阵，调用评分模块得出的指标得分，再经过加权处理，最终得到 再入制导与控制系统的各项性能指标得分)。

如图9所示为利用C#开发的评估软件主界面，其功能主要分为如下几个区域。

①区域1为数据配置菜单，提供用户接口进行数据配置。包括飞行数据文件的读取，飞 行评估算法参数的配置，飞行结果文件的保存等相关的操作。

②区域2为Ribbon风格的页面切换区，通过点击不同的tab，可以切换到不同的分区页 面下，进行相应的功能操作。类似于Microsoft Office的页面切换方式。

③区域3为当前页面提示区域，提示用户当前位于哪一个操作页面下。

④区域4为结果显示区域，主要负责显示与该tab下有关的具体信息，比如评估结果的 显示。

如图10所示为评估结果实例显示图。下面对图11的测评结果进行说明。

①制导系统评估中，如图11所示的再入段侧滑角指标曲线，根据设定的再入段侧滑角 β的评估准则：-2deg≤β≤2deg及指标的归一化方法3，可以看出侧滑角超出了评估范围，故 得分为0。

②控制系统评估中，如图11所示的侧倾角和参考侧倾角指标曲线，根据侧倾角稳态误 差|e_σ|的评估准则：0≤|e_σ|≤0.2deg及指标的归一化方法1，可以的得到其得分为0.97。

如图11所示为评估结果保存实例图。在评估运算完成后，可以将评估结果保存为txt文 档，以待后续处理。

其中，评估结果包括：再入制导与控制总得分，即目标层得分；各准则层得分以及指标 层各指标的得分。