中国航天事业创建60多年以来,相继开展了以载人航天工程、探月工程
和北斗工程为代表的多项重大工程任务。进入空间的核心工具是火箭,而运载
火箭的 神经中枢是控制系统,运载火箭控制系统在航天发射任务中的重要
性不言而喻。
《火箭智能控制系统概论》一书,针对新时期航天运输任务 (行星探测、
空间轨道转移等)控制系统面临的环境不确定性大、任务复杂度高等特点,瞄
准火箭智能控制系统发展需求而撰写的。随着信息技术、人工智能、电子技术
等高新技术的发展,火箭的控制系统逐步形成了航天控制与信息综合深度融合
下的智能控制系统,航天控制的内涵也从 制导 姿控两重回路延伸到 指
挥决策 制导 姿控三重回路,航天控制得以发挥更大的作用。
全书包含5章内容,内容包括绪论、运载火箭 智能赋能技术、运载火
箭 机能增强技术、软件定义运载火箭智能控制系统、运载火箭智能控制系
统发展,着重论述感知识别、规划制导、姿态控制、电气综合 (单机、硬件)、
软件设计过程,旨在使读者能够系统地了解火箭智能控制系统概念、内涵及设
计过程,为航天科研工作奠定专业基础。
本书的一大特色是在主要章节中均给出了具体的应用实例,其可作为运载
火箭领域智能控制系统设计的指导性著作,可作为飞行器设计专业本科生教
材,也可作为相关专业研究生和工程设计人员的参考书。
前 言
·Ⅳ·
北京航天自动控制研究所禹春梅、王亮、程晓明、李刚、杜杠、白文艳、
黄聪、杨文良、张伯川、聂莹、钟程、张义参与本书撰写,柳嘉润、尚腾、屈
辰、王士锋等专家参与本书研讨、交流和审阅。全书由禹春梅审校定稿。
由衷感谢本领域前辈包为民院士、姜杰院士多年来一贯的支持和帮助。由
于编写人员水平有限,书中难免有谬误之处,恳请广大读者批评指正。
2023年10月
第1章 绪论 ……………………………………………………………………… 1
1.1 航天运输系统发展脉络 ………………………………………………… 1
1.1.1 运载火箭演进过程 ………………………………………………… 1
1.1.2 运载火箭的发展趋势 ……………………………………………… 4
1.2 运载火箭智能控制系统的概念与特征 ………………………………… 5
1.2.1 运载火箭智能控制系统的概念 …………………………………… 5
1.2.2 运载火箭智能控制系统的能力特征 ……………………………… 6
1.2.3 信息驱动下的运载火箭智能控制系统新特点 …………………… 9
1.3 小结 ……………………………………………………………………… 10
第2章 运载火箭 智能赋能技术 ………………………………………… 11
2.1 概述 ……………………………………………………………………… 11
2.1.1 运载火箭的 智能赋能需求 …………………………………… 11
2.1.2 运载火箭控制系统的 智能赋能特征 ………………………… 12
2.2 智能感知与识别方法 …………………………………………………… 13
2.2.1 运载火箭本体信息的感知与识别技术 …………………………… 13
2.2.2 运载火箭环境信息的感知与识别技术 …………………………… 37
2.3 智能规划制导方法 ……………………………………………………… 47
2.3.1 运载火箭轨迹规划方法 …………………………………………… 47
2.3.2 运载火箭飞行能力智能评估技术 ………………………………… 62
目 录
·Ⅵ·
2.3.3 运载火箭任务智能决策技术 ……………………………………… 69
2.4 智能姿态控制方法 ……………………………………………………… 84
2.4.1 基于模型的运载火箭智能姿态控制技术 ………………………… 85
2.4.2 基于数据的运载火箭智能姿态控制技术 ………………………… 97
2.5 小结 …………………………………………………………………… 111
第3章 运载火箭 机能增强技术 ………………………………………… 112
3.1 概述 …………………………………………………………………… 112
3.1.1 智能控制系统架构 ……………………………………………… 112
3.1.2 运载火箭 机能增强需求 …………………………………… 116
3.2 多源信息获取 ………………………………………………………… 117
3.2.1 智能惯性器件 …………………………………………………… 117
3.2.2 智能探测器件 …………………………………………………… 124
3.3 高速信息传输 ………………………………………………………… 132
3.3.1 高速总线现状与发展 …………………………………………… 133
3.3.2 智能化总线能力特征 …………………………………………… 134
3.3.3 智能化总线应用与实践 ………………………………………… 135
3.4 高效数据处理 ………………………………………………………… 143
3.4.1 箭载设备算力现状与发展 ……………………………………… 144
3.4.2 智能算力的能力特征 …………………………………………… 146
3.4.3 智能高算力应用与实践 ………………………………………… 148
3.5 高效电能管理 ………………………………………………………… 153
3.5.1 电能管理现状与发展 …………………………………………… 153
3.5.2 高效电能管理能力特征 ………………………………………… 154
3.5.3 高效电能管理应用与实践 ……………………………………… 154
3.6 智能信息支持与测发系统 …………………………………………… 158
3.6.1 运载火箭信息支持与测发系统现状与发展 …………………… 158
火箭智能控制系统概论
·Ⅶ·
3.6.2 智能信息支持与测发系统能力特征 …………………………… 161
3.6.3 智能信息支持与测发系统应用与实践 ………………………… 162
3.7 小结 …………………………………………………………………… 166
第4章 软件定义运载火箭智能控制系统 …………………………………… 167
4.1 概述 …………………………………………………………………… 167
4.1.1 软件定义运载火箭概念 ………………………………………… 167
4.1.2 软件定义运载火箭的特点与内涵 ……………………………… 168
4.2 云态化系统架构平台 ………………………………………………… 172
4.2.1 架构设计考虑因素 ……………………………………………… 172
4.2.2 云态化控制系统架构 …………………………………………… 176
4.2.3 分布式实时软总线 ……………………………………………… 178
4.2.4 标准应用框架设计 ……………………………………………… 183
4.3 高可靠强实时箭上操作系统 ………………………………………… 184
4.3.1 箭载操作系统及其编程接口设计标准规范 …………………… 185
4.3.2 箭载实时操作系统设计与实现 ………………………………… 188
4.4 软件定义火箭控制系统探索实践 …………………………………… 197
4.4.1 面向软件定义的控制系统云平台设计实现 …………………… 197
4.4.2 控制系统云平台系统功能验证 ………………………………… 200
4.4.3 面向软件定义的软件研制模式转型 …………………………… 203
4.5 小结 …………………………………………………………………… 205
第5章 运载火箭智能控制系统发展 ………………………………………… 207
参考文献 ………………………………………………………………………… 210
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