[科普中国]-迭代制导技术

基本概念定义

迭代制导技术是液体运载火箭的一种制导方法。迭代制导是随着现代计算机技术和最优控制理论发展而出现的一种自适应制导技术，可根据火箭当前的速度、位置以及预估的入轨点，不断调整自己的飞行轨迹，计算需要的入轨点，然后根据当前位置和入轨点之间的空间相对关系，规划出一条新的轨迹，从而保证入轨精度和入轨的姿态。简单来说，摄动制导规定具体路径，而迭代制导只是限定目的地，并不限制具体路径。

主要特点制导精度高、任务适应性强、箭上制导装置简单、对地面准备要求相对较低。

工程应用中的可靠性设计载人运载火箭的典型特点是高可靠，因此对制导算法的可靠性、安全性设计至关重要，也是实现迭代制导工程化的一项重要工作。

迭代算法可靠性保障措施考虑到迭代制导是一种通过迭代不断收敛，进而达到系统最优的算法，保证迭代算法快速、平稳收敛以及异常状态下收敛性不受影响是提高其可靠性的关键，可以考虑在设计上采取以下几种措施：（1）对可能产生突变的输入信息进行滤波，在迭代算法中，由惯性器件实时敏感到的视加速度作为表征火箭瞬时推重比的性能参数，用于多项参数的估算，而视加速度受到发动机推力瞬时变化和惯性组合采样等因素的影响，可能会有波动，因此，对视加速度的滤波能够提高迭代算法的平滑性。（2）对推重比分为多个阶段的弹道，一般迭代制导只针对最后一级发动机工作时间进行迭代，这是不够的。对于中间阶段的工作时间，不能简单的采用理论时间，而应根据关机方式进行精确估算和迭代，这对于保证各阶段程序角的连续性有重要作用。（3）对推重比分为多个阶段的弹道，在分段处须采取必要措施进行控制，具体措施可以有多种，简单的处理是分段处停止有关参数的估算，采用理论值取代，过滤段时间要合理取值，留有余量，确保后续计算不受关机后效的影响。（4）对输出的程序角进行角速度和角度限幅，可以提高火箭飞行稳定性，并且有助于提高故障情况下的安全性。1

迭代次数控制一般情况下，迭代制导经过一次迭代之后算法能够迅速收敛，但当发动机推力不稳定或故障情况下，收敛速度会降低，如果任其迭代直至收敛，花费时间较大，严重时会威胁到箭上飞行控制软件的实时运行，因此，必须对每次最大迭代次数加以限制，一般可以取一次，如果箭载计算机运行时间宽裕的话可以适应放宽。1

迭代制导分段数选取因为要对后续阶段的加速度进行多重积分，迭代算法的复杂性与分段数关系密切，每增加一个分段，会增加大量计算和控制分支，不利于可靠性的提高，因此不建议采用过多的分段，而分段数是由推重比的变化情况决定的，与弹道特性有关，因此这实际上是迭代制导的接入时刻选取问题。

迭代制导一般在火箭出稠密大气层开始使用，即采用摄动制导与迭代制导接力的方式。制导方法的切换时刻受多重因素制约：（1）保证残骸落区满足要求；（2）保证迭代制导段具有足够的弹道调整能力，切换时刻不能太晚；（3）不影响制导精度的前提下，应尽量减少迭代制导的分段数量，降低复杂性。以载人运载火箭为例，可以选择在抛整流罩之后、二级主发动机关机之前的某时刻，且不应距离关机时刻过近，这样只有两个分段，且能够充分利用主发动机的能力进行弹道调整。对于迭代制导接人时刻程序角可能出现的较大幅度跳动，采用最优二次曲线形式的姿态过渡方式是一项提高稳定性的有效措施。1

发展与应用从20世纪60年代末开始，迭代制导在运载火箭上得到了应用，美国的土星5号运载火箭、航天飞机，欧空局的阿里安系列火箭，俄罗斯的能源号运载火箭都采用了迭代制导技术。

在神舟八号以前的飞船，采用的是摄动制导，就是按照一个标准的轨道飞行。2011年9月29日，用于实现天宫一号和神舟八号飞船交会对接的长征二号FT1火箭的制导方式首次使用了迭代制导技术，从而保证入轨精度和入轨的姿态。2由于首次交会对接任务对天宫一号的入轨精度并没有很高要求，但对神舟八号入轨精度要求很高。因此，科研人员选择了两套制导方案：当发射目标飞行器时，火箭仅采用摄动制导；当发射飞船时，火箭采用“摄动+迭代”组合制导。3 摄动制导方式下火箭永远瞄着一个固定的入轨点，所以它的适应性和入轨精度相对较差。而采用迭代制导后，可以让火箭自己主动去寻找自己的位置。我国载人航天工程的交会对接任务对运载火箭入轨精度、对轨道调整的适应性、可靠性等多个方面提出了很高的要求, 采用迭代制导是一种较为合适的选择。1