CN104407618B - 运载火箭自动垂调系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种运载火箭自动垂调系统，包括垂直度测量系统、活动发射平台电控系统和箭上控制系统，其特征在于，所述垂直度测量系统包括水平测量仪、水平变送器、前端水平指示仪、垂调测试计算机；所述活动发射平台电控系统包括活动发射平台电控系统上位机和后端工作站、发射平台控制系统、执行机构；所述箭上控制系统包括捷联惯组、箭机、箭地通信计算机和数据处理计算机；本发明节省了操作人员，提高了工作效率，促进了火箭发射流程自动化水平的整体提高，此外新一代运载火箭采用大量低温推进剂，从安全性角度考虑，保证了整个垂调过程的安全性。

Description

运载火箭自动垂调系统及方法

技术领域

本发明涉及火箭控制领域，特别是涉及一种运载火箭的垂直调整系统及方法。

背景技术

运载火箭在发射准备过程中都需要进行一项操作—垂直度调整。垂直度调整是火箭初始对准工作的一部分，目的是调整箭体初始垂直度，以满足火箭姿态及精度控制要求，火箭垂直度调整主要是通过调整支承在火箭底部的发射台相关部组件的动作实现。传统液体运载火箭发射前需要对惯性仪表坐标系和箭体坐标系进行初始定向，使这两个坐标系与发射点地面坐标系重合。进行垂直度调整(简称“垂调”)的目的是调整一级火箭发动机推力线，使之在发射时尽可能与当地地垂线重合，以减小火箭推力在当地水平面的投影值，从而减小火箭起飞段的横向漂移量，避免起飞过程箭体与发射塔等地面设施碰撞。

传统火箭垂直度调整方法是根据火箭垂直度测量数据，由操作人员手动调整发射平台支臂或支腿的高度，并判断是否满足指标要求，当达到允许的范围以内，手动停止垂直度调整操作。整个操作流程时间受操作人员个人经验影响、效率低，人工成本高，且不利于火箭发射流程自动化水平的整体提高，此外新一代运载火箭采用大量低温推进剂，从安全性角度考虑，要求发射前整个发射场区实施无人值守，传统垂调方法无法适应。

发明内容

本发明运载火箭自动垂调系统，包括垂直度测量系统、活动发射平台电控系统和箭上控制系统，所述垂直度测量系统包括水平测量仪、水平变送器、前端水平指示仪、垂调测试计算机；所述活动发射平台电控系统包括活动发射平台电控系统上位机和后端工作站、发射平台控制系统、执行机构；所述箭上控制系统包括捷联惯组、箭机、箭地通信计算机和数据处理计算机；

水平测量仪安装于箭体上，水平测量仪的数据输出端连接水平变送器的数据输入端，数据变送器的数据输出端连接前端水平指示仪的数据输入端，前端水平指示仪的数据输出端连接连接垂调测试计算机的第一数据输入端；

捷联惯组安装于箭体上，捷联惯组的数据输出端连接箭机的数据输入端，箭机的数据输出端连接箭地通信计算机的数据输入端，箭地通信计算机的数据输出端连接数据处理计算机的数据输入端，数据处理计算机的数据输出端连接垂调测试计算机的第二数据输入端；

垂调测试计算机的数据输出端连接活动发射平台电控系统上位机和后端工作站的数据输入端，活动发射平台电控系统上位机和后端工作站的数据输出端连接发射平台控制系统的数据输入端，发射平台控制系统的控制信号输出端连接执行机构的控制信号输入端，执行机构安装于箭体的下端。

一种运载火箭自动垂调的方法，单独进行一级火箭的垂调控制方法包括如下步骤：

S1、进行惯组安装基准面沿y轴方向的不水平度调整；

S2、进行惯组安装基准面沿z轴方向的不水平度调整。

步骤S1具体为：

发射平台控制系统判断惯组安装基准面沿y轴方向的不水平度是否在精度要求范围内；

如果不在则由发射平台控制系统控制支臂I，支臂III做相应的升降动作；

如果在则结束沿y轴方向的不水平度调整，进入结束沿z轴方向的不水平度调整。

步骤S2具体为：

发射平台控制系统判断惯组安装基准面沿z轴方向的不水平度是否在精度要求范围内；

如果不在则由发射平台控制系统控制支臂II，支臂IV做相应的升降动作；

如果在则结束垂调过程。

进行一级、二级火箭的联合垂调的具体方法包括以下步骤：

首先进行y轴方向的垂调控制：

判断︱Ψ_2y－Ψ_3y︳是否大于第一预设值，如果大于则转入人工手动垂调；

如果不大于则进一步判断︱Ψ_2y－Ψ_3y︳是否大于第二预设值，如果大于则进一步判断Ψ_2y≥0是否成立，如果成立则进一步判断Ψ_2y＞(16′+△)是否成立，如果成立则控制支臂I升，支臂III降，如果Ψ_2y≤(16′+△)则进一步判断Ψ_2y＜(16′—△)是否成立，如果成立则控制支臂I降，支臂III升，如果Ψ_2y≥(16′—△)则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

如果Ψ_2y＜0则进一步判断Ψ_2y＜—(16′+△)是否成立，如果成立则控制支臂I降，支臂III升，如果Ψ_2y≥—(16′+△)则进一步判断Ψ_2y＞—(16′—△)是否成立，如果成立则控制支臂I升，支臂III降，如果Ψ_2y≤—(16′—△)则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

如果︱Ψ_2y－Ψ_3y︳不大于第二预设值，则进一步判断Ψ_3y＞△是否成立如果成立则控制支臂I升，支臂III降，如果不成立则进一步判断Ψ_3y＜△是否成立，如果成立则控制支臂I降，支臂III升，如果不成立则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

进行z轴方向的垂调控制的方法与进行y轴方向的垂调控制的方法相同。

所述△为运载火箭的不水平度的精度，△取值为0.5′。

本发明节省了操作人员，提高了工作效率，促进了火箭发射流程自动化水平的整体提高，此外新一代运载火箭采用大量低温推进剂，从安全性角度考虑，保证了整个垂调过程的安全性。

下面结合附图对本发明的运载火箭自动垂调系统及方法作进一步说明。

附图说明

图1为运载火箭自动垂调系统原理框图；

图2为运载火箭单独一级火箭的垂调控制流程图；

图3为运载火箭一级、二级火箭的联合垂调控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，运载火箭自动垂调系统包括垂直度测量系统、活动发射平台电控系统和箭上控制系统，由垂直度测量系统、箭上控制系统对箭体不水平度数据进行采集，通过箭地高速串行总线下传到地面后端进行解调，最终将箭体不水平度数据通过高速冗余的测发网络发送给活动发射平台电控系统，由活动发射平台电控系统实现箭体垂直度调整，调整后再由垂直度测量系统、箭上控制系统对箭体不水平度数据进行采集并将检测结果反馈给发送给活动发射平台电控系统，如此形成了对箭体垂直度调整的闭环控制。其中垂直度测量系统包括水平测量仪、水平变送器、前端水平指示仪、垂调测试计算机；活动发射平台电控系统包括活动发射平台电控系统上位机和后端工作站、发射平台控制系统、执行机构，其中执行机构包括支臂位移传感器、支臂机构、液压机构；支臂机构包括支臂I、支臂II、支臂III、支臂IV，四个支臂依次顺序均匀分布在以火箭中轴线上的点为圆心的圆上，支臂I、支臂III所在直线为y轴，支臂II、支臂IV所在直线为z轴，y轴垂直于z轴，相应的液压机构包括与四个支臂一一对应的四个液压机；箭上控制系统包括捷联惯组、箭机、箭地通信计算机和数据处理计算机。

水平测量仪用于敏感水平测量器安装基座的不水平度信息；

水平变送器用于采集不水平度输出的信号并将其转化为数字量进行传输；

前端水平指示仪用于接收水平变送器传输的信息并向垂调测试计算机传输一级箭体垂调数据；

垂调测试计算机用于接收各监测信息并对接收的信息进行处理，根据处理结果发出相应的控制指令

活动发射平台电控系统上位机和后端工作站用于接收垂直度测量系统传输的一级箭体不水平度数据、惯性基准不水平度数据，执行自动垂调软件

发射平台控制系统用于控制支臂机构和液压机构进行箭体垂直度调整；

支臂位移传感器用于检测支臂的相对高度；

支臂机构和液压机构是火箭支撑和垂直度调整的实施机构，用于执行对箭体的垂直度调整；

捷联惯组用于检测惯性基准面不水平度数据；

箭机用于采集解算捷联惯组检测到的惯性基准不水平度数据；

箭地通信计算机用于接收箭上控制系统传递的信息；

数据处理计算机用于接收控制系统内部以及外部所有传递至控制系统的信息，并转化成控制系统约定的格式；

本发明的运载火箭自动垂调方法既可以实现单独一级火箭的垂调，也可以实现一级、二级火箭的联合垂调，对运载火箭的不水平度的精度要求控制在[﹣△～△]，△的大小可根据实际需求去不同的值，以下实施例中以取△为0.5′为例：

如图2所示，单独进行一级火箭的垂调的具体方法为：设惯组安装基准面沿y轴上的不水平度为Ψ1y，设惯组安装基准面沿z轴上的不水平度为Ψ1z；

发射平台控制系统判断不水平度Ψ1y是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

如果不水平度Ψ1y在[﹣0.5′～0.5′]内，则结束y轴方向垂调，继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ1z是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

如果不水平度Ψ_1y不在[﹣0.5′～0.5′]内，进一步判断不水平度Ψ_1y的正负，如果不水平度Ψ_1y大于零则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1y是否在[﹣0.5′～0.5′]内；如果不水平度Ψ_1y小于零则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1y是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

如果不水平度Ψ_1z在[﹣0.5′～0.5′]内，则结束垂调过程；

如果不水平度Ψ_1z不在[﹣0.5′～0.5′]内，进一步判断不水平度Ψ_1z的正负，如果不水平度Ψ_1z大于零则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1z是否在[﹣0.5′～0.5′]内；如果不水平度Ψ_1z小于零则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1z是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

如图3所示，进行一级、二级火箭的联合垂调的具体方法为：设惯组安装基准面沿y轴上的不水平度为Ψ_2y，设惯组安装基准面沿z轴上的不水平度为Ψ_2z，设全箭基准平面沿y轴上的不水平度为Ψ_3y，设全箭基准平面沿z轴上的不水平度为Ψ_3z；

首先进行y轴方向的垂调控制，发射平台控制系统判断︱Ψ_2y－Ψ_3y︳与22′的大小关系，如果︱Ψ_2y－Ψ_3y︳＞22′则转入人工手动垂调；

如果︱Ψ_2y－Ψ_3y︳≤22′，则进一步︱Ψ_2y－Ψ_3y︳与16′的大小关系，如果︱Ψ_2y－Ψ_3y︳＞16′，则进一步判断Ψ_2y是否的正负，如果Ψ_2y≥0则进一步判断Ψ_2y与16.5′的大小，如果Ψ_2y＞16.5′则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，如果Ψ_2y≤16.5′，则进一步判断Ψ_2y与15.5′的大小，如果Ψ_2y＜15.5′则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，如果Ψ_2y≥15.5′则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

如果Ψ_2y＜0，则进一步判断Ψ_2y与﹣16.5′的大小关系，如果Ψ_2y＜﹣16.5′则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，如果Ψ_2y≥﹣16.5′则进一步判断Ψ_2y与﹣15.5′的大小关系，如果Ψ_2y＞﹣15.5′则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，如果Ψ_2y≤﹣15.5′则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

如果︱Ψ_2y﹣Ψ_3y︳≤16′，则进一步判断Ψ_3y是否大于0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，如果否则进一步判断Ψ_3y是否小于﹣0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，如果否则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制。

z轴方向的垂调控制方法如下：

发射平台控制系统判断︱Ψ_2z－Ψ_3z︳与22′的大小关系，如果︱Ψ_2z－Ψ_3z︳＞22′则转入人工手动垂调；

如果︱Ψ_2z－Ψ_3z︳≤22′，则进一步︱Ψ_2z－Ψ_3z︳与16′的大小关系，如果︱Ψ_2z－Ψ_3z︳＞16′，则进一步判断Ψ_2z是否的正负，如果Ψ_2z≥0则进一步判断Ψ_2z与16.5′的大小，如果Ψ_2z＞16.5′则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，如果Ψ_2z≤16.5′，则进一步判断Ψ_2z与15.5′的大小，如果Ψ_2z＜15.5′则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，如果Ψ_2z≥15.5′则结束垂调控制过程；

如果Ψ_2z＜0，则进一步判断Ψ_2z与﹣16.5′的大小关系，如果Ψ_2z＜﹣16.5′则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，如果Ψ_2z≥﹣16.5′则进一步判断Ψ_2z与﹣15.5′的大小关系，如果Ψ_2z＞﹣15.5′则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，如果Ψ_2z≤﹣15.5′则结束垂调控制过程；

如果︱Ψ_2z﹣Ψ_3z︳≤16′，则进一步判断Ψ_3z是否大于0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，如果否则进一步判断Ψ_3z是否小于﹣0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，如果否则结束垂调控制过程。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种运载火箭自动垂调系统，其特征在于运载火箭自动垂调系统包括垂直度测量系统、活动发射平台电控系统和箭上控制系统，由垂直度测量系统、箭上控制系统对箭体不水平度数据进行采集，通过箭地高速串行总线下传到地面后端进行解调，最终将箭体不水平度数据通过高速冗余的测发网络发送给活动发射平台电控系统，由活动发射平台电控系统实现箭体垂直度调整，调整后再由垂直度测量系统、箭上控制系统对箭体不水平度数据进行采集并将检测结果反馈给发送给活动发射平台电控系统，如此形成了对箭体垂直度调整的闭环控制；其中垂直度测量系统包括水平测量仪、水平变送器、前端水平指示仪、垂调测试计算机；活动发射平台电控系统包括活动发射平台电控系统上位机和后端工作站、发射平台控制系统、执行机构，其中执行机构包括支臂位移传感器、支臂机构、液压机构；支臂机构包括支臂I、支臂II、支臂III、支臂IV，四个支臂依次顺序均匀分布在以火箭中轴线上的点为圆心的圆上，支臂I、支臂III所在直线为y轴，支臂II、支臂IV所在直线为z轴，y轴垂直于z轴，相应的液压机构包括与四个支臂一一对应的四个液压机；箭上控制系统包括捷联惯组、箭机、箭地通信计算机和数据处理计算机；

水平测量仪用于敏感水平测量仪安装基座的不水平度信息；

水平变送器用于采集不水平度输出的信号并将其转化为数字量进行传输；

前端水平指示仪用于接收水平变送器传输的信息并向垂调测试计算机传输一级箭体垂调数据；

垂调测试计算机用于接收各监测信息并对接收的信息进行处理，根据处理结果发出相应的控制指令；

活动发射平台电控系统上位机和后端工作站用于接收垂直度测量系统传输的一级箭体不水平度数据、惯性基准不水平度数据，执行自动垂调软件；

发射平台控制系统用于控制支臂机构和液压机构进行箭体垂直度调整；

支臂位移传感器用于检测支臂的相对高度；

支臂机构和液压机构是火箭支撑和垂直度调整的实施机构，用于执行对箭体的垂直度调整；

捷联惯组用于检测惯性基准面不水平度数据；

箭机用于采集解算捷联惯组检测到的惯性基准不水平度数据；

箭地通信计算机用于接收箭上控制系统传递的信息；

数据处理计算机用于接收箭上控制系统内部以及外部所有传递至箭上控制系统的信息，并转化成箭上控制系统约定的格式；

运载火箭自动垂调方法既可以实现单独一级火箭的垂调，也可以实现一级、二级火箭的联合垂调，对运载火箭的不水平度的精度要求控制在[﹣△～△]，△的大小取0.5′：

单独进行一级火箭的垂调的具体方法为：设惯组安装基准面沿y轴上的不水平度为Ψ_1y，设惯组安装基准面沿z轴上的不水平度为Ψ_1z；

发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1y是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

如果不水平度Ψ_1y在[﹣0.5′～0.5′]内，则结束y轴方向垂调，继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1z是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

如果不水平度Ψ_1y不在[﹣0.5′～0.5′]内，进一步判断不水平度Ψ_1y的正负，如果不水平度Ψ_1y大于零则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1y是否在[﹣0.5′～0.5′]内；如果不水平度Ψ_1y小于零则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1y是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

如果不水平度Ψ_1z在[﹣0.5′～0.5′]内，则结束垂调过程；

如果不水平度Ψ_1z不在[﹣0.5′～0.5′]内，进一步判断不水平度Ψ_1z的正负，如果不水平度Ψ_1z大于零则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1z是否在[﹣0.5′～0.5′]内；如果不水平度Ψ_1z小于零则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，调整之后继续由发射平台控制系统判断不水平度Ψ_1z是否在[﹣0.5′～0.5′]内；

进行一级、二级火箭的联合垂调的具体方法为：设惯组安装基准面沿y轴上的不水平度为Ψ_2y，设惯组安装基准面沿z轴上的不水平度为Ψ_2z，设全箭基准平面沿y轴上的不水平度为Ψ_3y，设全箭基准平面沿z轴上的不水平度为Ψ_3z；

首先进行y轴方向的垂调控制，发射平台控制系统判断︱Ψ_2y－Ψ_3y︳与22′的大小关系，如果︱Ψ_2y－Ψ_3y︳＞22′则转入人工手动垂调；

如果︱Ψ_2y－Ψ_3y︳≤22′，则进一步︱Ψ_2y－Ψ_3y︳与16′的大小关系，如果︱Ψ_2y－Ψ_3y︳＞16′，则进一步判断Ψ_2y是否的正负，如果Ψ_2y≥0则进一步判断Ψ_2y与16.5′的大小，如果Ψ_2y＞16.5′则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，如果Ψ_2y≤16.5′，则进一步判断Ψ_2y与15.5′的大小，如果Ψ_2y＜15.5′则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，如果Ψ_2y≥15.5′则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

如果Ψ_2y＜0，则进一步判断Ψ_2y与﹣16.5′的大小关系，如果Ψ_2y＜﹣16.5′则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，如果Ψ_2y≥﹣16.5′则进一步判断Ψ_2y与﹣15.5′的大小关系，如果Ψ_2y＞﹣15.5′则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，如果Ψ_2y≤﹣15.5′则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

如果︱Ψ_2y﹣Ψ_3y︳≤16′，则进一步判断Ψ_3y是否大于0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂I升，支臂III降，如果否则进一步判断Ψ_3y是否小于﹣0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂I降，支臂III升，如果否则结束y轴方向的垂调控制，进行z轴方向的垂调控制；

z轴方向的垂调控制方法如下：

发射平台控制系统判断︱Ψ_2z－Ψ_3z︳与22′的大小关系，如果︱Ψ_2z－Ψ_3z︳＞22′则转入人工手动垂调；

如果︱Ψ_2z－Ψ_3z︳≤22′，则进一步︱Ψ_2z－Ψ_3z︳与16′的大小关系，如果︱Ψ_2z－Ψ_3z︳＞16′，则进一步判断Ψ_2z是否的正负，如果Ψ_2z≥0则进一步判断Ψ_2z与16.5′的大小，如果Ψ_2z＞16.5′则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，如果Ψ_2z≤16.5′，则进一步判断Ψ_2z与15.5′的大小，如果Ψ_2z＜15.5′则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，如果Ψ_2z≥15.5′则结束垂调控制过程；

如果Ψ_2z＜0，则进一步判断Ψ_2z与﹣16.5′的大小关系，如果Ψ_2z＜﹣16.5′则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，如果Ψ_2z≥﹣16.5′则进一步判断Ψ_2z与﹣15.5′的大小关系，如果Ψ_2z＞﹣15.5′则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，如果Ψ_2z≤﹣15.5′则结束垂调控制过程；

如果︱Ψ_2z﹣Ψ_3z︳≤16′，则进一步判断Ψ_3z是否大于0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂II升，支臂IV降，如果否则进一步判断Ψ_3z是否小于﹣0.5′，如果是则由发射平台控制系统控制支臂II降，支臂IV升，如果否则结束垂调控制过程。