CN113867125A - 一种edl高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法 - Google Patents

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饶炜
王闯
刘瑞刚
崔祜涛
田阳
周晓舟
朱玛
叶青
谭志云
刘国强
郑旸
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    • G05B9/02—Safety arrangements electric
    • G05B9/03—Safety arrangements electric with multiple-channel loop, i.e. redundant control systems

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Abstract

本发明涉及一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，包括GNC处理模块第1个控制周期，推力器姿态控制禁能；GNC处理模块第2个控制周期开始，向数管处理模块发出总线通信触发信号；从GNC处理模块第4个控制周期开始，连续3个控制周期每周期向数管处理模块发出脉冲电平触发信号；数管处理模块第1个时间片，长脉冲指令压合控制继电器及推进阀门实现状态保持，指令持续时间ΔT2；数管处理模块第2个时间片～第4个时间片，执行火工品起爆指令；数管处理模块第5个时间片，回复GNC收到总线通信触发信号。本发明可以在EDL过程中对上述高动态复合力学环境进行自适应，保证产品状态稳定，关键功能正常执行。

Description

一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法
技术领域
本发明涉及一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，属于导弹系统总体技术领域。
背景技术
在火星等有大气天体进入、下降与着陆(简称EDL)过程中，将会经历气动减速过载、开伞过程低频瞬态大冲击、火工锁瞬态冲击、气流冲刷/减速段主发动机脉动等复合力学环境，如不采取保护措施，将会影响着陆器的仪器设备正常稳定工作，如造成设备继电器开关断开，引起设备断电或状态翻转；计算机类设备发生CPU复位或切机；推进阀门状态出现翻转造成误点火；IMU敏感器饱和影响定姿和导航精度等情况发生，从而影响EDL过程正常执行，进而可能造成整个着陆任务失败。
对于EDL面临的上述高动态条件及潜在影响，目前国内外尚未有针对性的安全性保护措施。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，实现在EDL过程中对高动态复合力学环境进行自适应，保证产品状态稳定，关键功能正常执行。
本发明解决技术的方案是：
一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，包括：
当满足火工品起爆触发逻辑时，GNC处理模块依次执行如下动作：
1)GNC处理模块第1个控制周期，推力器姿态控制禁能；
2)GNC处理模块第2个控制周期开始，向数管处理模块发出总线通信触发信号；
3)从GNC处理模块第4个控制周期开始，连续3个控制周期每周期向数管处理模块发出脉冲电平触发信号；
数管处理模块在收到总线通信触发信号后，按数管时间片间隔依次执行如下指令：
4)数管处理模块第1个时间片，长脉冲指令压合控制继电器及推进阀门实现状态保持，指令持续时间ΔT2；
5)数管处理模块第2个时间片～第4个时间片，执行火工品起爆指令；
6)数管处理模块第5个时间片，回复GNC收到总线通信触发信号；
GNC处理模块等待推力器控制禁能时间ΔT3、ΔT4、ΔT5，然后启动推力器姿态控制使能；在推力器姿态控制使能后，着陆器俯仰轴和偏航轴姿态控制时，根据角速度阈值启控，进行角速度阻尼控制。
进一步的，GNC处理模块和数管处理模块进行双余度指令控制，GNC处理模块采用脉冲电平触发信号和总线通信触发信号两种方式为数管处理模块提供指令，用于触发火工品起爆；指令执行过程中，数管处理模块采用长脉冲指令压合控制继电器和推进阀门实现状态保持。
进一步的，数管处理模块在收到GNC处理模块通过总线通信触发的火工品起爆指令后，首先在第一个数管时间片周期内，先向着陆器上设备继电器、推进系统阀门开关发出当前状态保持指令，持续特定时间ΔT1，ΔT1为从数管发出状态保持指令到完成火工品起爆动作所需的最长时间，然后在第二个数管时间片周期发出火工品起爆指令。
进一步的，指令执行后经历ΔT2，数管处理模块再执行一次着陆器上所有继电器及推进阀门状态恢复指令。
进一步的，降落伞减速阶段采用基于动作事件+角速度限幅驱动的推力器控制禁能或使能。
进一步的，基于动作事件驱动包括：
a)弹伞：
弹伞时刻推力器控制禁能；
弹伞时刻后延时ΔT3推力器控制使能；ΔT3根据仿真中马赫数降至1.4的最长时间确定；
b)大底分离
大底分离时刻推力器控制禁能；
大底分离时刻后延时ΔT4推力器控制使能；ΔT4根据仿真中伞舱组合体与大底直线距离大于1倍大底直径确定；
c)背罩分离
背罩分离时刻推力器控制禁能；
背罩分离时刻后延时ΔT5推力器控制使能；ΔT5根据仿真中着陆平台从背罩分离的最长时间以及分离后相对距离大于1倍着陆平台直径确定。
进一步的，基于角速度限幅驱动包括：
a)弹伞后至大底分离，俯仰和偏航方向分别设置角速度阈值为ω1；
b)大底分离后至背罩分离，俯仰和偏航方向分别设置角速度阈值为ω2。
进一步的，GNC处理模块向数管处理模块发送总线通信触发信号后，如未收到数管处理模块返回的回复消息，最长会持续发送ΔT6；ΔT6代表数管处理模块切机或复位的最长时间。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明克服当前没有针对EDL过程高动态环境自适应技术的不足，基于GNC处理模块和数管处理模块双余度火工品起爆指令控制，起爆指令执行过程和执行后，控制继电器/推进阀门状态保持和恢复，降落伞减速过程中，采用基于动作事件+角速度限幅驱动的推力器控制禁能/使能，适用于火星着陆等深空探测器应对高动态环境安全性设计。
附图说明
图1为本发明高动态环境下关键环节转换多余度安全控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
该方法适用于火星着陆等深空探测器应对高动态环境安全性设计，包括以下部分：
(一)设计方法主要组成
1)GNC处理模块和数管处理模块双余度指令控制
针对EDL过程降落伞弹射、大底分离、背罩分离必须经历的火工品分离起爆动作，基于着陆器配置的GNC处理模块和数管处理模块实现双余度指令控制。GNC采用脉冲电平触发信号和总线通信触发信号两种方式提供数管处理模块指令，用于触发火工品起爆。
2)指令执行过程中，采用长脉冲指令压合控制继电器/推进阀门实现状态保持
数管处理模块在收到GNC处理模块通过总线通信触发的火工品起爆指令后，首先在第一个数管时间片周期内，先向着陆器上设备继电器、推进系统阀门开关发出当前状态保持指令(持续特定时间ΔT1)，然后在第二个数管时间片周期发出火工品起爆指令。
其中，ΔT1为从数管发出状态保持指令到完成火工品起爆动作所需的最长时间，火星任务的典型时间为3s。
3)继电器/推进阀门状态恢复控制
指令执行后经历ΔT2，数管处理模块再执行一次着陆器上所有继电器/推进阀门状态恢复指令，火星任务的典型时间为3～5s；
4)降落伞减速阶段采用基于“动作事件+角速度限幅”驱动的推力器控制禁能/使能。
基于动作事件驱动：
a)弹伞：
弹伞时刻推力器控制禁能；
弹伞时刻后延时ΔT3推力器控制使能。ΔT3根据仿真中马赫数降至1.4的最长时间确定，火星任务的典型时间为9～11s。
b)大底分离
大底分离时刻推力器控制禁能；
大底分离时刻后延时ΔT4推力器控制使能。ΔT4根据仿真中伞舱组合体与大底直线距离大于1倍大底直径确定，火星任务的典型时间为1～3s。
c)背罩分离
背罩分离时刻推力器控制禁能；
背罩分离时刻后延时ΔT5推力器控制使能ΔT5根据仿真中着陆平台从背罩分离的最长时间以及分离后相对距离大于1倍着陆平台直径，火星任务的典型时间为1s。
基于角速度限幅驱动：
a)弹伞后至大底分离，俯仰和偏航方向分别设置角速度阈值为ω1，其中，火星任务的典型ω1为70°/s～80°/s；
b)大底分离后至背罩分离，俯仰和偏航方向分别设置角速度阈值为ω2，其中，火星任务的典型ω2为10°/s～50°/s。
(二)执行流程
整个指令动作的执行逻辑见图1。
GNC处理模块从满足判据(弹伞、大底分离、背罩分离等动作触发条件)开始，依次执行如下动作：
1)GNC处理模块第1个控制周期(Tc)，推力器姿态控制禁能；
2)GNC处理模块第2个控制周期(Tc)开始，向数管处理模块发出总线通信(1553B总线等)触发信号；
3)从GNC处理模块第4个控制周期(Tc)开始，连续3个控制周期每周期向数管处理模块发出脉冲电平触发信号，其中，火星任务的典型Tc为128ms；
数管处理模块在收到总线通信触发信号后，按数管时间片间隔依次执行如下指令：
1)数管处理模块第1个时间片(Ts)，长脉冲指令压合控制继电器/推进阀门实现状态保持，指令持续时间ΔT2；
2)数管处理模块第2个时间片(Ts)～第4个时间片(Ts)，执行火工品起爆(弹伞、大底分离、背罩分离等动作)指令；
3)数管处理模块第5个时间片(Ts)，回复GNC收到总线通信触发信号；
GNC处理模块向数管处理模块发送总线通信触发信号后，如未收到数管处理模块返回的回复消息，最长会持续发送ΔT6。其中，火星任务的典型Ts为100ms；ΔT6代表数管处理模块切机/复位的最长时间，典型时间为6s。
GNC处理模块等待推力器控制禁能时间(ΔT3，ΔT4，ΔT5)到后启动推力器姿态控制；在推力器控制使能后，着陆器俯仰轴和偏航轴姿态控制时，根据角速度阈值(ω1，ω2)启控，进行角速度阻尼控制。
本发明可以在EDL过程中对上述高动态复合力学环境进行自适应，保证产品状态稳定，关键功能正常执行。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，包括：
当满足火工品起爆触发逻辑时，GNC处理模块依次执行如下动作：
1)GNC处理模块第1个控制周期，推力器姿态控制禁能；
2)GNC处理模块第2个控制周期开始，向数管处理模块发出总线通信触发信号；
3)从GNC处理模块第4个控制周期开始，连续3个控制周期每周期向数管处理模块发出脉冲电平触发信号；
数管处理模块在收到总线通信触发信号后，按数管时间片间隔依次执行如下指令：
4)数管处理模块第1个时间片，长脉冲指令压合控制继电器及推进阀门实现状态保持，指令持续时间ΔT2；
5)数管处理模块第2个时间片～第4个时间片，执行火工品起爆指令；
6)数管处理模块第5个时间片，回复GNC收到总线通信触发信号；
GNC处理模块等待推力器控制禁能时间ΔT3、ΔT4、ΔT5，然后启动推力器姿态控制使能；在推力器姿态控制使能后，着陆器俯仰轴和偏航轴姿态控制时，根据角速度阈值启控，进行角速度阻尼控制。
2.根据权利要求1所述的一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，GNC处理模块和数管处理模块进行双余度指令控制，GNC处理模块采用脉冲电平触发信号和总线通信触发信号两种方式为数管处理模块提供指令，用于触发火工品起爆；指令执行过程中，数管处理模块采用长脉冲指令压合控制继电器和推进阀门实现状态保持。
3.根据权利要求1所述的一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，数管处理模块在收到GNC处理模块通过总线通信触发的火工品起爆指令后，首先在第一个数管时间片周期内，先向着陆器上设备继电器、推进系统阀门开关发出当前状态保持指令，持续特定时间ΔT1，ΔT1为从数管发出状态保持指令到完成火工品起爆动作所需的最长时间，然后在第二个数管时间片周期发出火工品起爆指令。
4.根据权利要求1所述的一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，指令执行后经历ΔT2，数管处理模块再执行一次着陆器上所有继电器及推进阀门状态恢复指令。
5.根据权利要求1所述的一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，降落伞减速阶段采用基于动作事件+角速度限幅驱动的推力器控制禁能或使能。
6.根据权利要求5所述的一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，基于动作事件驱动包括：
a)弹伞：
弹伞时刻推力器控制禁能；
弹伞时刻后延时ΔT3推力器控制使能；ΔT3根据仿真中马赫数降至1.4的最长时间确定；
b)大底分离
大底分离时刻推力器控制禁能；
大底分离时刻后延时ΔT4推力器控制使能；ΔT4根据仿真中伞舱组合体与大底直线距离大于1倍大底直径确定；
c)背罩分离
背罩分离时刻推力器控制禁能；
背罩分离时刻后延时ΔT5推力器控制使能；ΔT5根据仿真中着陆平台从背罩分离的最长时间以及分离后相对距离大于1倍着陆平台直径确定。
7.根据权利要求5所述的一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，基于角速度限幅驱动包括：
a)弹伞后至大底分离，俯仰和偏航方向分别设置角速度阈值为ω1；
b)大底分离后至背罩分离，俯仰和偏航方向分别设置角速度阈值为ω2。
8.根据权利要求1所述的一种EDL高动态环境下关键环节转换多余度安全保障方法，其特征在于，GNC处理模块向数管处理模块发送总线通信触发信号后，如未收到数管处理模块返回的回复消息，最长会持续发送ΔT6；ΔT6代表数管处理模块切机或复位的最长时间。
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