Ａ“ｇ．２０１２
航天控制
Ｖ０１．３０．Ｎｏ．４
ＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌ
高超声速飞行器制导与控制性能评估方法
马印华
北京航天自动控制研究所．北京１００８５４
摘要针对高超声速飞行器的特点，探讨了高超声速飞行器制导与控制系统
旦
性能评估问题。对控制系统性能定性评估原则及需考虑的影响因素进行了描述，建立了较完整的制导与姿态控制性能评估指标体系。根据层次化分析思想，通过定性分析与定量评估相结合，提出了一套适用于高超声速飞行器制导与姿
态控制性能评估方法。最后，提出了制导与姿态控制性能综合评估验证系统的框架．为后续仿真验证平台搭建及不同制导姿控方法评估提供了重要依据。
关键词性能评估；制导控制；高超声速飞行器
中图分类号：Ｖ４４８．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６－３２４２（２０１２）０４－０００７＿０６
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在新型高超声速飞行器研制中，对制导与控制估各种制导与姿态控制方法的优劣，通过定量测试方案做出迅速、合理的评价是一项重要工作…。影找出多种制导控制方案的优缺点并分析其原因，从响高超声速飞行器制导与控制系统性能的因素种类而改进和提高；更重要的是在对高超声速飞行器实繁多，为了对实际制导与控制性能有较全面的认识，际性能认识较少的情况下，通过综合评估来确定最使其满足工程研制需要，需对其做出评估与鉴定。
适合该类飞行器及飞行任务的制导与控制方案，或通过制导与控制系统性能评估，一方面可以评
通过对多种方案进行科学整合得到满足任务需求的
收稿日期：２０１２．０３・１２
作者简介：马卫华（１９７０一），男，山东新泰人，硕士，研究员，主要从事飞行控制系统研究工作。
航天控制
优化方案。国外在第二代可重复使用运载器（ＲＬＶ）、成员
探测飞行器（ｃＥＶ）等研制过程中广泛采用评伯手
段来考核其制导性能一。在定性评估的基础上采用定量评估方法，从需求定位、飞行任务、蒙特卡洛试验、评估指标体系、计分方法等方面考虑，最终以
计分或图示的形式给出性能测评结果。４。通过对
多种制导方法性能的评估，对最终方案的确定及制
导性能的改进提供了重要依据。
本文基于高超声速飞行器的特点，首先对其制导与控制性能进行定性评估，在此基础Ｌ建立了制
导与姿态控制性能评估指标体系，基于层次分析思
想进行指标权重的分配，提出了一套适用于高超声
速飞行器的制导与控制性能评估方法，并给卅ｒ制
导与姿态控制性能评估验证系统的框架，为后续高
超声速飞行器制导与控制性能评估提供了重要参考
依据。
１
制导与控制系统性能定性分析
制导控制性能评估首先是建屯在对评测制导与
姿态控制系统深入理解的基础上，评估工作是定性分析和定量评分２种评估方式的有机结合。定性分
析是定量评估工作的基础，从总体Ｌ把握制导与控制方案的基本情况，相关定性评估结论可用于指导
定量评估工作。定量计算反映制导与姿态控制各项性能的指标，找出被测制导与姿态控制方案在各个方面存在的问题与优势。通过定性与定量的评估工
作，整合各个方案的优点得到适合飞行器研制任务
需求的制导与控制方案。１．１测试任务设计
飞行器任务设计是制导控制性能评估工作的重要一步，在进行任务设计之前，首先应对该型飞行器
进行任务需求分析，进而明确对制导与姿态控制系
统设计的需求以及需解决的关键技术问题，评估工作只有以科学合理的飞行任务作为评估测试条件，才毹真正得到满是任务需求的确定方案。例如，对
于可重复使用运载器，其高可靠性／安全性和运行成本是其考虑的２个主要需求，困此在性能评估测试时，根据任务需求，可设计正常飞行任务、异常飞行
任务如火箭发动机故障、推力散布、姿控能力下降、
建模误差等情况５。
综上分析，在设计飞行任务之前要明确该飞行
器对制导与控制的任务需求以及为了满足这个需求需要具柑的关键技术。只有这２个问题真正明确ｒ，评估巾的Ｅ行任务设汁才会有针对胜，才能体现
ｆ“性能评估在此类飞行器研制中的真正价值。
ｌ２
制导与控制关键性能及需考虑的因素
制导与姿态控制关键性能是评估指标体系制定
的依据。制导与控制系统的设计应该是对这些性能
进行优化折中，轨迹质量是制导控制性能的外在表现，制导控制关键性能指标除再人轨迹相关的性能外，还包括像模型自适应能力、系统裕度等方面的内存性能，制导与控制关键性能有到达指定日标点的
精确度、满足约束情况、对干扰、不确定性的裕度和
敏感性、任务适应性、匹配导航系统能力、制导与姿控系统匹配性、算法复杂性等。
评估制导与姿态控制性能，就需要找…影响其性能的重要因素，并将这些影响凶素进行系统建模，在进行评估时将这些阕素科学地加入到评测仿真
中…。影响制导控制性能的斟素主耍有飞行器气
动模型、环境模型、导航设备输出的速度／位置信息、
飞行器质量特性、控制能力等“。
２评价指标体系的构建
尤沦任何评估方法，最终都是通过对性能指标
进行评价来实现８。指标体系一般覆盖系统性能
评估需重点关注的多个方面，对控制系统而占包括精确性、鲁棒性、动态品质等，以逐级分解的形式构
成了指标体系的树状结构，并可通过设置权重系数
的方式来体现不同指标的重要程度。对于底层指
标，可直接由仿真结果进行评价；对于非底层指标，
则由其下级指标进行加权综合评价。图１给出了指标体系分解示意图。
１顶甚指标ｌ
函ｆ１｝豳
Ｉ指标
ｌ指标Ｉ
『指标Ｉ
匦圆
圆
图ｌ指标体系分解示意用
２
ｌ
制导性能评估指标体系
制导性能的评估是一个典型的多目标决策
第３（）卷第４期
ｔ｛ｌｉ华：高超Ｊ｛，速飞行器制导与控制性能评估力法
９
问题，其根本是对制导系统的性能进行客观评价ｊ制导性能可分为静态性能雨『动态性能２个
方Ｉ＾Ｉ。
（２）动态性能
制导的任务是将滑翔ｂ行器准确地从再人点导
引到指定的｝ｉ标状态，为减小姿态控制系统负扭，制
（１）静态性能
静态性能主耍体现对飞行器总体技术指标的
满足情况，具体体现在物理约束、特定战技指标的
导系统生成的制导指令必须易于实现，这类要求称为动态性能。动态性能包括制导方法的可实现性、
适应性。可实现性主要是衡量制导方法的计算最是
否满足弹载计算机的计算要求。适应性主要是反映
满足程度。其中：物理约束主要包括驻点热流、动
压及过载等过程约束；战技指标：如纵程、横向机
制导方法对一些参数偏差扰动等的鲁棒性，如级问分
动能力、终端高度、终端速度、终端弹道倾角、终端
弹道偏角等。
离参数波动、关机点参数波动，初始条件偏差等。图
２给出了高超声速飞行器制导性能评价指标体系。
。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。＿＿●＿＿＿＾。。。。。。一
Ｉ
坚竺竖兰竺竺
终端约束指标
ｌ
ｆ一程日】实现性
方法适应悱
丽雨
的直观表现形式。
２
．．．．．．．。￡
终端
上
对偏差干扰适席性
高
度约
终端速度
终端
弹
终
端
弹
柬
道倾角
约
道偏角
约
计算
量约
柬
㈨２制导性能评价指标体系
从图２可以看Ｈ｛，制导性能评价指标体系分为
令下侧滑角瞬态最大增量来考核。
过程约束指标、控制约束指标、终端约束、丁程可实
现性、方法适应－｜生等顶层指标，各顶层指标又可细分为若干底层性能指标，而底层性能指标为性能评价
对系统进行性能评价是一个多目标决策的过
３性能评估方法及实现
２姿态控制性能评估指标体系
对于姿态控制而言，其性能指标一般从动态品
程，常用专家评分法、分层分析（ＡＨＰ）法、模糊综合
法等进行评价，这些方法采用定性与定量相结合的
质、参数摄动适应性、外界干扰适应性和Ｔ程实现性４
方式，其评价结果具有一・定的权威性。在性能评估
的初期阶段，可采取专家查看仿真结果的评估手段，
个方面来考虑，而每一方面义涉及到若干具体指标。
动态品质指标：考察姿态控制系统跟踪或保持给定姿态指令的品质，除各通道控制系统的精确性、
快速性和平稳性指标外，还需考查姿控系统对于通
该评估手段虽然非常有效，但需占用大量时间来评
估各类不同算法的仿真结果，且评估结论带有一定主观性。为了使评｛古结果更加高效、客观，可将整个算法评估过程自动化并量化每一个评估指标，最终完成评估任务。
３
道问耦合效应的动态和稳态抑制能力。
参数摄动适应性和外界十扰适应性分别考察姿态控制系统对于飞行器自身参数摄动、外部干扰因
素的适应能力，并进行量化评估。
工程实现性验证所研究的理论和方法是否适用
１评估模型的建立
首先应根据系统性能指标体系，建立相应的综
合评判模型。
基于层次分析法的思想，对影响系统性能的各考核指标按层次进行描述，以两级性能指标为例，建立性能评价的二级评价困素集
ｓ＝｛ｓＪ，ｓ∥’’，５。｝，ｓ．＝｛ｓｎ，５¨…，５。｝，
ｆ：１．２．…．ｍ
于工程实际，重点关注控制律的计算耗时。
图３给出了姿控评价指标体系，可以看出，对于
任意底层指标两言，又有具体的考核方式，如准确性
主要通过非零初值下回零的稳态值来考核，而滚动到侧滑动态交联的抑制能力主要通过倾侧角阶跃指
（１）
航天控制
动态品质
俯
仰通道动态
品
偏
航
通滚转通
道动态
品
道动态质
解耦性能
质
质
丽赢
滚动到俯仰稳态交联的抑制能力
滚动到俯仰动态交联的抑制能力
图３
准
确
性
快
速
性
稳定
性
一
同俯
仰
通
一同
俯
仰
通道一
道一
滚动到侧滑稳态交联的抑制能力
滚动到侧滑动态交联的抑制能力
姿态控制性能评价指标体系
其中：ｎ。为ｓ。中评价指标的个数。
点，使得到的指标权重更加可信“…。
３
对于任意ｓ，中元素的计算采用计分原则，通过预先设定一定的比较逻辑关系将实际指标值与总体
考核值进行比较，得到实际情况下各因素对应的分值ｙ。用以表不每项指标的满足程度。对应底层指
３性能的综合评价
基于所建立的综合评判模型和权重矩阵，可以
得到对应不同级别评价指标的评价结果。对于任意
“，各因素的评价结果：
标的评语集可表示为：
一＝｛Ｐ。Ｐ。…，ｌ。｝，ｉ＝１，２，…，ｍ
３
Ｆ；＝甜。’ｙ。＝训¨。¨１＋埘ｎ’ｙ。２＋‘‘‘十Ⅲ。。一。
（２）
（５）
２性能评估指标的加权预处理
确定ｓ和ｓ，中每个因素在综合评估过程中的
对应ｕ的各因素的评价结果为：
Ｅ＝Ⅳ‘Ｆ：２鲫１’Ｅ１＋Ⅲ２・Ｅ２＋・・・＋Ⅲ。－Ｅ。
重要程度，设５中每个因素相对ｓ的权重集为：
（６）
Ⅳ＝｛＂。，甜：，…，训。｝，∑甜。＝１，ｏ≤埘。≤１
（３）
最终得到的评价结果以分值的形式来描述，使
评价结果更为客观，符合人们的认知过程，且实际操
作过程易于实现。
对应ｓ。中每个因素组成的权重集：
埘；＝ｈ，训∞…，叫。。｝，∑州％＝１，ｏ≤埘峨≤１
（４）
４制导与控制性能评估
４
１
权重选择直接反映各项指标对上一级指标的影
制导与控制定量评估方法
响程度，指标权重的设计往往依靠专家的经验进行
主观评定，从而不可避免地产生了主观性和不确定
基于高超声速飞行器对制导控制任务需求的分析，从评估的角度将其分为若干个任务状态。对于可重复使用运载器来说，可分为正常飞行任务和可靠性／安全测试任务。正常飞行任务可分为亚轨道标称任务和在轨返回任务；可靠性／安全测试任务又可分为火箭发动机故障飞行任务、发动机推力散布
性，很难对系统性能进行全面、合理的综合评价”Ｊ。可行的思路是基于层次分析法、专家调查法等相结合进行指标权重的计算，可有效防止单一主观赋权方法所得权重重要程度排序与实际情况不符的缺
第３０卷第４期
马卫华：高超声速飞行器制导与控制性能评估方法
飞行任务、姿态控制性能下降飞行任务、气动建模误
差飞行任务等。而对应每一种任务义可根据不同的
测试条件分为若干子任务。在各个子任务测试过程中，需考虑气动偏差、大气密度偏差、风干扰、质量特性、导航误差、推进剂晃动等各种随机扰动与不确定性的影响，通过蒙特卡洛仿真来确定每项性能指标
的满足情况。对于蒙特卡洛散布测试，每一项指标
的得分都应是该次测试的平均值。
制导与控制性能评估计分采用由下到上的顺
序，具体步骤可分为４步：
１）计算飞行任务所对应的每一个性能指标得
分。在根据每一类指标的具体计算方法得到指标性能后，该指标性能的计分方式如图４所不，当单项指标对应在Ａ点横坐标左边时，该项指标得分为１００。当单项指标在曰点横坐标右边时，该项指标得分为ｏ。对于处于Ａ，Ｂ两点之问的单项指标值，通过Ａ，Ｂ两点确定的线性函数完成评分。需
要指出的是，对于每一个指标，图中Ａ，Ｂ两点坐标的确定需要综合考虑飞行器自身能力、交接班需
求等。
０
Ａ
Ｂ
图４单项指标性能计分方式
２）计算每一个子飞行任务所对应的得分。计分方式采用各个单项指标得分的加权和。
ＳｆⅡ§。＝５镕＃ｌ×训镕镕】＋Ｓ指＃２×Ⅲ☆＃２＋…＋
ｓ☆＃。×甜％镕。
（７）
其中，训☆标】，州指标２，…，叫指标。分别为指标ｓ指标。对应的权重系数。
３）计算每一类飞行任务所对应的得分。以规定蒙特卡洛散布下试验飞行任务为例，有如下计分
公式：
５娄住＊。＝５ｒ任务１×川｝任劳１＋Ｓ７Ⅱ＊２×Ⅲ子任务２＋’‘‘＋
Ｓ｝Ⅱ＊。×训ＴＥ＊。
（８）
其中，川子任务１，甜Ｔ任§２，…，甜ＴⅡ＃。分别为子任务ｓ十任＊。对应的权重系数。
４）将各类任务相加得到制导与控制性能总分：
Ｊ川。ｆ
２
６女任§１×州＊“＊１十５＊Ｈ§２×甜娄“＃２＋’’十
６《Ⅱ＊。×州女Ⅱ＊。
‘，）
其中，州类怔引，州＃¨靴，一，州女“＃。分别为类任务ｓ《任筹。
对应的权重系数。
前面论述的制导与姿态控制评价指标体系是通
用的，但针对飞行器不同的飞行段或所要完成的任
务，各性能指标的选取及所占有的比重不同。因此需以飞行任务需求为出发点，从制导与控制性能指标体系中选择合适的指标组成每一飞行任务对应的任务指标体系，并相应的进行权重分配。例如对于
高超声速飞行器的中制导段，该段既要满足该段飞
行的过程约束条件，又要为下一段提供良好的初始条件，即对终端条件提出一定的要求，同时对初始偏
差具有一定的鲁捧性。凼此，性能指标的确定需综
’
合考虑多种因素的影响。
４
２性能评估总体框架
高超声速飞行器不同于以往飞行器，对其制
导与姿态控制方案直接进行评估是非常困难的，
需要从理论与仿真两方面对方法本身进行深入的分析。性能综合评估主要包括２个部分一：一是需考虑其自身特点选取合理的评价指标，建立一个完整的评价体系；二是评估方法与算法。为实现
高超声速毡行器制导与控制性能评估验证，构建
仿真验证系统体系结构，需搭建高保真度的高超
声速飞行器制导控制性能评估验证平台，图５给出了高超声速飞行器制导控制性能评估平台的总
体框架。
该平台涵盖弹道设计、制导与控制策略验证、
三／六自由度仿真验证、模拟打靶、测试算例自动
生成等功能，通过自动进行单偏差或蒙特卡洛仿
真，能够自动进行试验数据的存储、统计和分析。
通过对实时仿真结果进行在线判读，进行异常提
示、处理，集成仿真验证评价标准，完成多个制导姿控方案的验证、比较及优化。该平台可以为各种制导与姿态控制理论及方法的有效性和可行性提供验证，为高超声速飞行器制导姿控方案设计提供重要的依据。
５结束语
在探讨高超声速飞行器制导与姿控可能的性能指标与约束要求的基础上，建立了较为完整的制导与姿控性能评价指标体系。基于层次分析的思想，
１２・
航天控制
２０１２年
评价指标体系
Ｉ制导学杖指标Ｉ
姿挡考棱ｊ静怀
ｌ
交联指标
ｌ
一一窿ｉ磊旦图５制导控制性能评估平台总体框架
｝．．—一
提出了一套简单可行的高超声速飞行器制导与控制［５］
Ａ
ｓａｒａｆ，Ｊ
ＡＬｅａＶｉｔｔ，Ｄ，’ｆ
ｃｈｅｎ・ａｎｄＫ・Ｄ・Ｍｅａｓｅ・
性能评估方法，构建了性能评估平台总体框架，为后ｏｅｓｉｇｎ
ａｎｄＥＶａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｎ
Ａｃｃｅｌｅｍｔ；ｏｎ
Ｇｕｉｄａｎｃｅ¨｝续高超声速飞行器制导与控制方法的评估提供了重ｇｏ‘汕”ｋ８“时［Ｊ］Ｊ。““８１。‘８ｐ８。“蚰“８８。。ｏ’
要的方法与工具。通过对高超声速飞行器制导与姿・
。。８，２００４，４１（６）：９８６４９６。
．
设计提供指导性建议和决策依据，从而能够确保所
控方法进行性能评估，可以为高超声速飞行器工程¨１：罴。：。：：：暑。＾：＝等三。裟：ｉｎｇＲ＃Ｔｈ。２４ｔｈ
Ａ…ｉＩＡＡｓ
Ｇ。ｉｄ。。。。：。ｄ：。ｎｆｒ。ｌｃ：二＋
采用的制导与姿态控制方案及所采用的设计方法能
。。。。，Ｂ。。ｋ。。ｄｄ＂．ｃｏ，Ｊ。。３ｌ—Ｆ。ｂ４，２００１：３０＿４１．
够充分发挥高超声速飞行器的性能。
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０ｄ‘。Ｅｖａｌ“８‘。‘ｈ。Ｄ。’８ｌｏｐ巾８“‘Ｐ１ａｎｏｆ
Ｍｉ８８ｉｌｅ［Ｊ］Ｆｉｒｅ
高超声速飞行器制导与控制性能评估方法
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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9. 梁杰,侯志伟 AHP法专家调查法与神经网络相结合的综合定权方法[期刊论文]-系统工程理论与实践 2001(3)10. 刘卫东,杨萍,毕义明 一种评价导弹研制方案的新方法[期刊论文]-火力与指挥控制 2001(3)
引用本文格式：马卫华. MA Weihua 高超声速飞行器制导与控制性能评估方法[期刊论文]-航天控制 2012(4)
Ａ“ｇ．２０１２
航天控制
Ｖ０１．３０．Ｎｏ．４
ＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌ
高超声速飞行器制导与控制性能评估方法
马印华
北京航天自动控制研究所．北京１００８５４
摘要针对高超声速飞行器的特点，探讨了高超声速飞行器制导与控制系统
旦
性能评估问题。对控制系统性能定性评估原则及需考虑的影响因素进行了描述，建立了较完整的制导与姿态控制性能评估指标体系。根据层次化分析思想，通过定性分析与定量评估相结合，提出了一套适用于高超声速飞行器制导与姿
态控制性能评估方法。最后，提出了制导与姿态控制性能综合评估验证系统的框架．为后续仿真验证平台搭建及不同制导姿控方法评估提供了重要依据。
关键词性能评估；制导控制；高超声速飞行器
中图分类号：Ｖ４４８．２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６－３２４２（２０１２）０４－０００７＿０６
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１００８５４，Ｃｈｉｎａ
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＾咖ｍＩ口舵ｅ删ｏｆ＂口￡ｉｏ“；ＧＨｉｄｏｎ艚ｎｎｄ
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在新型高超声速飞行器研制中，对制导与控制估各种制导与姿态控制方法的优劣，通过定量测试方案做出迅速、合理的评价是一项重要工作…。影找出多种制导控制方案的优缺点并分析其原因，从响高超声速飞行器制导与控制系统性能的因素种类而改进和提高；更重要的是在对高超声速飞行器实繁多，为了对实际制导与控制性能有较全面的认识，际性能认识较少的情况下，通过综合评估来确定最使其满足工程研制需要，需对其做出评估与鉴定。
适合该类飞行器及飞行任务的制导与控制方案，或通过制导与控制系统性能评估，一方面可以评
通过对多种方案进行科学整合得到满足任务需求的
收稿日期：２０１２．０３・１２
作者简介：马卫华（１９７０一），男，山东新泰人，硕士，研究员，主要从事飞行控制系统研究工作。
航天控制
优化方案。国外在第二代可重复使用运载器（ＲＬＶ）、成员
探测飞行器（ｃＥＶ）等研制过程中广泛采用评伯手
段来考核其制导性能一。在定性评估的基础上采用定量评估方法，从需求定位、飞行任务、蒙特卡洛试验、评估指标体系、计分方法等方面考虑，最终以
计分或图示的形式给出性能测评结果。４。通过对
多种制导方法性能的评估，对最终方案的确定及制
导性能的改进提供了重要依据。
本文基于高超声速飞行器的特点，首先对其制导与控制性能进行定性评估，在此基础Ｌ建立了制
导与姿态控制性能评估指标体系，基于层次分析思
想进行指标权重的分配，提出了一套适用于高超声
速飞行器的制导与控制性能评估方法，并给卅ｒ制
导与姿态控制性能评估验证系统的框架，为后续高
超声速飞行器制导与控制性能评估提供了重要参考
依据。
１
制导与控制系统性能定性分析
制导控制性能评估首先是建屯在对评测制导与
姿态控制系统深入理解的基础上，评估工作是定性分析和定量评分２种评估方式的有机结合。定性分
析是定量评估工作的基础，从总体Ｌ把握制导与控制方案的基本情况，相关定性评估结论可用于指导
定量评估工作。定量计算反映制导与姿态控制各项性能的指标，找出被测制导与姿态控制方案在各个方面存在的问题与优势。通过定性与定量的评估工
作，整合各个方案的优点得到适合飞行器研制任务
需求的制导与控制方案。１．１测试任务设计
飞行器任务设计是制导控制性能评估工作的重要一步，在进行任务设计之前，首先应对该型飞行器
进行任务需求分析，进而明确对制导与姿态控制系
统设计的需求以及需解决的关键技术问题，评估工作只有以科学合理的飞行任务作为评估测试条件，才毹真正得到满是任务需求的确定方案。例如，对
于可重复使用运载器，其高可靠性／安全性和运行成本是其考虑的２个主要需求，困此在性能评估测试时，根据任务需求，可设计正常飞行任务、异常飞行
任务如火箭发动机故障、推力散布、姿控能力下降、
建模误差等情况５。
综上分析，在设计飞行任务之前要明确该飞行
器对制导与控制的任务需求以及为了满足这个需求需要具柑的关键技术。只有这２个问题真正明确ｒ，评估巾的Ｅ行任务设汁才会有针对胜，才能体现
ｆ“性能评估在此类飞行器研制中的真正价值。
ｌ２
制导与控制关键性能及需考虑的因素
制导与姿态控制关键性能是评估指标体系制定
的依据。制导与控制系统的设计应该是对这些性能
进行优化折中，轨迹质量是制导控制性能的外在表现，制导控制关键性能指标除再人轨迹相关的性能外，还包括像模型自适应能力、系统裕度等方面的内存性能，制导与控制关键性能有到达指定日标点的
精确度、满足约束情况、对干扰、不确定性的裕度和
敏感性、任务适应性、匹配导航系统能力、制导与姿控系统匹配性、算法复杂性等。
评估制导与姿态控制性能，就需要找…影响其性能的重要因素，并将这些影响凶素进行系统建模，在进行评估时将这些阕素科学地加入到评测仿真
中…。影响制导控制性能的斟素主耍有飞行器气
动模型、环境模型、导航设备输出的速度／位置信息、
飞行器质量特性、控制能力等“。
２评价指标体系的构建
尤沦任何评估方法，最终都是通过对性能指标
进行评价来实现８。指标体系一般覆盖系统性能
评估需重点关注的多个方面，对控制系统而占包括精确性、鲁棒性、动态品质等，以逐级分解的形式构
成了指标体系的树状结构，并可通过设置权重系数
的方式来体现不同指标的重要程度。对于底层指
标，可直接由仿真结果进行评价；对于非底层指标，
则由其下级指标进行加权综合评价。图１给出了指标体系分解示意图。
１顶甚指标ｌ
函ｆ１｝豳
Ｉ指标
ｌ指标Ｉ
『指标Ｉ
匦圆
圆
图ｌ指标体系分解示意用
２
ｌ
制导性能评估指标体系
制导性能的评估是一个典型的多目标决策
第３（）卷第４期
ｔ｛ｌｉ华：高超Ｊ｛，速飞行器制导与控制性能评估力法
９
问题，其根本是对制导系统的性能进行客观评价ｊ制导性能可分为静态性能雨『动态性能２个
方Ｉ＾Ｉ。
（２）动态性能
制导的任务是将滑翔ｂ行器准确地从再人点导
引到指定的｝ｉ标状态，为减小姿态控制系统负扭，制
（１）静态性能
静态性能主耍体现对飞行器总体技术指标的
满足情况，具体体现在物理约束、特定战技指标的
导系统生成的制导指令必须易于实现，这类要求称为动态性能。动态性能包括制导方法的可实现性、
适应性。可实现性主要是衡量制导方法的计算最是
否满足弹载计算机的计算要求。适应性主要是反映
满足程度。其中：物理约束主要包括驻点热流、动
压及过载等过程约束；战技指标：如纵程、横向机
制导方法对一些参数偏差扰动等的鲁棒性，如级问分
动能力、终端高度、终端速度、终端弹道倾角、终端
弹道偏角等。
离参数波动、关机点参数波动，初始条件偏差等。图
２给出了高超声速飞行器制导性能评价指标体系。
。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。。。。。。。＿＿●＿＿＿＾。。。。。。一
Ｉ
坚竺竖兰竺竺
终端约束指标
ｌ
ｆ一程日】实现性
方法适应悱
丽雨
的直观表现形式。
２
．．．．．．．。￡
终端
上
对偏差干扰适席性
高
度约
终端速度
终端
弹
终
端
弹
柬
道倾角
约
道偏角
约
计算
量约
柬
㈨２制导性能评价指标体系
从图２可以看Ｈ｛，制导性能评价指标体系分为
令下侧滑角瞬态最大增量来考核。
过程约束指标、控制约束指标、终端约束、丁程可实
现性、方法适应－｜生等顶层指标，各顶层指标又可细分为若干底层性能指标，而底层性能指标为性能评价
对系统进行性能评价是一个多目标决策的过
３性能评估方法及实现
２姿态控制性能评估指标体系
对于姿态控制而言，其性能指标一般从动态品
程，常用专家评分法、分层分析（ＡＨＰ）法、模糊综合
法等进行评价，这些方法采用定性与定量相结合的
质、参数摄动适应性、外界干扰适应性和Ｔ程实现性４
方式，其评价结果具有一・定的权威性。在性能评估
的初期阶段，可采取专家查看仿真结果的评估手段，
个方面来考虑，而每一方面义涉及到若干具体指标。
动态品质指标：考察姿态控制系统跟踪或保持给定姿态指令的品质，除各通道控制系统的精确性、
快速性和平稳性指标外，还需考查姿控系统对于通
该评估手段虽然非常有效，但需占用大量时间来评
估各类不同算法的仿真结果，且评估结论带有一定主观性。为了使评｛古结果更加高效、客观，可将整个算法评估过程自动化并量化每一个评估指标，最终完成评估任务。
３
道问耦合效应的动态和稳态抑制能力。
参数摄动适应性和外界十扰适应性分别考察姿态控制系统对于飞行器自身参数摄动、外部干扰因
素的适应能力，并进行量化评估。
工程实现性验证所研究的理论和方法是否适用
１评估模型的建立
首先应根据系统性能指标体系，建立相应的综
合评判模型。
基于层次分析法的思想，对影响系统性能的各考核指标按层次进行描述，以两级性能指标为例，建立性能评价的二级评价困素集
ｓ＝｛ｓＪ，ｓ∥’’，５。｝，ｓ．＝｛ｓｎ，５¨…，５。｝，
ｆ：１．２．…．ｍ
于工程实际，重点关注控制律的计算耗时。
图３给出了姿控评价指标体系，可以看出，对于
任意底层指标两言，又有具体的考核方式，如准确性
主要通过非零初值下回零的稳态值来考核，而滚动到侧滑动态交联的抑制能力主要通过倾侧角阶跃指
（１）
航天控制
动态品质
俯
仰通道动态
品
偏
航
通滚转通
道动态
品
道动态质
解耦性能
质
质
丽赢
滚动到俯仰稳态交联的抑制能力
滚动到俯仰动态交联的抑制能力
图３
准
确
性
快
速
性
稳定
性
一
同俯
仰
通
一同
俯
仰
通道一
道一
滚动到侧滑稳态交联的抑制能力
滚动到侧滑动态交联的抑制能力
姿态控制性能评价指标体系
其中：ｎ。为ｓ。中评价指标的个数。
点，使得到的指标权重更加可信“…。
３
对于任意ｓ，中元素的计算采用计分原则，通过预先设定一定的比较逻辑关系将实际指标值与总体
考核值进行比较，得到实际情况下各因素对应的分值ｙ。用以表不每项指标的满足程度。对应底层指
３性能的综合评价
基于所建立的综合评判模型和权重矩阵，可以
得到对应不同级别评价指标的评价结果。对于任意
“，各因素的评价结果：
标的评语集可表示为：
一＝｛Ｐ。Ｐ。…，ｌ。｝，ｉ＝１，２，…，ｍ
３
Ｆ；＝甜。’ｙ。＝训¨。¨１＋埘ｎ’ｙ。２＋‘‘‘十Ⅲ。。一。
（２）
（５）
２性能评估指标的加权预处理
确定ｓ和ｓ，中每个因素在综合评估过程中的
对应ｕ的各因素的评价结果为：
Ｅ＝Ⅳ‘Ｆ：２鲫１’Ｅ１＋Ⅲ２・Ｅ２＋・・・＋Ⅲ。－Ｅ。
重要程度，设５中每个因素相对ｓ的权重集为：
（６）
Ⅳ＝｛＂。，甜：，…，训。｝，∑甜。＝１，ｏ≤埘。≤１
（３）
最终得到的评价结果以分值的形式来描述，使
评价结果更为客观，符合人们的认知过程，且实际操
作过程易于实现。
对应ｓ。中每个因素组成的权重集：
埘；＝ｈ，训∞…，叫。。｝，∑州％＝１，ｏ≤埘峨≤１
（４）
４制导与控制性能评估
４
１
权重选择直接反映各项指标对上一级指标的影
制导与控制定量评估方法
响程度，指标权重的设计往往依靠专家的经验进行
主观评定，从而不可避免地产生了主观性和不确定
基于高超声速飞行器对制导控制任务需求的分析，从评估的角度将其分为若干个任务状态。对于可重复使用运载器来说，可分为正常飞行任务和可靠性／安全测试任务。正常飞行任务可分为亚轨道标称任务和在轨返回任务；可靠性／安全测试任务又可分为火箭发动机故障飞行任务、发动机推力散布
性，很难对系统性能进行全面、合理的综合评价”Ｊ。可行的思路是基于层次分析法、专家调查法等相结合进行指标权重的计算，可有效防止单一主观赋权方法所得权重重要程度排序与实际情况不符的缺
第３０卷第４期
马卫华：高超声速飞行器制导与控制性能评估方法
飞行任务、姿态控制性能下降飞行任务、气动建模误
差飞行任务等。而对应每一种任务义可根据不同的
测试条件分为若干子任务。在各个子任务测试过程中，需考虑气动偏差、大气密度偏差、风干扰、质量特性、导航误差、推进剂晃动等各种随机扰动与不确定性的影响，通过蒙特卡洛仿真来确定每项性能指标
的满足情况。对于蒙特卡洛散布测试，每一项指标
的得分都应是该次测试的平均值。
制导与控制性能评估计分采用由下到上的顺
序，具体步骤可分为４步：
１）计算飞行任务所对应的每一个性能指标得
分。在根据每一类指标的具体计算方法得到指标性能后，该指标性能的计分方式如图４所不，当单项指标对应在Ａ点横坐标左边时，该项指标得分为１００。当单项指标在曰点横坐标右边时，该项指标得分为ｏ。对于处于Ａ，Ｂ两点之问的单项指标值，通过Ａ，Ｂ两点确定的线性函数完成评分。需
要指出的是，对于每一个指标，图中Ａ，Ｂ两点坐标的确定需要综合考虑飞行器自身能力、交接班需
求等。
０
Ａ
Ｂ
图４单项指标性能计分方式
２）计算每一个子飞行任务所对应的得分。计分方式采用各个单项指标得分的加权和。
ＳｆⅡ§。＝５镕＃ｌ×训镕镕】＋Ｓ指＃２×Ⅲ☆＃２＋…＋
ｓ☆＃。×甜％镕。
（７）
其中，训☆标】，州指标２，…，叫指标。分别为指标ｓ指标。对应的权重系数。
３）计算每一类飞行任务所对应的得分。以规定蒙特卡洛散布下试验飞行任务为例，有如下计分
公式：
５娄住＊。＝５ｒ任务１×川｝任劳１＋Ｓ７Ⅱ＊２×Ⅲ子任务２＋’‘‘＋
Ｓ｝Ⅱ＊。×训ＴＥ＊。
（８）
其中，川子任务１，甜Ｔ任§２，…，甜ＴⅡ＃。分别为子任务ｓ十任＊。对应的权重系数。
４）将各类任务相加得到制导与控制性能总分：
Ｊ川。ｆ
２
６女任§１×州＊“＊１十５＊Ｈ§２×甜娄“＃２＋’’十
６《Ⅱ＊。×州女Ⅱ＊。
‘，）
其中，州类怔引，州＃¨靴，一，州女“＃。分别为类任务ｓ《任筹。
对应的权重系数。
前面论述的制导与姿态控制评价指标体系是通
用的，但针对飞行器不同的飞行段或所要完成的任
务，各性能指标的选取及所占有的比重不同。因此需以飞行任务需求为出发点，从制导与控制性能指标体系中选择合适的指标组成每一飞行任务对应的任务指标体系，并相应的进行权重分配。例如对于
高超声速飞行器的中制导段，该段既要满足该段飞
行的过程约束条件，又要为下一段提供良好的初始条件，即对终端条件提出一定的要求，同时对初始偏
差具有一定的鲁捧性。凼此，性能指标的确定需综
’
合考虑多种因素的影响。
４
２性能评估总体框架
高超声速飞行器不同于以往飞行器，对其制
导与姿态控制方案直接进行评估是非常困难的，
需要从理论与仿真两方面对方法本身进行深入的分析。性能综合评估主要包括２个部分一：一是需考虑其自身特点选取合理的评价指标，建立一个完整的评价体系；二是评估方法与算法。为实现
高超声速毡行器制导与控制性能评估验证，构建
仿真验证系统体系结构，需搭建高保真度的高超
声速飞行器制导控制性能评估验证平台，图５给出了高超声速飞行器制导控制性能评估平台的总
体框架。
该平台涵盖弹道设计、制导与控制策略验证、
三／六自由度仿真验证、模拟打靶、测试算例自动
生成等功能，通过自动进行单偏差或蒙特卡洛仿
真，能够自动进行试验数据的存储、统计和分析。
通过对实时仿真结果进行在线判读，进行异常提
示、处理，集成仿真验证评价标准，完成多个制导姿控方案的验证、比较及优化。该平台可以为各种制导与姿态控制理论及方法的有效性和可行性提供验证，为高超声速飞行器制导姿控方案设计提供重要的依据。
５结束语
在探讨高超声速飞行器制导与姿控可能的性能指标与约束要求的基础上，建立了较为完整的制导与姿控性能评价指标体系。基于层次分析的思想，
１２・
航天控制
２０１２年
评价指标体系
Ｉ制导学杖指标Ｉ
姿挡考棱ｊ静怀
ｌ
交联指标
ｌ
一一窿ｉ磊旦图５制导控制性能评估平台总体框架
｝．．—一
提出了一套简单可行的高超声速飞行器制导与控制［５］
Ａ
ｓａｒａｆ，Ｊ
ＡＬｅａＶｉｔｔ，Ｄ，’ｆ
ｃｈｅｎ・ａｎｄＫ・Ｄ・Ｍｅａｓｅ・
性能评估方法，构建了性能评估平台总体框架，为后ｏｅｓｉｇｎ
ａｎｄＥＶａｌｕａｔｉｏｎｏｆａｎ
Ａｃｃｅｌｅｍｔ；ｏｎ
Ｇｕｉｄａｎｃｅ¨｝续高超声速飞行器制导与控制方法的评估提供了重ｇｏ‘汕”ｋ８“时［Ｊ］Ｊ。““８１。‘８ｐ８。“蚰“８８。。ｏ’
要的方法与工具。通过对高超声速飞行器制导与姿・
。。８，２００４，４１（６）：９８６４９６。
．
设计提供指导性建议和决策依据，从而能够确保所
控方法进行性能评估，可以为高超声速飞行器工程¨１：罴。：。：：：暑。＾：＝等三。裟：ｉｎｇＲ＃Ｔｈ。２４ｔｈ
Ａ…ｉＩＡＡｓ
Ｇ。ｉｄ。。。。：。ｄ：。ｎｆｒ。ｌｃ：二＋
采用的制导与姿态控制方案及所采用的设计方法能
。。。。，Ｂ。。ｋ。。ｄｄ＂．ｃｏ，Ｊ。。３ｌ—Ｆ。ｂ４，２００１：３０＿４１．
够充分发挥高超声速飞行器的性能。
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Ｍ
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Ｒ
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Ｒ
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ｗ８‘。ｄｏｎｇ，ＹＡＮＧ啪－ＢＩ
Ｙｉ‘ｍ峙Ａ
２００７＿６４２４．２００７．
０ｄ‘。Ｅｖａｌ“８‘。‘ｈ。Ｄ。’８ｌｏｐ巾８“‘Ｐ１ａｎｏｆ
Ｍｉ８８ｉｌｅ［Ｊ］Ｆｉｒｅ
高超声速飞行器制导与控制性能评估方法
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
马卫华， MA Weihua
北京航天自动控制研究所,北京,100854航天控制
Aerospace Control2012,30(4)1次
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引用本文格式：马卫华. MA Weihua 高超声速飞行器制导与控制性能评估方法[期刊论文]-航天控制 2012(4)