軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖后效沖量快速算法的研究及應(yīng)用

張 偉，陳 鋒，馬軍強(qiáng)，劉 帥

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074）

0 引言

軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)常用于星、箭等航天器或?qū)椀木_飛行彈道控制、軌道修正、姿態(tài)控制及機(jī)動(dòng)目的。脈沖工作模式是實(shí)現(xiàn)精確軌道修正或精確姿態(tài)的基本方法。后效沖量是從發(fā)出關(guān)機(jī)指令開(kāi)始，到燃燒室壓力 (簡(jiǎn)稱(chēng)燃?jí)?或推力下降到零這段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的沖量 (分別稱(chēng)為燃?jí)汉笮_量和推力后效沖量)。脈沖工作模式下的后效沖量值直接影響導(dǎo)彈的命中精度或衛(wèi)星的入軌精度。快速而準(zhǔn)確地計(jì)算出地面高空模擬試驗(yàn)中各種脈沖寬度下的后效沖量值及散布，對(duì)于評(píng)價(jià)軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作性能和設(shè)計(jì)空中點(diǎn)火程序具有重要意義。

軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)研制和鑒定過(guò)程中不可缺少的工作環(huán)節(jié)，它為評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供大量可靠數(shù)據(jù)。目前液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)通常采用Pacific6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量。由于軌/姿控試驗(yàn)的特殊性，一次試驗(yàn)將產(chǎn)生4～20 GB的二進(jìn)制原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理時(shí)間很長(zhǎng)。雖然國(guó)內(nèi)引進(jìn)多套Pacific6000用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，但對(duì)大量脈沖數(shù)據(jù)如何快速連續(xù)按條件分段計(jì)算的研究未見(jiàn)報(bào)道。本文以后效沖量的連續(xù)計(jì)算過(guò)程為研究對(duì)象，將網(wǎng)絡(luò)腳本語(yǔ)言的解釋執(zhí)行思想引入處理過(guò)程，提出了數(shù)據(jù)流式算法，能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖程序中所有脈沖后效沖量的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的工程軟件在試驗(yàn)中使用，時(shí)效性能顯著。隨著液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)量將逐漸增長(zhǎng)，此快速技術(shù)具有良好的工程應(yīng)用意義。

1 后效沖量計(jì)算要求

算法過(guò)程以燃?jí)汉笮_量的計(jì)算為例進(jìn)行說(shuō)明。燃?jí)汉笮_量定義為燃?jí)簩?duì)時(shí)間的積分歷程。控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)機(jī)指令后，發(fā)動(dòng)機(jī)按照程序關(guān)機(jī)，由于各種因素，推進(jìn)劑主閥關(guān)閉后，燃?jí)汉屯屏σ?jīng)過(guò)一段時(shí)間后才下降到零，此過(guò)程中燃?jí)旱乃p特性如示意圖1所示。

圖1 關(guān)機(jī)過(guò)程燃?jí)核p特性示意圖Fig.1 Attenuation curve of pcduring shutdown process

燃?jí)汉笮_量的解析表達(dá)式：

式中：Iaft為沖量，N·s；ts為關(guān)機(jī)指令發(fā)出時(shí)刻，s；tt為燃?jí)簽榱銜r(shí)刻，s；At為發(fā)動(dòng)機(jī)喉部面積，常量，m2；pc為燃燒室壓強(qiáng)，MPa。

燃?jí)汉笮_量計(jì)算的基本要求：運(yùn)用公式（1）計(jì)算一個(gè)脈沖程序中所有脈沖點(diǎn)火對(duì)應(yīng)的燃?jí)汉笮_量，并給出同等脈沖寬度下燃?jí)汉笮_量的數(shù)學(xué)期望及方差。積分時(shí)間起點(diǎn)為關(guān)機(jī)指令發(fā)出時(shí)刻；積分終點(diǎn)為燃?jí)航抵翞榱銜r(shí)刻，當(dāng)燃?jí)荷形唇禐榱愣罄m(xù)脈沖點(diǎn)火已經(jīng)開(kāi)始時(shí)，積分終點(diǎn)為后續(xù)脈沖開(kāi)機(jī)時(shí)刻；定義開(kāi)機(jī)時(shí)刻為閥電流上升到額定值70%的時(shí)刻，定義關(guān)機(jī)時(shí)刻為閥電流降低到額定值70%的時(shí)刻。

2 高空模擬試驗(yàn)特點(diǎn)及Pacific6000簡(jiǎn)介

2.1 軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)特點(diǎn)

為考核軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖工作性能和得到各種脈沖工況下的后效沖量，需要進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)。高空模擬試驗(yàn)技術(shù)非常復(fù)雜，除具有一般液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的特點(diǎn)外（過(guò)程不可逆，成本費(fèi)用高，具高度危險(xiǎn)性，測(cè)量參數(shù)多且精度高等），還具有其獨(dú)有特點(diǎn)，如工藝系統(tǒng)復(fù)雜，試驗(yàn)工況復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及關(guān)閉頻繁，數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理要求多，復(fù)雜度高且工作量大等。

2.2 Pacific6000原理及數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)

Pacific6000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和制造上有獨(dú)到之處，它抗干擾能力強(qiáng)、精度高且可靈活組裝和擴(kuò)展，適合于遠(yuǎn)距離小信號(hào)測(cè)量，已作為一種標(biāo)準(zhǔn)儀器被廣泛使用。其數(shù)據(jù)采集原理如下：不同類(lèi)型傳感器的輸出信號(hào)被送入模擬量 (數(shù)字量)通道模板后，被放大、濾波、采樣/保持，在經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)被送入數(shù)字化數(shù)據(jù)選擇器 (Digital Data Selector,DDS)，經(jīng)DDS選擇后存入兩個(gè)并行緩存器FIFO和RING，再經(jīng)高速I(mǎi)EEE-488.2（PCI-GPIB） 接口送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行顯示、處理和存儲(chǔ)等。

理解原始數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)是進(jìn)行正確解碼的前提條件。Pacific6000單通道最高采樣率10 kS/s，通過(guò)軟件設(shè)置可以使不同通道以同樣或不同采樣率進(jìn)行采樣，配置每一個(gè)掃描通道設(shè)置 (增益、濾波、采樣率、激勵(lì)及公式等)的表格稱(chēng)為掃描表。Pacific6000按掃描表配置進(jìn)行通道數(shù)據(jù)的掃描、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。最終數(shù)據(jù)以Raw格式的二進(jìn)制文件形式存入計(jì)算機(jī)磁盤(pán)。

Raw格式文件由多個(gè)數(shù)據(jù)楨次序組成。每個(gè)數(shù)據(jù)楨包括一個(gè)16 bit的頭部和一組數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)楨的頭部保護(hù)Pacific6000的數(shù)據(jù)同步、報(bào)警和系統(tǒng)屏蔽位等信息。楨中的數(shù)據(jù)塊是掃描表中的通道在同一物理時(shí)刻的數(shù)字采樣值。楨中數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容和掃描表的設(shè)置直接相關(guān)。如果掃描表中所有通道的采樣速率設(shè)置都相同，如表1所示，則Raw文件所有數(shù)據(jù)楨中文件塊的格式類(lèi)似S97S98S99S100(Sn代表通道n在某個(gè)物理時(shí)刻的數(shù)字采樣值)；如果各個(gè)通道的采樣速率不同，則楨中數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容和采樣時(shí)刻相關(guān)。表1、表2和圖2為示例說(shuō)明。

表1 掃描表配置例1Tab.1 Scan list setup (demo 1)

表2 掃描表配置例2Tab.2 Scan list setup (demo 2)

圖2 按表1和表2生成的Raw文件格式Fig.2 Raw file format generated according to Tab.1 and Tab.2

3 當(dāng)前計(jì)算方式及優(yōu)缺點(diǎn)

由脈沖高模試驗(yàn)特點(diǎn)可知，在一個(gè)脈沖工作程序中，同寬度脈沖可能有數(shù)千個(gè)，總脈沖個(gè)數(shù)可能會(huì)有數(shù)萬(wàn)個(gè)（某些軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖壽命可達(dá)30多萬(wàn)次），而且此脈沖工作程序?qū)?yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)是可達(dá)數(shù)千兆字節(jié)的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)。當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要有兩種方式：①將原始數(shù)據(jù)文件一次性調(diào)入物理內(nèi)存，然后直接對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、D/A轉(zhuǎn)換、工程值計(jì)算及誤差修正等操作 (這種方法在時(shí)間上非常高效，但太依賴(lài)物理內(nèi)存大小，只適合于原始數(shù)據(jù)文件較小的情況）；②使用小緩存或不使用緩存，直接對(duì)硬盤(pán)上的文件進(jìn)行I/O操作，計(jì)算在CPU中完成（此方式不依賴(lài)物理內(nèi)存大小，但I(xiàn)/O操作頻繁，且依賴(lài)于CPU的處理速率，適合于大文件操作但效率不高）。

為快速實(shí)現(xiàn)脈沖后效沖量的計(jì)算，當(dāng)前計(jì)算手段為：取脈沖前段、中段和后段的若干個(gè)脈沖進(jìn)行逐個(gè)積分，然后再計(jì)算這些樣本點(diǎn)的數(shù)學(xué)期望與方差。此方法選取樣本點(diǎn)少，但是處理過(guò)程中人工參與較多，仍相對(duì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。從統(tǒng)計(jì)角度來(lái)看，以犧牲樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)和統(tǒng)計(jì)精度來(lái)?yè)Q取較快的統(tǒng)計(jì)速度，統(tǒng)計(jì)精度和統(tǒng)計(jì)速度之間的平衡難以把握，存在較大的處理方法缺陷。

4 數(shù)據(jù)流式處理算法

4.1 算法設(shè)計(jì)思想和流程

數(shù)據(jù)流式處理算法的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)腳本語(yǔ)言的設(shè)計(jì)思路。腳本語(yǔ)言的設(shè)計(jì)理念是邊解釋邊執(zhí)行，解釋完畢即執(zhí)行完畢，而不是傳統(tǒng)的類(lèi)似C和Java等高級(jí)語(yǔ)言先解釋編譯最后執(zhí)行。

圖3 脈沖程序燃?jí)汉笮_量快速算法主流程Fig.3 Main flow chart of fast algorithm for calculating pulse residual impulse in pulse working mode

數(shù)據(jù)流式處理算法的核心思想是將閥電流數(shù)據(jù)和燃?jí)簲?shù)據(jù)作為同步流失的兩個(gè)數(shù)據(jù)流，兩個(gè)數(shù)據(jù)流從硬盤(pán)上經(jīng)內(nèi)存經(jīng)CPU同步流失，流失完畢即同步處理完畢。為加快流失速率，使用頁(yè)面置換算法和大緩沖技術(shù)。為在流失的同時(shí)進(jìn)行處理，設(shè)置兩類(lèi)標(biāo)志開(kāi)關(guān)、脈沖信息器和沖量存放器。一類(lèi)開(kāi)關(guān)用于監(jiān)視閥電流數(shù)據(jù)，另一類(lèi)開(kāi)關(guān)用于監(jiān)視燃?jí)簲?shù)據(jù)；脈沖信息器記錄脈沖寬度及個(gè)數(shù)等信息；沖量存放器用于存放各脈沖對(duì)應(yīng)沖量積分結(jié)果。該算法充分結(jié)合了常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)避免了它們的缺陷。算法主流程如圖3所示。

算法的主要步驟是進(jìn)行一系列初始化工作后，將文件按合適大小 (依據(jù)內(nèi)存情況)分段載入內(nèi)存。

針對(duì)文件的一維操作轉(zhuǎn)化為針對(duì)文件分段（又稱(chēng)頁(yè)面）的二維操作；針對(duì)頁(yè)面進(jìn)行基本處理操作后將閥電流數(shù)據(jù)和燃?jí)簲?shù)據(jù)形成單獨(dú)的兩個(gè)同步數(shù)據(jù)流（可用下標(biāo)一致的兩個(gè)數(shù)組實(shí)現(xiàn)），當(dāng)閥電流開(kāi)機(jī)時(shí)，觸發(fā)脈沖信息器（脈沖信息器記錄脈寬及同脈寬的個(gè)數(shù)信息），當(dāng)閥電流關(guān)機(jī)時(shí)，一個(gè)脈沖信息統(tǒng)計(jì)完成，更新脈沖信息器，同時(shí)開(kāi)始一個(gè)沖量存放器的積分工作，當(dāng)閥電流再次開(kāi)機(jī)或燃?jí)簽榱銜r(shí)，該次脈沖積分終止，更新沖量存放器。按上述過(guò)程不斷流失，數(shù)據(jù)全部流失完畢后，全部脈沖信息存放在脈沖信息器中，全部脈沖對(duì)應(yīng)的沖量信息存放在沖量存放器中，將文件及內(nèi)存全部釋放后，針對(duì)脈沖信息器和沖量存放器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行同類(lèi)型脈沖的數(shù)學(xué)期望及方差計(jì)算，最后將結(jié)果打印輸出。

4.2 算法的時(shí)間復(fù)雜性分析

該算法充分體現(xiàn)了以空間換時(shí)間的思想，將針對(duì)磁盤(pán)文件的一維操作轉(zhuǎn)為針對(duì)磁盤(pán)和內(nèi)存的二維操作，并充分利用計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算特性，形成流式處理，算法優(yōu)化了大數(shù)據(jù)文件的I/O操作效率，技巧性地運(yùn)用監(jiān)視開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)后效沖量計(jì)算。從算法主流程圖中可以看出，算法的時(shí)間復(fù)雜性主要體現(xiàn)在對(duì)磁盤(pán)文件分段的I/O操作上。假設(shè)原始數(shù)據(jù)文件為2 GB，當(dāng)前可用物理內(nèi)存為1 GB。如果直接進(jìn)行磁盤(pán)操作，那么磁盤(pán)I/O和內(nèi)存I/O的次數(shù)各是2*1 024*1 024*1 024*1 024次，而本算法則需要進(jìn)行8次磁盤(pán)I/O，每次磁盤(pán)I/O對(duì)應(yīng)的內(nèi)存I/O為256*1 024*1 024*1 024；磁盤(pán)I/O花費(fèi)的時(shí)間主要是尋址時(shí)間，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)間相對(duì)于尋址時(shí)間可忽略不計(jì)，假設(shè)每次磁盤(pán)I/O時(shí)間為1 μs，每次內(nèi)存I/O時(shí)間為0.05 μs，則單純進(jìn)行一維磁盤(pán)I/O操作時(shí)間為2 210 s，而本算法的主要I/O操作時(shí)間為0.3 s；綜合考慮算法的CPU邏輯運(yùn)算時(shí)間及其他操作時(shí)間，本方法約為原方法的1/23。算法的時(shí)間效能明顯。

4.3 算法的軟件設(shè)計(jì)

在該算法具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要合理配置文件分段信息，需要在物理內(nèi)存分配和CPU處理速率之間有個(gè)平衡，把可用物理內(nèi)存全部利用起來(lái)并不一定能提高軟件效率，一般而言，分段文件大小為可用物理內(nèi)存的1/4時(shí)，軟件效率比較理想。因算法中有內(nèi)存分配和磁盤(pán)一次性讀寫(xiě)大量數(shù)據(jù)的操作要求，相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言必須提供這些操作的支持，典型語(yǔ)言有C、C++及Java等，在VC++6.0環(huán)境下，軟件主體設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖4。

圖4 軟件主體架構(gòu)Fig.4 Main architecture of software

4.4 應(yīng)用效果

該算法及軟件經(jīng)評(píng)審論證后，被用于軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中脈沖后效沖量的計(jì)算，經(jīng)多次試驗(yàn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該流式處理算法相較于舊有的處理手段，數(shù)據(jù)處理的時(shí)間性能有了很大提升，同臺(tái)計(jì)算機(jī)上同一操作員處理100個(gè)7 ms脈寬的脈沖，平均處理時(shí)間可由約36 min縮短到0.8 min，時(shí)效性能顯著。

5 結(jié)論

軌/姿控發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作程序下后效沖量的數(shù)據(jù)流式處理算法和相應(yīng)的工程軟件，在高空模擬試驗(yàn)中使用，表現(xiàn)出良好的效果，滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性要求，為及時(shí)分析和評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作性能提供了大量數(shù)據(jù)。

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