3. 边界工况验证的指标体系

边界工况验证的难点不在于“跑一次仿真”，而在于把“任务成功”翻译成一组可测量、可判定、可追溯的指标。若指标定义模糊，验证结论就会退化为“曲线看起来还行”。本节围绕稳定性、精度、鲁棒性、收敛性、时间响应五类指标，说明它们的物理含义、典型量化方式，以及如何与任务成功准则建立映射关系。

一、五类指标的定位与量化口径

稳定性关注系统在边界扰动下是否保持有界、不发散。对姿态控制系统，常用判据包括：闭环极点实部为负、相位裕度不小于 30°、幅值裕度不小于 6 dB；对非线性或时变系统，则用李雅普诺夫函数或状态范数上界判断。工程上更直接的做法是观察边界工况下姿态角速度是否持续增长，例如设定“角速度峰值不超过 5 °/s 且 60 s 内不出现单调增长”。

精度描述稳态或准稳态下输出与期望的偏差。姿态指向精度常用三轴指向误差的均方根或最大值表示，例如“稳态指向误差 ≤ 0.05°（3σ）”；轨道控制中则用位置误差、速度误差或半长轴偏差表示。精度指标必须绑定参考系与统计口径，否则不同试验之间不可比。

鲁棒性衡量系统在参数摄动、模型不确定性、外部干扰下的性能保持能力。典型做法是设定摄动边界：转动惯量 ±10%、执行机构效率下降 20%、气动扰动力矩加倍，观察精度与稳定性指标是否仍满足要求。鲁棒性指标通常写成“在给定摄动集合内，指标退化不超过 X%”。

收敛性针对迭代算法、滤波器和优化求解器，关注其是否在有限时间内收敛到容许邻域。例如卡尔曼滤波用新息协方差是否收敛、估计误差是否进入 3σ 包络；数值求解器用残差范数是否在最大迭代步数内低于阈值。收敛性指标应包含收敛时间与收敛精度两个维度。

时间响应描述系统对指令或扰动的动态过程，包括上升时间、超调量、调节时间、带宽和延迟。边界工况下，时间响应往往被拉长或出现振荡，因此需要单独设定上限，例如“姿态机动 30° 的调节时间 ≤ 20 s，超调 ≤ 5%”。

二、指标与任务成功准则的映射

任务成功准则通常来自任务书或总体指标，例如“完成对地定向并保持 30 min”“在轨自主完成目标捕获”。这些准则本身不可直接测量，需要逐层分解为可观测指标。映射的基本逻辑是：任务阶段 → 关键能力 → 验证指标 → 判定阈值 → 数据来源。

以“对地定向保持”为例，其成功准则可分解为：姿态指向精度、姿态稳定度、控制力矩不饱和、敏感器不失效。对应指标分别为指向误差 ≤ 0.05°、角速度 ≤ 0.01 °/s、反作用飞轮转速余量 ≥ 20%、星敏感器有效数据率 ≥ 95%。每个指标都对应明确的判定阈值和测量点，形成可执行的验证条目。

映射关系不是一对一的。一个任务准则可能对应多个指标，一个指标也可能服务多个准则。例如“收敛性”既服务于滤波器初始化，也服务于自主导航的快速恢复。因此建议建立指标—准则矩阵，明确每个指标的归属、权重和否决属性。若某指标为否决项，则一旦超限即判定该边界工况失败，不再进入后续评估。

三、边界工况下的指标退化与判读

边界工况的典型特征是“指标同时逼近阈值”。例如大角速度机动叠加低剩余飞轮转速时，时间响应可能仍满足调节时间，但超调量增大、稳定度变差。此时不能只看单一指标，而应观察指标之间的耦合关系。

实际判读时，建议按以下顺序检查：先看稳定性是否被破坏（发散、极限环、饱和振荡），再看收敛性是否失效（残差停滞、新息发散），然后看精度与时间响应是否超限，最后看鲁棒性边界是否被突破。这个顺序的原因是：稳定性与收敛性属于“门禁指标”，一旦不满足，后续精度和时间响应数据不再具有工程意义。

下面用一张指标—准则映射关系图，把五类指标、典型量化参数、任务成功准则和判定逻辑放在同一视图中，便于在验证大纲中直接引用。

四、建立可执行指标体系的三个要点

第一，阈值必须带工况标签。同一个精度指标在稳态对地定向和快速机动下的要求不同。建议写成“工况 + 指标 + 阈值 + 持续时间”的四元组，例如“大角速度机动工况，指向误差 ≤ 0.1°，持续 5 s”。

第二，区分否决项与加权项。稳定性、收敛性通常设为否决项；精度、时间响应、鲁棒性可加权评分。这样在边界工况下，即使性能指标略有退化，只要门禁指标通过，仍可判定为“有条件成功”，并给出改进方向。

第三，保留原始数据链。每个指标都应能追溯到具体遥测通道、仿真输出文件或试验记录。建议在验证报告中为每个指标附上数据文件编号、采样率、处理脚本版本。缺少数据链的指标，在评审中只能作为参考，不能作为判定依据。

把上述五类指标、映射关系和判定顺序固化到验证大纲后，边界工况验证就从“看曲线”变成了“查条目”。每个条目都有明确的输入、阈值、数据源和判定结论，任务成功准则也因此具备了可追溯、可复核的工程含义。