面向深空探測(cè)任務(wù)的飛控仿真與支持系統(tǒng)研究

袁 利，程 銘

（北京控制工程研究所，北京100190）

面向深空探測(cè)任務(wù)的飛控仿真與支持系統(tǒng)研究

袁 利，程 銘

（北京控制工程研究所，北京100190）

為確保深空探測(cè)航天器飛行控制準(zhǔn)確無(wú)誤，故障措施應(yīng)對(duì)及時(shí)，在進(jìn)行需求分析的基礎(chǔ)上，提出一種飛控仿真與支持系統(tǒng)的總體框架，給出系統(tǒng)工作流程，并總結(jié)出高精度軌道和姿態(tài)仿真、故障模擬與注入等5個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)，最后通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果和在軌飛行結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性并提出了展望.

航天器；飛控仿真與支持系統(tǒng)；深空探測(cè)

航天器工程是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在研制過(guò)程中，仿真不可或缺.根據(jù)仿真的不同特點(diǎn)，大致可分為方案設(shè)計(jì)仿真、系統(tǒng)性能驗(yàn)證仿真和故障對(duì)策仿真3種類型［1］.由于航天器在其飛行測(cè)控過(guò)程中的高風(fēng)險(xiǎn)，要求測(cè)控操作準(zhǔn)確無(wú)誤，故障措施應(yīng)對(duì)及時(shí).歐美的航天部門就特別注重衛(wèi)星模擬器和航天器飛行支持與控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，旨在加強(qiáng)地面仿真驗(yàn)證、飛行程序驗(yàn)證和人員的培訓(xùn)，支持航天器飛控任務(wù)操作［2-3］.

歐空局（ESA）廣泛應(yīng)用一種可配置的模擬器（框架）工具EuroSim，其主要功能是構(gòu)建可配置的模擬器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真.伽馬射線觀測(cè)器（GRO）的控制中心開(kāi)發(fā)了兩個(gè)工具——備用控制模式分析與應(yīng)用系統(tǒng)（BCAUS）和專家系統(tǒng)預(yù)報(bào)器（ESP），這是為確定星上控制系統(tǒng)模式故障切換原因而采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)診斷工具.BCAUS通過(guò)分析遙測(cè)值的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)開(kāi)始其診斷過(guò)程.ESA下屬的歐洲航天測(cè)控中心（ESOC）及歐洲空間研究和技術(shù)中心（ESTEC）以探測(cè)彗星內(nèi)核的科學(xué)衛(wèi)星ROSETTA任務(wù)為應(yīng)用背景定義了一種方法，即把為中央檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的結(jié)果再用于飛行控制系統(tǒng).后來(lái)，ESA的其他科學(xué)衛(wèi)星如火星快車（Mars Express）任務(wù)［4-6］也沿用了這種方法.通信鏈路專家輔助對(duì)策系統(tǒng)（CLEAR）是用于診斷宇宙背景探測(cè)者（COBE）與跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）間通信鏈路故障的專家系統(tǒng)，這是在戈達(dá)德空間飛行中心運(yùn)行的第一個(gè)實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)，它隔離了COBE飛行過(guò)程中發(fā)生的67個(gè)不同的故障，并可執(zhí)行故障診斷和分析.美國(guó)Integral Systems公司開(kāi)發(fā)的仿真支持系統(tǒng)EPOCH 2000配有趨勢(shì)分析軟件EPOCH ABE，可支持飛行任務(wù)測(cè)控操作.

執(zhí)行月球、火星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)的航天器不同于地球軌道航天器，其飛行距離極長(zhǎng)，環(huán)境未知性較強(qiáng)，飛行過(guò)程復(fù)雜，飛行風(fēng)險(xiǎn)大.比如月球探測(cè)［7］，要使航天器從環(huán)繞地球的飛行軌道轉(zhuǎn)移到環(huán)月飛行軌道，需經(jīng)歷多次復(fù)雜的軌道和姿態(tài)機(jī)動(dòng)，要求控制精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，往往具有控制窗口唯一的特點(diǎn)，因此這類航天器較常規(guī)地球衛(wèi)星有較大的飛行風(fēng)險(xiǎn).所以必須根據(jù)航天器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)飛行過(guò)程中的重大測(cè)控事件進(jìn)行地面仿真驗(yàn)證.中國(guó)已開(kāi)發(fā)了基于虛擬航天器技術(shù)的各種衛(wèi)星模擬器，并取得了較好的效果，但對(duì)航天器飛控仿真與支持系統(tǒng)的研發(fā)還處于探索階段.航天器飛控仿真與支持技術(shù)是一門綜合技術(shù)，匯集了航天器測(cè)控技術(shù)、仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，但是目前對(duì)其還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義和框架.本文以深空探測(cè)任務(wù)為對(duì)象，提出一種面向深空探測(cè)航天器的飛控仿真與支持系統(tǒng)總體方案，歸納和闡述了該系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)，最后以對(duì)比仿真結(jié)果和在軌飛行結(jié)果的方式給出應(yīng)用實(shí)例并針對(duì)后續(xù)研究進(jìn)行了展望.

1 系統(tǒng)定義與需求分析

在航天器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要進(jìn)行基于數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)方案驗(yàn)證和設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)選，控制算法用軟件實(shí)現(xiàn)后要進(jìn)行軟件的確認(rèn)測(cè)試，而航天器硬件產(chǎn)品通過(guò)驗(yàn)收測(cè)試后則要進(jìn)行系統(tǒng)集成，再進(jìn)行系統(tǒng)的功能和性能檢驗(yàn)測(cè)試.在飛控準(zhǔn)備階段，地面測(cè)控系統(tǒng)要利用衛(wèi)星模擬器替代真實(shí)衛(wèi)星進(jìn)行各分系統(tǒng)間接口的功能驗(yàn)證和測(cè)控人員的相關(guān)培訓(xùn).以往的航天器在其在軌飛行過(guò)程中，通常嚴(yán)格按照預(yù)定的飛控程序運(yùn)行，鮮有對(duì)飛控程序進(jìn)行再驗(yàn)證的情況；一旦發(fā)生故障，則需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間.由于深空探測(cè)航天器的飛行過(guò)程復(fù)雜，環(huán)境未知因素多，對(duì)測(cè)控操作的可靠性要求高，因此在整個(gè)飛控過(guò)程中需要及時(shí)而有效地進(jìn)行地面分析和驗(yàn)證.飛控仿真與支持系統(tǒng)就是以飛控事件的工作程序?yàn)楹诵?，針?duì)飛控任務(wù)的具體實(shí)施和靈活處理、在軌故障的快速分析和對(duì)策、控制參數(shù)和指令序列的正確制定而開(kāi)展仿真驗(yàn)證工作的地面支持系統(tǒng).

飛控仿真與支持系統(tǒng)的任務(wù)和應(yīng)用需求體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）任務(wù)前的準(zhǔn)備階段，針對(duì)發(fā)射前航天器的狀態(tài)，按照飛控程序進(jìn)行試驗(yàn)，保證飛控操作的正確性，事前對(duì)故障對(duì)策進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)飛控程序和故障對(duì)策.這也是對(duì)飛控程序的演練和對(duì)仿真與支持系統(tǒng)的驗(yàn)證；

2）任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，在執(zhí)行主要事件前，要結(jié)合最新遙測(cè)得到的航天器狀態(tài)檢驗(yàn)實(shí)施飛控的指令和參數(shù)是否正確，檢查模擬飛行狀態(tài)與預(yù)期目標(biāo)狀態(tài)是否一致，分析和判斷不一致性的原因，做到心中有數(shù)；

3）任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，在執(zhí)行事件完成后，分析事件的結(jié)果和后果，發(fā)現(xiàn)和定位問(wèn)題，特別是要分析影響軌控精度的原因，為執(zhí)行下次軌控事件提供修正措施；

4）根據(jù)需要，以真實(shí)的星上物理設(shè)備和真實(shí)的時(shí)序盡可能真實(shí)地模擬航天器在軌飛行過(guò)程中的某些特定狀態(tài)和事件，以獲取更充分的信息，通過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)全面檢查星上系統(tǒng)的狀態(tài)；

5）為測(cè)控人員提供必要的軟件支持工具，提高飛控的時(shí)效性和準(zhǔn)確性.

2 總體框架與工作流程

基于以上任務(wù)需求，提出一種面向深空探測(cè)航天器的飛控仿真與支持系統(tǒng)，如圖1所示，它由以下4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成.

（1）數(shù)字快速仿真子系統(tǒng)

這是實(shí)現(xiàn)飛行控制仿真驗(yàn)證的前端部分.該子系統(tǒng)利用全數(shù)字環(huán)境，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)與軌道動(dòng)力學(xué)，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制及有關(guān)分系統(tǒng)的模擬，通過(guò)對(duì)外部接口的模擬實(shí)現(xiàn)外部事件驅(qū)動(dòng).它可以對(duì)航天器真實(shí)飛行狀態(tài)或假想飛行狀態(tài)進(jìn)行快速仿真，模擬航天器的姿態(tài)及所受的空間力學(xué)環(huán)境干擾和各種控制模式，以達(dá)到事件預(yù)測(cè)和事后分析的目的.借助該子系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行軌控策略復(fù)核和故障對(duì)策驗(yàn)證.

（2）控制器實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)

它采用真實(shí)的星上控制器及控制軟件，利用地面高性能計(jì)算機(jī)模擬航天器動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立動(dòng)態(tài)的閉環(huán)系統(tǒng)，檢驗(yàn)或評(píng)估星上控制軟件的工作狀態(tài)和結(jié)果.控制軟件的工作狀態(tài)與航天器在軌飛行狀態(tài)在時(shí)序和指令鏈方面應(yīng)完全一致，這是實(shí)現(xiàn)飛行仿真驗(yàn)證的后端部分，它可以仿真驗(yàn)證與控制軟件相關(guān)的所有問(wèn)題，包括在軌維護(hù).

圖1 飛控仿真與支持系統(tǒng)框圖

（3）實(shí)物閉環(huán)仿真子系統(tǒng)

實(shí)物閉環(huán)仿真子系統(tǒng)采用半實(shí)物仿真環(huán)境，盡可能采用真實(shí)的星上軟、硬件產(chǎn)品.星上敏感器輸入采用數(shù)字信號(hào)激勵(lì)，星體動(dòng)力學(xué)由地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真和計(jì)算，形成閉路實(shí)時(shí)系統(tǒng).該仿真系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與航天器在軌飛行狀態(tài)在時(shí)序、指令鏈和部件協(xié)調(diào)性等方面完全一致，這是實(shí)現(xiàn)飛行仿真驗(yàn)證的核心部分，它可按1∶1的時(shí)序全方位模擬和重現(xiàn)星上狀態(tài).

（4）飛行數(shù)據(jù)分析軟件

飛行數(shù)據(jù)分析軟件以支持飛控任務(wù)為目標(biāo)，基于組合計(jì)算和相關(guān)性統(tǒng)計(jì)等方法，對(duì)航天器下行數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、分類和后處理，形成可供飛控人員和專家進(jìn)行快速分析和判斷的數(shù)據(jù)圖形界面和結(jié)果.

為確保飛控實(shí)施準(zhǔn)確無(wú)誤，飛控仿真與支持系統(tǒng)從構(gòu)成、使用和演示方法以及仿真范疇入手，實(shí)現(xiàn)全方位、多角度的仿真驗(yàn)證與支持.

飛行數(shù)據(jù)分析軟件從測(cè)控網(wǎng)接收航天器的在軌遙測(cè)原始數(shù)據(jù)，經(jīng)整理和分析后得出相關(guān)的信息和狀態(tài)，再將這些信息分發(fā)給數(shù)字快速仿真子系統(tǒng)、實(shí)物閉環(huán)仿真子系統(tǒng)和控制器實(shí)時(shí)仿真子系統(tǒng)，這3個(gè)子系統(tǒng)針對(duì)同一飛控策略和參數(shù)同時(shí)啟動(dòng)仿真過(guò)程，按時(shí)間順序先后提供仿真結(jié)果.根據(jù)3個(gè)子系統(tǒng)輸出的仿真結(jié)果，可從不同角度和層次驗(yàn)證飛控策略和參數(shù).此外，根據(jù)飛控任務(wù)實(shí)施的輕重緩急，可以在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)給出驗(yàn)證結(jié)果，作為現(xiàn)場(chǎng)決策的依據(jù).圖2表示利用飛控仿真與支持系統(tǒng)對(duì)航天器在Δt時(shí)間前在軌發(fā)生的意外現(xiàn)象和事件進(jìn)行仿真驗(yàn)證的基本工作流程示意圖.圖3表示利用飛控仿真與支持系統(tǒng)對(duì)航天器在Δt時(shí)間后將發(fā)生的事件進(jìn)行預(yù)示仿真驗(yàn)證的基本工作流程示意圖.

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）高精度軌道和姿態(tài)仿真技術(shù)

深空探測(cè)航天器在軌飛行復(fù)雜，要求高精度測(cè)控，同時(shí)面臨不確定的深空環(huán)境，飛行風(fēng)險(xiǎn)高.因此，在飛控仿真與支持系統(tǒng)中，要針對(duì)不同飛行階段建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型.建議用RKF7（8）方法，考慮高階攝動(dòng)，采用高精度軌道算法精確計(jì)算各個(gè)階段的軌道動(dòng)力學(xué)模型和軌控策略（包括應(yīng)急控制策略），復(fù)核測(cè)控系統(tǒng)擬實(shí)施的軌控參數(shù).此外，在飛控仿真與支持系統(tǒng)中必須考慮深空探測(cè)航天器姿態(tài)控制與軌道機(jī)動(dòng)相耦合的特點(diǎn).姿控推力器點(diǎn)火工作以及動(dòng)量輪的噴氣卸載都會(huì)對(duì)軌道產(chǎn)生影響，因此將姿態(tài)控制推力器工作時(shí)產(chǎn)生的干擾力矩實(shí)時(shí)引入軌道仿真中，可以有效提高軌道仿真的精度.大推力軌控發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的推力偏心也必然會(huì)影響姿態(tài)穩(wěn)定性，將星上軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的姿態(tài)擾動(dòng)力矩實(shí)時(shí)引入姿態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真中，就可更真實(shí)地仿真航天器軌道機(jī)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)運(yùn)動(dòng).采用姿態(tài)與軌道耦合仿真可以實(shí)現(xiàn)仿真狀態(tài)與在軌狀態(tài)的高度一致性.

（2）故障模擬與注入技術(shù)

由于深空探測(cè)航天器往往執(zhí)行探索性任務(wù)，技術(shù)新，環(huán)境不確知，因此飛行過(guò)程中出現(xiàn)意想不到的故障概率較大.為確保任務(wù)前飛控演練充分到位，對(duì)飛控過(guò)程中的故障模式應(yīng)對(duì)及時(shí)且準(zhǔn)確無(wú)誤，飛控仿真與支持系統(tǒng)必須具有完善的故障仿真功能和手段以及靈活的故障注入接口和完善的故障模型.在可實(shí)現(xiàn)的故障模型中，不僅要考慮硬件故障，還要通過(guò)引入廣義干擾模型考慮灰色故障，如光學(xué)敏感器受天體的雜光干擾的模型.可以根據(jù)仿真需要對(duì)各種擾動(dòng)進(jìn)行仿真.在故障注入手段方面，可通過(guò)設(shè)計(jì)故障注入模擬器以及采用工業(yè)組態(tài)軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障干擾在線注入和故障實(shí)時(shí)模擬的功能.

圖2 對(duì)Δt時(shí)間前在軌發(fā)生的意外現(xiàn)象和事件進(jìn)行仿真驗(yàn)證的基本流程示意圖

圖3 對(duì)Δt時(shí)間后將發(fā)生的事件進(jìn)行預(yù)示仿真驗(yàn)證的基本工作流程示意圖

（3）地面實(shí)物系統(tǒng)1∶1跟飛技術(shù)

在仿真環(huán)境中采用星上真實(shí)部件，并采用與在軌飛行系統(tǒng)1∶1比例的時(shí)間序列.地面仿真系統(tǒng)不僅要對(duì)飛行狀態(tài)進(jìn)行星-地同步運(yùn)行，還要對(duì)飛行事件進(jìn)行超前“預(yù)演”和滯后“復(fù)現(xiàn)”，使其仿真結(jié)果與飛行狀態(tài)具有高度的可對(duì)比性和直觀可視性.在對(duì)航天器的在軌模擬飛行中，地面實(shí)物系統(tǒng)以1∶1比例尺對(duì)在軌飛行狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間飛行任務(wù)模擬，這需要采用信息提取和注入方法，并設(shè)計(jì)跳時(shí)流程以實(shí)現(xiàn)飛行斷點(diǎn)狀態(tài)恢復(fù).還要采用分段仿真、跳時(shí)仿真、加速仿真等手段，并設(shè)計(jì)跳時(shí)時(shí)段與非跳時(shí)時(shí)段的姿態(tài)和軌道平滑銜接算法，使實(shí)時(shí)仿真與加速仿真無(wú)縫連接，這是實(shí)現(xiàn)航天器在軌飛行狀態(tài)預(yù)測(cè)、故障復(fù)現(xiàn)和定位的理想技術(shù)手段和方法.

（4）可視化仿真環(huán)境與演示技術(shù)

航天器在深空飛行過(guò)程中，其姿態(tài)與太陽(yáng)、地球和月球的幾何關(guān)系變化大，且天體運(yùn)動(dòng)對(duì)航天器的姿態(tài)和軌道運(yùn)動(dòng)有顯著影響.為了直觀地描述航天器的軌道、姿態(tài)及其與日-地-月的相互關(guān)系，特別是反映姿態(tài)控制和軌道機(jī)動(dòng)過(guò)程中的情景，需要將仿真計(jì)算的結(jié)果以三維可視化的形式顯示.一種可行的技術(shù)途徑是，集成開(kāi)發(fā)仿真系統(tǒng)中的各類專業(yè)軟件，以及仿真系統(tǒng)與三維圖形顯示軟件的通用數(shù)據(jù)接口，使仿真結(jié)果以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流或數(shù)據(jù)文件的形式驅(qū)動(dòng)三維圖形顯示工具，這樣可以實(shí)時(shí)顯示航天器的軌道、姿態(tài)及其空間環(huán)境的三維場(chǎng)景.采用通用的數(shù)據(jù)接口，實(shí)物仿真或數(shù)學(xué)仿真均可與三維圖形顯示工具對(duì)接，從而大大提高仿真過(guò)程和結(jié)果的可視化程度.

（5）在軌數(shù)據(jù)快速分析與評(píng)價(jià)技術(shù)

航天器在軌飛行時(shí)，地面唯一“可見(jiàn)”的就是航天器下傳的遙測(cè)數(shù)據(jù).開(kāi)發(fā)的飛行數(shù)據(jù)分析軟件、組合計(jì)算軟件等軟件包，對(duì)航天器下行數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)解包、分類和后處理，形成可供測(cè)控人員和專家進(jìn)行快速分析和判斷的數(shù)據(jù)界面和數(shù)據(jù)結(jié)果，如多種姿態(tài)敏感器數(shù)據(jù)相關(guān)性比較，航天器姿態(tài)與能源輸出的綜合分析，推進(jìn)系統(tǒng)的在軌實(shí)時(shí)標(biāo)定等.基于遙測(cè)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)航天器在軌狀態(tài)的快速分析，及時(shí)評(píng)價(jià)其運(yùn)行狀態(tài).在上述基礎(chǔ)上，可引入故障診斷專家系統(tǒng)，進(jìn)一步提高對(duì)航天器的在軌判斷和決策支持等能力.

4 在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星中的應(yīng)用

2007年11月中國(guó)研制的繞月探測(cè)衛(wèi)星嫦娥一號(hào)成功實(shí)現(xiàn)繞月飛行，成為了中國(guó)航天技術(shù)發(fā)展的第3個(gè)里程碑.在嫦娥一號(hào)實(shí)現(xiàn)奔月、繞月飛行過(guò)程中，本文研究的首個(gè)飛控仿真與支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能：

1）對(duì)7次變軌和奔月中途軌道修正等重大飛控事件的事前仿真驗(yàn)證.正確地預(yù)示了在軌控過(guò)程中將會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象和結(jié)果，大大降低了任務(wù)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)；

2）軌控策略的復(fù)核和復(fù)算.確保軌道控制精準(zhǔn)，將預(yù)先安排的3次中途軌道修正控制減少到一次，節(jié)省了推進(jìn)劑；

3）飛控實(shí)施指令和參數(shù)的檢驗(yàn).實(shí)現(xiàn)了飛控實(shí)施零差錯(cuò)；

4）飛行遙測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析.有效提高了飛控仿真過(guò)程和飛控準(zhǔn)備過(guò)程的效率和準(zhǔn)確性；

5）在軌測(cè)試階段飛行參數(shù)的地面驗(yàn)證.為長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了仿真驗(yàn)證基礎(chǔ).

以下列舉兩次具體應(yīng)用中的實(shí)例.

1）2008年8月18日嫦娥一號(hào)衛(wèi)星在經(jīng)歷月食后建立環(huán)月姿態(tài)，進(jìn)入環(huán)月模式.飛控仿真與支持系統(tǒng)對(duì)整個(gè)環(huán)月姿態(tài)的建立過(guò)程進(jìn)行了仿真.其中恒星定向時(shí)間、慣性調(diào)姿時(shí)間和環(huán)月定向時(shí)間3個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的仿真結(jié)果與實(shí)際飛行結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)表1.

表1 環(huán)月姿態(tài)建立過(guò)程的仿真與飛行情況的對(duì)比結(jié)果

可以看到，仿真結(jié)果很好地反映了關(guān)鍵飛行事件的時(shí)間點(diǎn)，誤差可以達(dá)到秒量級(jí).

2）2008年8月，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行了第3次軌道維持，使衛(wèi)星保持在200 km的使命軌道上.在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星第3次軌道維持之前，飛控仿真與支持系統(tǒng)對(duì)第3次軌道維持的控制策略和飛行參數(shù)進(jìn)行了全面仿真，部分典型參數(shù)的仿真結(jié)果與實(shí)際飛行結(jié)果對(duì)比情況如圖4～9所示.

圖4 姿態(tài)四元數(shù)仿真結(jié)果

從對(duì)比情況可以看出，仿真結(jié)果真實(shí)的反映了衛(wèi)星實(shí)際飛行狀態(tài)，控制策略和飛行參數(shù)得到了很好的驗(yàn)證.

圖5 姿態(tài)四元數(shù)在軌飛行結(jié)果

圖6 姿態(tài)角速度仿真結(jié)果

圖7 姿態(tài)角速度在軌飛行結(jié)果

圖8 點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)、速度增量仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

圖9 點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)、速度增量在軌飛行結(jié)果

中國(guó)航天器飛控仿真與支持技術(shù)研究及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)當(dāng)前還處于起步階段，面向深空探測(cè)任務(wù)的飛控仿真與支持系統(tǒng)技術(shù)在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星飛控過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，有力地推動(dòng)了中國(guó)在飛控仿真與支持技術(shù)方面的創(chuàng)新和探索，但是與歐美航天大國(guó)還有較大差距，特別是在總體框架設(shè)計(jì)、故障診斷技術(shù)的應(yīng)用、分布式交互仿真和操作靈活性等方面還有待進(jìn)一步研究和完善.通過(guò)對(duì)飛控仿真與支持技術(shù)的深入研究和不斷完善，必將使其在中國(guó)后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用.

［1］ 劉良棟.衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真技術(shù)［M］.北京：宇航出版社，2003

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Deep Space Exploration Mission-Oriented Flight Control Simu lation and Support System

YUAN Li，CHENG Ming
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

To ensure accurate and flaw less flight and timely actuation of failure-safety measures for deep space exp loration spacecrafts，a flight control simulation and support system is proposed.Based on the requirement analysis，a frame scheme diagram and a work flow chart are depicted.Five technical features including high accuracy attitude and orbit simulation，failure simulation and injection etc.are described.The effectiveness of the system is verified by comparing the simulation result and the result of in-orbit flying.Finally the prospect of further development is presented.

spacecraft；flight control simulation and support system；deep space exploration

V448.2

A

1674-1579（2009）06-0013-06

2008-12-10

袁 利（1974—），男，湖南人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教炱骺刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試（e-mail：yuanli＠spacechina.com）.