人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證*

人控交會(huì)對(duì)接依靠航天員觀察人控交會(huì)對(duì)接圖像判斷追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過對(duì)人控位置手柄和姿態(tài)手柄的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器軌道和姿態(tài)的精確控制，是一項(xiàng)理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上極其復(fù)雜的尖端技術(shù).神舟九號(hào)飛船人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為確保神舟九號(hào)飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器首次在軌人控交會(huì)對(duì)接任務(wù)順利完成，在地面利用半物理仿真試驗(yàn)對(duì)人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)進(jìn)行大量逼近實(shí)際飛行狀態(tài)的仿真驗(yàn)證十分必要.

本文以人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)需求為背景，提出了可對(duì)人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)單機(jī)敏感器性能和控制律設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證的人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，給出了利用該設(shè)計(jì)方法對(duì)神舟九號(hào)飛船人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證結(jié)果.

1 人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真系統(tǒng)概況

人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)按照模擬航天器在軌物理運(yùn)動(dòng)過程的途徑分為2種：一種利用轉(zhuǎn)臺(tái)模擬航天器物理運(yùn)動(dòng)過程；另一種利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬航天器物理運(yùn)動(dòng)過程.

第一種人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)可將人控電視攝像機(jī)和激光雷達(dá)等關(guān)鍵船載測(cè)量敏感器通過轉(zhuǎn)臺(tái)搭載接入仿真回路.轉(zhuǎn)臺(tái)模擬追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接物理運(yùn)動(dòng)過程中，不僅能夠?qū)θ丝貑螜C(jī)敏感器性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，還可對(duì)人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證.美國和歐空局等國家和航天組織建立了多種半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)人控交會(huì)對(duì)接技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，典型應(yīng)用如美國NASA約翰遜空間中心設(shè)計(jì)研制的具有12個(gè)自由度的航天飛機(jī)與空間站實(shí)時(shí)停靠仿真試驗(yàn)系統(tǒng)[1]和歐空局在德國空間運(yùn)行中心建立的可用于人控交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)的EPOS靠攏段九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)[2-4].

第二種人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在數(shù)學(xué)仿真基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接物理運(yùn)動(dòng)過程.此種人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真系統(tǒng)可選擇性的將航天員座椅、人控位置手柄、人控姿態(tài)手柄和儀表指令系統(tǒng)等與航天員人控操作直接相關(guān)的船載部件接入仿真回路，由于缺乏對(duì)實(shí)際人控交會(huì)對(duì)接測(cè)量、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制完整回路的模擬，多應(yīng)用于人控交會(huì)對(duì)接前期方案論證、航天員人控操作培訓(xùn)和人機(jī)工效方面的研究[5-8].

本文提出的人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上利用轉(zhuǎn)臺(tái)模擬追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接物理運(yùn)動(dòng)過程，針對(duì)人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)的單機(jī)敏感器性能和控制律設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證.

2 人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上利用九自由度運(yùn)動(dòng)模擬器模擬追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接的12個(gè)自由度物理運(yùn)動(dòng)過程.如圖1所示，九自由度運(yùn)動(dòng)模擬器由三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)(簡(jiǎn)稱三軸轉(zhuǎn)臺(tái))和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)(簡(jiǎn)稱六軸轉(zhuǎn)臺(tái))構(gòu)成.三軸轉(zhuǎn)臺(tái)為1個(gè)固定在地面具有3個(gè)姿態(tài)自由度的立式高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，用于模擬目標(biāo)航天器在軌三軸絕對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng).六軸轉(zhuǎn)臺(tái)為1個(gè)具有3個(gè)姿態(tài)自由度和3個(gè)位置自由度的立式高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，用于模擬追蹤航天器在軌三軸絕對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌三軸相對(duì)位置運(yùn)動(dòng).三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)在驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)控制下，可連續(xù)對(duì)追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接物理運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行逼真模擬.

人控電視攝像機(jī)、人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)、激光雷達(dá)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)、人控圖像顯示器、人控控制計(jì)算機(jī)、人控位置手柄和姿態(tài)手柄作為人控交會(huì)對(duì)接關(guān)鍵船載部件接入仿真回路，其中人控電視攝像機(jī)和激光雷達(dá)安裝在六軸轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載面上，人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)和激光雷達(dá)合作目標(biāo)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載面上.船載常規(guī)敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)采用數(shù)學(xué)模型，與轉(zhuǎn)臺(tái)控制模型共同置于仿真計(jì)算機(jī)中.激光雷達(dá)、人控電視攝像機(jī)、人控控制計(jì)算機(jī)、人控圖像顯示器、人控位置手柄和姿態(tài)手柄之間使用電纜連接，硬件接口、通信協(xié)議和時(shí)延與人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)狀態(tài)一致.人控控制計(jì)算機(jī)通過地面接口模擬器與人控指令模擬器、仿真計(jì)算機(jī)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器相互通信.試驗(yàn)過程中生成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器中.人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備連接關(guān)系如圖2所示.

圖1 九自由度運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)設(shè)備連接設(shè)計(jì)圖

2.2 試驗(yàn)原理

人控電視攝像機(jī)和激光雷達(dá)等船載部件加電進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，仿真計(jì)算機(jī)依據(jù)試驗(yàn)初始給定的追蹤航天器與目標(biāo)航天器在人控交會(huì)對(duì)接控制坐標(biāo)系下的相對(duì)狀態(tài)，解算試驗(yàn)起始時(shí)刻三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)的初始化數(shù)據(jù).三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)在仿真計(jì)算機(jī)同時(shí)控制下運(yùn)動(dòng)到試驗(yàn)初始化狀態(tài)過程中，實(shí)時(shí)將運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)返回仿真計(jì)算機(jī)，試驗(yàn)人員按照人控交會(huì)對(duì)接飛行程序操作人控指令模擬器進(jìn)入人控監(jiān)視模式.仿真計(jì)算機(jī)判斷三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)到達(dá)試驗(yàn)初始化狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型開始解算，試驗(yàn)人員將人控監(jiān)視模式切換為人控交會(huì)對(duì)接模式，試驗(yàn)正式開始.

試驗(yàn)過程中，人控控制計(jì)算機(jī)在采樣周期內(nèi)分別接收激光雷達(dá)對(duì)激光雷達(dá)合作目標(biāo)的測(cè)量信息，仿真計(jì)算機(jī)依據(jù)動(dòng)力學(xué)解算數(shù)據(jù)生成的常規(guī)敏感器測(cè)量信息，試驗(yàn)人員對(duì)人控指令模擬器、人控位置手柄和姿態(tài)手柄操作產(chǎn)生的人控指令和手柄電壓信號(hào)，解算人控圖像疊加數(shù)據(jù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令.仿真計(jì)算機(jī)通過地面接口模擬器接收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)指令，解算追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)變化，生成常規(guī)敏感器測(cè)量信息和轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù).常規(guī)敏感器測(cè)量信息通過地面接口模擬器回傳給人控控制計(jì)算機(jī).三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)在驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行連續(xù)模擬運(yùn)動(dòng).人控圖像顯示器接收人控電視攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的圖像和人控圖像疊加數(shù)據(jù)，合成人控交會(huì)對(duì)接圖像顯示在屏幕上.試驗(yàn)人員依據(jù)該圖像判斷三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬的追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過對(duì)人控指令模擬器、人控位置手柄和姿態(tài)手柄的操作完成人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn).

仿真計(jì)算機(jī)依據(jù)動(dòng)力學(xué)解算數(shù)據(jù)判斷追蹤航天器對(duì)接機(jī)構(gòu)與目標(biāo)航天器對(duì)接機(jī)構(gòu)相互接觸時(shí)，停止動(dòng)力學(xué)解算，控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)減速運(yùn)動(dòng)直至靜止，試驗(yàn)結(jié)束.試驗(yàn)數(shù)據(jù)服務(wù)器中存儲(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)的單機(jī)敏感器性能和控制律設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證的依據(jù).

3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

由圖2可知，人控交會(huì)對(duì)接實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)鍵船載部件引入人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)仿真回路，保障了仿真系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)、人控控制解算、人控圖像和人控操作與人控交會(huì)對(duì)接實(shí)際工程狀態(tài)的一致性.執(zhí)行機(jī)構(gòu)，航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和轉(zhuǎn)臺(tái)控制模型采用數(shù)學(xué)模型，其對(duì)被控航天器被控物理過程模擬的逼真性將決定人控九自由度半物理仿真試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的真實(shí)性和有效性，也是人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上需要解決的關(guān)鍵技術(shù).

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型包括姿控和軌控2類發(fā)動(dòng)機(jī)模型，用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)人控控制解算數(shù)據(jù)進(jìn)行開啟和關(guān)閉工作狀態(tài)的模擬，設(shè)計(jì)如下：

Fatti(t)=F0atti[I(t)-I(t-T)]

(1)

Fobt(t)=(1+δ)Fobt

(2)

式中，F(xiàn)atti(t)表示姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出，F(xiàn)0atti(t)表示姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱推力，I(·)表示階躍函數(shù)，T為噴氣指令脈沖的時(shí)間寬度，F(xiàn)obt(t)表示軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出，F(xiàn)obt表示軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱推力，δ為軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的推力控制精度.

姿控和軌控發(fā)動(dòng)機(jī)模型在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)開啟和關(guān)閉延遲的影響.

3.2 航天器軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)

航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型用于對(duì)被控航天器響應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型解算數(shù)據(jù)在軌飛行狀態(tài)的模擬解算，設(shè)計(jì)如下：

(3)

(4)

式(3)中，μ表示地心引力常數(shù)，r表示航天器地心矢量，右邊第一項(xiàng)為地球中心引力加速度，第二項(xiàng)Fu為航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的控制力，第三項(xiàng)Fε為其他外部攝動(dòng)力.式(4)中，Ib為航天器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量陣，ω為航天器在慣性空間下的姿態(tài)角速度矢量，Tc為噴氣力矩，Td為氣動(dòng)力矩、重力梯度力矩和太陽輻射力矩等.

航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需考慮帆板對(duì)姿態(tài)控制的耦合影響.

3.3 轉(zhuǎn)臺(tái)控制模型設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)控制模型用于依據(jù)航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)解算數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)各自絕對(duì)控制量，利用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和六軸轉(zhuǎn)臺(tái)逼真模擬追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接的物理運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)計(jì)如下：

依據(jù)試驗(yàn)工況確定三軸轉(zhuǎn)臺(tái)3個(gè)姿態(tài)轉(zhuǎn)角的絕對(duì)控制量為φ1、θ1和ψ1，利用人控船載設(shè)備的安裝標(biāo)定數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定數(shù)據(jù)，計(jì)算得到目標(biāo)航天器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系與六軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制坐標(biāo)系之間的方向余弦陣C01和位置關(guān)系A(chǔ)01=[x01,y01,z01]T.

設(shè)航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)解算的目標(biāo)航天器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系與追蹤航天器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系之間的方向余弦陣為C21，位置關(guān)系為A21=[x21,y21,z21]T，則

(5)

A02=A01+C01A21

(6)

由式(5)和式(6)，可得到六軸轉(zhuǎn)臺(tái)的3個(gè)姿態(tài)轉(zhuǎn)角絕對(duì)控制量為C02對(duì)應(yīng)的3個(gè)姿態(tài)角φ2、θ2和ψ2，3個(gè)位置絕對(duì)控制量為A02=[x02,y02,z02]T對(duì)應(yīng)的3個(gè)位置量.

轉(zhuǎn)臺(tái)控制模型在以上設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，需考慮六軸轉(zhuǎn)臺(tái)的位置Y軸和位置Z軸運(yùn)動(dòng)范圍受限對(duì)人控九自由度半物理仿真試驗(yàn)測(cè)試覆蓋性的影響.

4 仿真驗(yàn)證

神舟九號(hào)飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器首次在軌人控交會(huì)對(duì)接前，利用本文提出的人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了仿真試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)神舟九號(hào)飛船人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，為神舟九號(hào)飛船首次人控交會(huì)對(duì)接的圓滿成功奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).圖3～6為一組典型工況人控交會(huì)對(duì)接相對(duì)位置、相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)姿態(tài)角速度的仿真驗(yàn)證結(jié)果.圖7為人控電視攝像機(jī)實(shí)時(shí)圖像.

圖3 相對(duì)位置曲線

圖7 人控電視攝像機(jī)圖像

5 結(jié) 論

人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上利用轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)追蹤航天器與目標(biāo)航天器在軌近距離交會(huì)對(duì)接物理運(yùn)動(dòng)的模擬，關(guān)鍵人控船載部件接入仿真回路，常規(guī)船載敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及航天器軌道、姿態(tài)動(dòng)力學(xué)采用數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了與人控交會(huì)對(duì)接實(shí)際工程狀態(tài)一致的信息流程.人控交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在神舟九號(hào)飛船人控交會(huì)對(duì)接控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證過程中得到了實(shí)際應(yīng)用和有效驗(yàn)證，工程實(shí)踐結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法正確.該設(shè)計(jì)還可應(yīng)用于人控遙操作等其他人控交會(huì)對(duì)接領(lǐng)域內(nèi)的仿真驗(yàn)證，具有廣闊的應(yīng)用前景.

參 考 文 獻(xiàn)

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