航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

胡海霞，湯 亮，石 恒，董文強(qiáng)

(1.北京控制工程研究所，北京100190; 2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

專家約稿

航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

胡海霞1，2，湯 亮1，2，石 恒1，2，董文強(qiáng)1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190; 2.空間智能控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

總結(jié)航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)現(xiàn)狀，給出控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真所需具備的4個(gè)能力:復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模、多學(xué)科協(xié)同仿真、高性能計(jì)算和數(shù)學(xué)仿真平臺(tái).對(duì)這四個(gè)方面未來的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望.

航天器;數(shù)學(xué)仿真;GNC系統(tǒng);發(fā)展研究

0 引言

航天器最顯著的特點(diǎn)是:復(fù)雜、昂貴、環(huán)境嚴(yán)酷，要求極高的成功率，任何疏忽都會(huì)產(chǎn)生不可挽回的嚴(yán)重后果.仿真試驗(yàn)在航天器研制中的重要地位不言而喻，貫穿航天器論證、設(shè)計(jì)、研制和在軌運(yùn)行的全壽命周期各個(gè)階段.正是仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，降低了研制成本，提高了航天器發(fā)射與運(yùn)行的可靠性，加快了航天技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程［1］.

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)作為航天器的核心分系統(tǒng)，是決定航天器任務(wù)成敗的關(guān)鍵之一.數(shù)學(xué)仿真技術(shù)在完成航天器GNC系統(tǒng)設(shè)計(jì)重任中發(fā)揮著不可或缺的作用，檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和控制算法是否滿足用戶提出的功能和技術(shù)指標(biāo)要求，以及在反復(fù)迭代和優(yōu)化過程中最終確定姿態(tài)軌道控制算法均離不開數(shù)學(xué)仿真技術(shù).

數(shù)學(xué)仿真技術(shù)水平主要體現(xiàn)在4個(gè)方面:a)復(fù)雜系統(tǒng)建模的能力:重點(diǎn)包括多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和仿真方法、航天器擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模及仿真、復(fù)雜撓性附件耦合建模及仿真等;b)多學(xué)科協(xié)同仿真的能力:航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真應(yīng)當(dāng)盡量完整地反映航天器不同層次、不同部件的多學(xué)科特性，在提高各子系統(tǒng)模型精度的基礎(chǔ)上，考慮系統(tǒng)非線性和時(shí)變特性的影響，最終實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間耦合的準(zhǔn)確、高效仿真.如液體晃動(dòng)的姿態(tài)控制閉環(huán)仿真、光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)集成建模仿真與綜合評(píng)估等;c)高性能計(jì)算能力:通過計(jì)算機(jī)集群等硬件環(huán)境和并行算法相關(guān)軟件完成復(fù)雜控制系統(tǒng)的快速仿真，將仿真任務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)分配至多個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算能力和效率的大幅提高;d)仿真平臺(tái)的能力:具備模型管理、方案設(shè)計(jì)、仿真程序自動(dòng)生成、仿真報(bào)告自動(dòng)生成的能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)任務(wù)的快速仿真驗(yàn)證.

1 航天器控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

隨著空間系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的仿真系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，仿真技術(shù)正在受到越來越多的重視.

一方面，MATLAB、SCT(spacecraft control toolbox)、STK(satellite toolkit)等通用仿真計(jì)算工具不斷拓展，廣泛應(yīng)用于航天器研制過程的理論分析和工程實(shí)施中.另一方面，美、俄、歐洲等的宇航部門和企業(yè)投入了大量資源用于航天器系統(tǒng)仿真技術(shù)方面的基礎(chǔ)性研究，所建立的仿真系統(tǒng)在航天器GNC系統(tǒng)研制的各個(gè)階段發(fā)揮著重要作用.美國(guó)NASA A-mes研究中心開發(fā)了為支持多任務(wù)平臺(tái)而設(shè)計(jì)的集成仿真工具M(jìn)SF［2］，用戶可以根據(jù)自己任務(wù)需求選擇適合的組件.MSF的特點(diǎn)包括:(1)提供不同水平自主性和可靠性的研發(fā)框架;(2)易于集成仿真中的自主模型和工具;(3)易于擴(kuò)展到多個(gè)機(jī)器人平臺(tái)及環(huán)境;(4)允許真實(shí)硬件與仿真組件互換;(5)采用了HLA(high level architecture)技術(shù)，支持分布式仿真［3］.

XMM-Newton任務(wù)是歐空局下一代科學(xué)研究項(xiàng)目的基石［4］.XMM任務(wù)的復(fù)雜性及其任務(wù)需求意味著所有接口與組件系統(tǒng)在集成前必須進(jìn)行測(cè)試，不但要保證航天器平臺(tái)正常工作，而且需要盡量增加有效的載荷觀測(cè)時(shí)間.XMM仿真系統(tǒng)GNC仿真特點(diǎn):(1)為不同觀測(cè)場(chǎng)景生成真實(shí)的仿真數(shù)據(jù); (2)通過不同載荷和組件的全物理描述完成仿真數(shù)據(jù)生成;(3)可以基于載荷成像的仿真分析，規(guī)劃、監(jiān)視和評(píng)估各分系統(tǒng)精度;(4)具備全部圖形用戶仿真界面.

伽利略系統(tǒng)仿真程序GSSF能再現(xiàn)伽利略航天器導(dǎo)航系統(tǒng)的功能和性能運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，支持伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)的定義、集成、確認(rèn)、驗(yàn)證及運(yùn)行的完整階段［5］.GSSF的仿真特點(diǎn)包括:(1)姿軌控與導(dǎo)航服務(wù)耦合仿真、聯(lián)合分析;(2)地面段控制策略-空間段自主運(yùn)行策略-環(huán)境模型聯(lián)合仿真;(3)兼顧考慮星座全周期構(gòu)型設(shè)計(jì)、在軌運(yùn)行維護(hù)的需求;(4)強(qiáng)大的導(dǎo)航數(shù)據(jù)模擬生成功能;(5)提供豐富的仿真和可視化接口.

針對(duì)編隊(duì)飛行，姿軌控耦合系統(tǒng)的控制存在的困難.NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開發(fā)了FAST平臺(tái)［6］以提供高可靠的工程仿真，其特點(diǎn)包括:(1)仿真系統(tǒng)可升級(jí)、可適應(yīng)、可配置，以匹配飛行器隊(duì)形組成的快速改變與演化，滿足不同可靠性要求; (2)可以專門研究編隊(duì)飛行航天器的同步、數(shù)據(jù)融合、星間通信、星間感知、編隊(duì)構(gòu)型魯棒性等問題; (3)具備多航天器并行仿真能力;(4)可以設(shè)計(jì)驗(yàn)證多航天器端到端的運(yùn)行狀況與編隊(duì)飛行精度.

EuroSim是荷蘭航天機(jī)構(gòu)研發(fā)的可配置仿真工具［7］，通過人在回路或者硬件在回路中的實(shí)時(shí)仿真，在可行性、工程化、樣機(jī)、轉(zhuǎn)移測(cè)試以及操作培訓(xùn)的每個(gè)階段都能發(fā)揮作用，具有以下特點(diǎn):(1)軟件移植性和替換性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)代碼實(shí)時(shí)、并行化運(yùn)行; (2)具有客戶/服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu);(3)支持動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)規(guī)劃仿真資源;(4)軟硬件接口豐富，也可以方便實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)仿真;(5)在UNIX和Wintel平臺(tái)上都能運(yùn)行.

總結(jié)多個(gè)國(guó)外實(shí)際案例，可以看出，當(dāng)前國(guó)外的數(shù)學(xué)仿真工具普遍具有跨平臺(tái)/跨語(yǔ)言支持、多學(xué)科協(xié)同、跨流程覆蓋、分布式/并行計(jì)算、實(shí)時(shí)/交互計(jì)算、代碼自動(dòng)生成、虛擬現(xiàn)實(shí)演示以及圖形化建模等技術(shù)特點(diǎn)，如表1所示.

表1 國(guó)外航天器GNC領(lǐng)域典型仿真工具的特點(diǎn)Tab.1 Recent spacecraft GNC simulation systems and their featuring techniques

綜上所述，近年來航天技術(shù)應(yīng)用需求迅速擴(kuò)展，航天器及其控制系統(tǒng)的狀態(tài)越來越復(fù)雜，仿真試驗(yàn)的范圍和深度迅速提升，航天器控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)方法也同時(shí)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步.未來的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在:1)在完善仿真模型的基礎(chǔ)上，滿足多工況、大規(guī)模、多學(xué)科、跨流程仿真分析的需要;2)基于富有彈性的綜合仿真系統(tǒng)框架，建立圍繞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成仿真和綜合評(píng)估環(huán)境;3)應(yīng)用高性能計(jì)算、協(xié)同互操作和動(dòng)態(tài)化調(diào)度等技術(shù)，支持分布式、跨平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證;4)按照規(guī)范化研制流程和現(xiàn)代工程管理方法，建立通用化數(shù)學(xué)仿真平臺(tái)，提升仿真技術(shù)集成以及質(zhì)量控制能力.

2 復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模技術(shù)

模型是實(shí)際系統(tǒng)與仿真試驗(yàn)之間的紐帶，隨著對(duì)仿真精度和全面性要求的提高，準(zhǔn)確、合理、規(guī)范的建模已成為仿真工作的基礎(chǔ)和必然要求.現(xiàn)代航天器規(guī)模正變得龐大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，往往帶有多個(gè)大型柔性附件、運(yùn)動(dòng)部件，同時(shí)具有多級(jí)控制和變結(jié)構(gòu)的特征.其動(dòng)力學(xué)特性的復(fù)雜性和高精高穩(wěn)、超靜平臺(tái)的要求是早期簡(jiǎn)單的航天器無法比擬的.在這樣的背景下，采用精細(xì)化模型的控制系統(tǒng)仿真是較為突出的需求之一.另外，通過有效的建模工作，采取適當(dāng)?shù)哪Ｐ妥兞?，有助于在提高仿真精度、保證數(shù)值穩(wěn)定和提高計(jì)算效率之間取得平衡.

2.1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

為了更為真實(shí)地模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，在多剛體系統(tǒng)建模理論已經(jīng)成熟的情況下，剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模成為了多體動(dòng)力學(xué)建模的重點(diǎn)，主要研究柔性體的變形與其大范圍空間運(yùn)動(dòng)之間的相互作用或相互耦合，以及這種耦合所導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)效應(yīng).

迅速而正確地建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，尤其是建立便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解的通用性較強(qiáng)的動(dòng)力學(xué)方程非常重要.多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模大致分為分析方法和矢量力學(xué)方法［8］，目前已形成了Kane方程、變分方法、旋盤矩陣方法及單向遞推組集方法等多種方法.上述方法成為廣泛應(yīng)用的航天器建模理論的同時(shí)，還促使人們更加重視對(duì)高效建模方法的研究.提高建模效率的方法包括［9］:(1)選取高效的描述變量;(2)計(jì)算量與系統(tǒng)自由度數(shù)成正比的建模方法，即O(n)算法;(3)基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)的組集系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程方法(ADAMS正是自動(dòng)組集方程的代表);(4)符號(hào)推導(dǎo)方法.

數(shù)值計(jì)算是建立和分析多體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的有效途徑.目前，流行的以多體動(dòng)力學(xué)為主要算法的CAE軟件有ADAMS、SIMPACK和RecurDyn等.根據(jù)自身任務(wù)需求特點(diǎn)，國(guó)外航空航天機(jī)構(gòu)也開發(fā)了專用的動(dòng)力學(xué)軟件，主要的動(dòng)力學(xué)軟件信息匯總?cè)绫?［9］.

表2 國(guó)外主要機(jī)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Tab.2 Multibody dynamics software developed bymain foreign research institutes

2.2 航天器擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜航天器甚高精度姿態(tài)控制指標(biāo)，航天器擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模非常重要.國(guó)外對(duì)星上微振動(dòng)擾動(dòng)已進(jìn)行了深入的研究，“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)在軌擾動(dòng)引起的顫振響應(yīng)頻率范圍包括0～10 Hz的低頻顫振和10～500 Hz的高頻顫振［10］;日本的ALOS衛(wèi)星專門安裝了ADS和加速度計(jì)用于在軌測(cè)量高頻抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了10－6度量級(jí)抖動(dòng)角度的在軌測(cè)量［11］.通過微振動(dòng)在軌實(shí)驗(yàn)和大量地面實(shí)驗(yàn)，高精度航天器典型微振動(dòng)擾動(dòng)歸納如表3所示［12］.

表3 高精度航天器典型微振動(dòng)擾動(dòng)列表Tab.3 Typical micro vibration sources of high precision spacecraft

通過分析星上微振動(dòng)擾動(dòng)源，擾動(dòng)建模具有以下特點(diǎn):

(1)擾動(dòng)模型要準(zhǔn)確描述擾動(dòng)的實(shí)際情況，確保系統(tǒng)性能評(píng)估和設(shè)計(jì)正確.

(2)擾動(dòng)描述的三要素:頻率范圍確定結(jié)構(gòu)可能激振的模態(tài)以及控制系統(tǒng)的帶寬;幅值級(jí)別確定進(jìn)入結(jié)構(gòu)的能量多少;位置和方向確定頻率范圍內(nèi)可激勵(lì)的模態(tài)區(qū)域.

(3)擾動(dòng)包括確定性擾動(dòng)和隨機(jī)擾動(dòng)兩種類型.伺服機(jī)構(gòu)可產(chǎn)生確定性擾動(dòng).而由于機(jī)電系統(tǒng)的噪聲會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)分量，從而產(chǎn)生隨機(jī)擾動(dòng).

(4)大部分外擾動(dòng)會(huì)造成內(nèi)擾動(dòng)，而且外擾動(dòng)通常表現(xiàn)為力矩形式.姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在抵消這些外部擾動(dòng)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生附加的不期望的力和力矩，通常在高頻段.

(5)外擾動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)擾動(dòng)完整模型很難建立，如忽略外擾動(dòng)，則需根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)假設(shè)內(nèi)擾動(dòng)典型時(shí)間歷程.如果擾動(dòng)本質(zhì)上是隨機(jī)的，則可考慮采用隨機(jī)過程理論來建模和分析這類干擾.

帆板驅(qū)動(dòng)、帆板振動(dòng)、天線驅(qū)動(dòng)、熱-結(jié)構(gòu)耦合等因素對(duì)航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)具有不可忽略的影響，而且此類問題具有普遍性.從哈勃望遠(yuǎn)鏡、UARS衛(wèi)星等相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)來看［13］，以太陽(yáng)帆板為代表的復(fù)雜撓性附件耦合動(dòng)力學(xué)仿真面臨的難點(diǎn)包括:剛?cè)狁詈稀?結(jié)構(gòu)耦合和機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)及分析.該類問題可以歸結(jié)為多物理場(chǎng)耦合作用下的復(fù)雜多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的同步求解問題.問題的解決需要通過數(shù)學(xué)建模來刻畫復(fù)雜系統(tǒng)在“剛體運(yùn)動(dòng)-柔性振動(dòng)-機(jī)電驅(qū)動(dòng)-熱環(huán)境”的耦合關(guān)系，并對(duì)其數(shù)值求解以模擬其動(dòng)力學(xué)行為，為航天器控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)提供參考.

目前很多商業(yè)軟件都能夠提供附件在多物理場(chǎng)耦合作用下的動(dòng)力學(xué)建模和仿真解決方案，且各有優(yōu)勢(shì)，如:ADMAS應(yīng)用成熟、市場(chǎng)份額最大，Recur-Dyn求解速度最快，COMSOL在多物理場(chǎng)耦合具有優(yōu)勢(shì)，SAMCEF Mecano可以同時(shí)考慮非線性有限元、接觸、摩擦、熱、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和控制等因素，實(shí)現(xiàn)非線性剛?cè)狁詈戏治觯鐖D1所示［14］.如果清楚了解多物理場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，并且掌握有效的解算方法，也可以自行開發(fā)適合特殊需求的仿真環(huán)境.

3 多學(xué)科協(xié)同仿真技術(shù)

上世紀(jì)70年代以來，國(guó)內(nèi)外相繼推出多種支持復(fù)雜航天器動(dòng)力學(xué)分析的軟件系統(tǒng)，如NASTRAN、DYTRAN、DISCOS和ADAMS等，開展了專門的多學(xué)科仿真分析.步入90年代以后，出現(xiàn)了在航天器動(dòng)力學(xué)分析中分別建立不同部件、不同學(xué)科模型，通過模型間的集成，構(gòu)建復(fù)雜航天器多學(xué)科仿真平臺(tái)的仿真方法.其中，以“液體-撓性-控制”和“光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)”兩大類多學(xué)科集成仿真需求最為突出.

圖1 SAMCEF Mecano分析太陽(yáng)帆板展開熱-結(jié)構(gòu)耦合Fig.1 Application of SAMCEF Mecano to solar panel deployment thermal-structural analysis

3.1 液體晃動(dòng)建模及其與姿態(tài)控制集成仿真

對(duì)于同時(shí)具有超穩(wěn)定和敏捷機(jī)動(dòng)兩方面要求的航天器平臺(tái)來說，考慮微重力條件下液體晃動(dòng)的航天器閉環(huán)姿態(tài)仿真已成為高性能航天器的必要需求［15］.如有些低軌敏捷航天器要求機(jī)動(dòng)過程中成像，需要采用計(jì)算流體力學(xué)方法將液體推進(jìn)劑劃分為大量網(wǎng)格進(jìn)行離散求解，或采用有限點(diǎn)集方法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)完成計(jì)算流體力學(xué)軟件與姿態(tài)控制系統(tǒng)的聯(lián)合閉環(huán)仿真，旨在獲取航天器在軌動(dòng)力學(xué)特性和驗(yàn)證控制性能.

具體實(shí)施從提高液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模的認(rèn)識(shí)水平和精度開始，進(jìn)而在控制系統(tǒng)仿真件設(shè)計(jì)層面進(jìn)行控制器調(diào)整，詳細(xì)分析液體晃動(dòng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制能力、視線指向和穩(wěn)定性的影響，同時(shí)在整星系統(tǒng)層面分析貯箱技術(shù)、安裝位置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類的選型設(shè)計(jì).如圖2所示，模型耦合仿真在聯(lián)合仿真框架下進(jìn)行［15］，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真和流體力學(xué)(FD)間的耦合仿真.這種數(shù)值耦合仿真對(duì)于新工況的控制器設(shè)計(jì)驗(yàn)證十分有用.控制系統(tǒng)和液體力學(xué)之間的是耦合仿真經(jīng)常采用文件交換的實(shí)施方式，這樣做的好處是可以將整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)分成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分.兩者之間的通信數(shù)據(jù)率是預(yù)設(shè)的，而內(nèi)部的應(yīng)用具有較高的計(jì)算頻率.

圖2 控制系統(tǒng)與流體力學(xué)的聯(lián)合仿真Fig.2 Integrated simulation of spacecraft control system with fluid dynamics

3.2 光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)集成建模與綜合評(píng)估

年青的姑娘們，她們?nèi)齼沙呻p，坐著馬車，去選擇衣料去了，因?yàn)榫鸵獡Q春裝了。她們熱心地弄著剪刀，打著衣樣，想裝成自己心中想得出的那么好，她們白天黑夜地忙著，不久春裝換起來了，只是不見載著翠姨的馬車來。

大型高精度遙感航天器、航天器超靜平臺(tái)的設(shè)計(jì)任務(wù)需要對(duì)數(shù)百萬自由度的整星級(jí)有限元模型進(jìn)行寬頻結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，以確定星上微振動(dòng)源引起的圖像質(zhì)量下降情況.以往的姿態(tài)控制性能指標(biāo)主要包括控制精度、穩(wěn)定度等，但空間相機(jī)所關(guān)心的指標(biāo)，如抖動(dòng)引起的調(diào)制傳遞函數(shù)下降量、曝光時(shí)間內(nèi)的像移量等很難與控制精度、穩(wěn)定度等指標(biāo)建立起直接的聯(lián)系.從保證圖像質(zhì)量出發(fā)，應(yīng)以光學(xué)相機(jī)關(guān)心的性能指標(biāo)作為最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從星上活動(dòng)部件到圖像的傳遞鏈路分析，涉及到航天器整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析及驗(yàn)證的全過程.

光機(jī)系統(tǒng)集成分析方法就是在這種背景下提出的.它是基于光機(jī)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三大基本模塊的常用軟件，建立各自相對(duì)獨(dú)立的模型，由計(jì)算機(jī)程序?qū)⑷哂袡C(jī)地聯(lián)系起來，構(gòu)成一個(gè)擾動(dòng)-光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)(dynamics optics controls structures，DOCS)集成模型，用以對(duì)各模塊之間的相互作用及接口進(jìn)行校驗(yàn)、工作性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì).

3.2.1 國(guó)外應(yīng)用實(shí)例

NASA“起源計(jì)劃”中，由于Nexus、SIM、JWST和TPF等航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且光學(xué)分辨率要求很高，NASA委托麻省理工學(xué)院(MIT)為此建立了一套DOCS綜合建模和綜合評(píng)估分析軟件［16］.該軟件完全用MATLAB開發(fā)，實(shí)質(zhì)上是MATLAB的一個(gè)工具箱(Toolbox).為了相似的目的，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開發(fā)了光學(xué)系統(tǒng)綜合建模工具箱 IMOS(integrated modeling of optical systems)，并已用于 SIM建模［17］.近年來，綜合建模技術(shù)還廣泛應(yīng)用于地面高分辨率望遠(yuǎn)鏡建模分析，如ESA的30 m望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)TMT(thirty meter telescope)和超大望遠(yuǎn)鏡干涉儀VLTI(very large telescope interferometer).

MIT的SSL開發(fā)的DOCS基本流程為［16］:

(1)建立并集成各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光學(xué)、擾動(dòng)和控制模型，根據(jù)模型調(diào)整控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);

(2)進(jìn)行綜合模型預(yù)處理和擾動(dòng)分析，得到標(biāo)稱的系統(tǒng)性能指標(biāo);

(3)進(jìn)行標(biāo)稱性能指標(biāo)參數(shù)化，得到描述這些性能指標(biāo)的函數(shù)模型;

(4)根據(jù)性能指標(biāo)函數(shù)模型進(jìn)行不確定性分析、性能分析、敏感度分析和參數(shù)優(yōu)化分析等.

通過以上步驟，建立整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行性能綜合分析和相應(yīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)性能最優(yōu).DOCS方法應(yīng)用到JWST性能分析和設(shè)計(jì)，具體方法參見文獻(xiàn)［10］和［16］.

3.2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

在遙感航天器性能評(píng)估技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)的主要差距在于缺乏系統(tǒng)級(jí)的全面綜合分析評(píng)估和設(shè)計(jì)手段.近年來，在相關(guān)技術(shù)突破和任務(wù)牽引下，情況有所改觀.

2002年底，北京空間機(jī)電研究所與北京理工大學(xué)合作開發(fā)了“航天光學(xué)遙感器仿真系統(tǒng)”，該軟件逐漸發(fā)展成為“空間光學(xué)遙感器集成分析設(shè)計(jì)工程化軟件”(SORSA).SORSA提供一個(gè)基于統(tǒng)一平臺(tái)的光-機(jī)-熱集成仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)遙感器設(shè)計(jì)與分析過程的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化管理，打通各個(gè)設(shè)計(jì)階段的不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同研制，SORSA涵蓋的各種核心技術(shù)已在“資源一號(hào)”紅外相機(jī)、“環(huán)境一號(hào)”CCD相機(jī)等型號(hào)中得到驗(yàn)證和較為廣泛深入的應(yīng)用［17］.

北京控制工程研究所針對(duì)任務(wù)需求開發(fā)了擾振源-結(jié)構(gòu)-控制-光學(xué)一體化分析軟件.該軟件集成了擾振源模型、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、控制系統(tǒng)模型以及光學(xué)系統(tǒng)模型，能夠通過閉環(huán)仿真分析得出相機(jī)的視線抖動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)了擾振源、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和時(shí)域分析等的預(yù)處理、數(shù)據(jù)讀取和仿真參數(shù)設(shè)定等功能.

4 高性能計(jì)算

4.1 高性能仿真任務(wù)需求

伴隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，不同于傳統(tǒng)的采用低階模型進(jìn)行的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制仿真，目前出現(xiàn)了需要將計(jì)算流體力學(xué)、柔性多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析、實(shí)時(shí)圖像處理等大規(guī)模計(jì)算和數(shù)值計(jì)算商業(yè)軟件引入控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真，對(duì)仿真計(jì)算速度提出了很高要求，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)考慮液體晃動(dòng)的航天器閉環(huán)姿態(tài)仿真.傳統(tǒng)姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真中采用的低階航天器液體晃動(dòng)等效力學(xué)模型無法滿足在微重力條件下高性能航天器的仿真需求，如要求機(jī)動(dòng)過程中成像，需要采用計(jì)算流體力學(xué)方法將液體推進(jìn)劑劃分為大量網(wǎng)格進(jìn)行離散求解或采用有限點(diǎn)集方法進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)完成與姿態(tài)控制系統(tǒng)的聯(lián)合閉環(huán)仿真，獲取航天器在軌動(dòng)力學(xué)特性和驗(yàn)證控制性能.如 FPM(finite particle method)等計(jì)算流體力學(xué)軟件嵌入控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真.

2)航天器超靜平臺(tái)分析驗(yàn)證.航天器超靜平臺(tái)設(shè)計(jì)任務(wù)需要對(duì)數(shù)百萬自由度的整星級(jí)有限元模型進(jìn)行寬頻結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，以確定星上微振動(dòng)源引起的圖像質(zhì)量下降情況，其中需要完成大規(guī)模結(jié)構(gòu)特征值求解運(yùn)算、控制-結(jié)構(gòu)-光學(xué)一體化聯(lián)合仿真分析等.

3)大型展開附件的動(dòng)力學(xué)與控制仿真.未來高性能航天器的有效載荷包含超大口徑可展開天線、空間桁架結(jié)構(gòu)等大柔性附件，控制穩(wěn)定度要求高，控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行柔性多體動(dòng)力學(xué)與控制的聯(lián)合仿真，以確定展開過程、正常模式的控制性能.

4)三維仿真驗(yàn)證.未來空間操作機(jī)器人控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行多目視覺、多臂協(xié)同的動(dòng)力學(xué)與控制仿真，其中包含了大量的圖像處理和特征識(shí)別、聯(lián)合體動(dòng)力學(xué)仿真、防碰撞軌跡規(guī)劃等，需要三維數(shù)字化的仿真結(jié)果輸出.

4.2 高性能計(jì)算仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1)體系架構(gòu).作為高性能計(jì)算硬件設(shè)施的核心，現(xiàn)代高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展從20世紀(jì)70年代的向量計(jì)算機(jī)開始，先后出現(xiàn)過MPP大規(guī)模并行處理機(jī)、Cluster集群系統(tǒng)等多種主體的體系架構(gòu).其中，計(jì)算機(jī)集群(簡(jiǎn)稱集群、Cluster)是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它通過一組松散的計(jì)算機(jī)軟件和/或硬件連接起來高度緊密地協(xié)作完成計(jì)算工作.集群系統(tǒng)中的單個(gè)計(jì)算機(jī)通常稱為節(jié)點(diǎn)，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接.高性能計(jì)算集群采用將計(jì)算任務(wù)分配到集群的不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)而提高計(jì)算能力.相比于MPP等一些專有高性能計(jì)算系統(tǒng)，集群系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括:集群的標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可擴(kuò)展性好、性價(jià)比高.

2)處理器及操作系統(tǒng).處理器是高性能計(jì)算機(jī)的核心，很大程度上決定了高性能計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能.隨著 GPU、Intel MIC等加速器/協(xié)處理器的出現(xiàn)，CPU不再是高性能計(jì)算領(lǐng)域計(jì)算單元的唯一選擇.相比于CPU，這些協(xié)處理器的浮點(diǎn)運(yùn)算能力更強(qiáng)、任務(wù)處理模式更簡(jiǎn)單，非常適合部分高性能計(jì)算應(yīng)用.隨著開放標(biāo)準(zhǔn)的集群架構(gòu)逐漸興起，Linux操作系統(tǒng)被逐漸成為高性能計(jì)算機(jī)的主流.Linux的操作系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠、高效率、多用戶、開源等特征，尤其它的多用戶特征，非常適合高性能計(jì)算機(jī)的使用模式.Linux操作系統(tǒng)已占到高性能計(jì)算90%以上的市場(chǎng)份額.

3)并行計(jì)算.為使仿真系統(tǒng)能夠最大限度的支持并行化運(yùn)算，需要利用并行化編程的思想，建立支持并行計(jì)算的仿真模型及仿真程序.從進(jìn)程或線程的交互方式角度劃分，并行編程模型主要有共享內(nèi)存編程模型(share memory)和消息傳遞編程模型(message passing).共享內(nèi)存編程模型一般應(yīng)用在共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)上，用于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部并行計(jì)算;消息傳遞編程模型主要應(yīng)用在分布式內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下，用于多節(jié)點(diǎn)間的并行計(jì)算.當(dāng)前高性能集群都是多層次結(jié)構(gòu)，使得集群系統(tǒng)同時(shí)具備了共享內(nèi)存和分布式共享內(nèi)存兩種體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).因此，目前進(jìn)行并行化編程建模時(shí)多采用融合了兩種架構(gòu)體系的MPI+OpenMP的混合編程模型.

5 數(shù)學(xué)仿真平臺(tái)

航天器GNC系統(tǒng)仿真需求的不斷的發(fā)展，一方面需要針對(duì)復(fù)雜航天器建立更加精確、可靠的動(dòng)力學(xué)模型與控制算法，另一方面也對(duì)航天器數(shù)學(xué)仿真平臺(tái)提出了新的挑戰(zhàn).國(guó)際上目前流行基于仿真模型的設(shè)計(jì)理念，采用代碼自動(dòng)生成技術(shù)，從而建立可以快速、準(zhǔn)確進(jìn)行仿真驗(yàn)證的通用平臺(tái)，為航天器設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的支持.

本文給出歐洲航天局(ESA)的SMP2仿真系統(tǒng)和中國(guó)航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)AOCS的研制情況.他們均以仿真模型規(guī)范化和仿真接口標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，采用了系統(tǒng)仿真軟件自動(dòng)生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)仿真軟件的自動(dòng)化，改變了原有的仿真軟件人工編程的模式，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用目的和不同用戶需求，實(shí)現(xiàn)仿真的重新配置和快速組合.

5.1 SMP2仿真系統(tǒng)

2004年，ESA建立了仿真模型可移植性標(biāo)準(zhǔn)(simulation model portability standards 2.0，SMP2)，現(xiàn)已成為 ESA的仿真模型建設(shè)規(guī)范，很多仿真平臺(tái)例如 EuroSim、SimSat、Rose等都已經(jīng)支持 SMP2標(biāo)準(zhǔn)［18］.

SMP2仿真系統(tǒng)開發(fā)分為4個(gè)階段:設(shè)計(jì)、開發(fā)、集成與運(yùn)行.設(shè)計(jì)階段基于對(duì)研究系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)出相應(yīng)的SMP2模型設(shè)計(jì)文檔(Catalogue);開發(fā)階段在由Catalogue生成的框架代碼的基礎(chǔ)上，填充相應(yīng)的算法;集成階段基于裝配文件(Assembly)和調(diào)度文件(Schedule)實(shí)現(xiàn)模型實(shí)例的生成和集成;運(yùn)行階段將生成代碼編譯成 DLL文件，與 Assembly、Schedule等一起由仿真器調(diào)度運(yùn)行，SMP2仿真系統(tǒng)開發(fā)流程如圖3所示.

圖3 SMP2仿真系統(tǒng)開發(fā)過程Fig.3 Procedure of SMP2 simulation system

5.2 AOCS數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)

復(fù)雜多體航天器的任務(wù)需求越來越多，難度越來越大.為了提高仿真基礎(chǔ)能力，北京控制工程研究所充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，經(jīng)過多年的努力研制出具有通用性、使用方便、高效的航天器姿態(tài)軌道控制數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)AOCS.

該系統(tǒng)在仿真模型規(guī)范化和仿真接口標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，突破了系統(tǒng)仿真軟件自動(dòng)生成技術(shù)，具有可視化組態(tài)建模、系統(tǒng)仿真軟件自動(dòng)生成、仿真結(jié)果三維可視化演示等功能，模型和接口標(biāo)準(zhǔn)化，顯著提高了航天器控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)能力.

AOCS仿真系統(tǒng)包括服務(wù)器和客戶端，服務(wù)器上運(yùn)行航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)仿真模型庫(kù)、仿真模型描述文件編輯器;客戶端上運(yùn)行航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)建模平臺(tái).AOCS仿真系統(tǒng)的主要功能是利用規(guī)范化的地面仿真模型，在客戶端通過可視化的建模方式對(duì)航天器的系統(tǒng)組成進(jìn)行配置，配置完成后仿真系統(tǒng)自動(dòng)匹配各模型的輸入輸出關(guān)系，快速建立仿真框架自動(dòng)生成VC仿真程序源代碼.

客戶端的仿真程序開發(fā)環(huán)境如圖4所示，當(dāng)用戶在視圖中進(jìn)行操作時(shí)，如選中視圖中的根目錄或者視圖中點(diǎn)擊鼠標(biāo)，將模型從模型庫(kù)窗口拖放到主視圖中，軟件獲取被拖放模型的服務(wù)器路徑，將模型的描述文件下載到本地臨時(shí)目錄，然后解析模型描述文件，創(chuàng)建一個(gè)列表的項(xiàng)目表示模型的一個(gè)新實(shí)例.

圖4 航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)仿真建模平臺(tái)示意圖Fig.4 The spacecraft attitude＆orbit control system simulation platform(AOCS)

該系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)仿真模型的規(guī)范化和統(tǒng)一管理，確保仿真模型的正確無誤、質(zhì)量可靠，而且實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)仿真過程的規(guī)范化、數(shù)學(xué)仿真技術(shù)狀態(tài)受控可追溯和數(shù)學(xué)仿真輸出結(jié)果的規(guī)范化，提高了航天器研制的產(chǎn)業(yè)化程度，使航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證能力跨上了一個(gè)新臺(tái)階.

6 結(jié)論

隨著空間任務(wù)需求的不斷變化和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，航天器技術(shù)經(jīng)歷了從試驗(yàn)到應(yīng)用、從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單到結(jié)構(gòu)復(fù)雜、從任務(wù)單一到任務(wù)多樣的發(fā)展過程，對(duì)平臺(tái)的控制精度、敏捷性、自主能力、強(qiáng)適應(yīng)性、性價(jià)比等提出了更高的要求.航天器控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)作為系統(tǒng)方案驗(yàn)證的重要手段在過去十多年里有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是為了滿足空間任務(wù)仿真驗(yàn)證更高的需求，我們必須加快航天器數(shù)學(xué)仿真技術(shù)的研究步伐.需要從提高仿真模型的精細(xì)度、保真度、規(guī)范化等多個(gè)方面來推動(dòng)高精度數(shù)學(xué)仿真模型的建立和完善，圍繞仿真建模和多學(xué)科協(xié)同仿真，以高性能計(jì)算技術(shù)為提升手段，打造數(shù)字化仿真平臺(tái)，提高航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真的基礎(chǔ)能力，更好地為航天器研制任務(wù)服務(wù).

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Research and Development of Numerical Simulation Techniques for Spacecraft GNC System

HU Haixia1，2，TANG Liang1，2，SHI Heng1，2，DONG Wenqiang1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

A survey on the research and development state of numerical simulation techniques for spacecraft GNC system is presented.Four essential abilities of numerical simulation are proposed:complex simulation system modeling，multi-discipline simulation，high performance computing and simulation platform.Future prospects on the numerical simulation techniques are highlighted based on the four aspects.

spacecraft;numerical simulation;guidance navigation and control;development

V448

A

1674-1579(2016)03-0001-08

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.03.001

胡海霞(1977—)，女，研究員，研究方向?yàn)楹教炱骺刂婆c仿真;湯 亮(1976—)，男，研究員，研究方向?yàn)楹教炱鲃?dòng)力學(xué)與控制;石 恒(1985—)，男，工程師，研究方向?yàn)楹教炱骺刂婆c仿真;董文強(qiáng)(1982—)，男，高工，研究方向?yàn)楹教炱骺刂婆c仿真.

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB733100).

2015-05-03