在軌服務衛(wèi)星GNC系統(tǒng)地面測試與在軌支持設計

饒衛(wèi)東，劉 蕊，肖 帥

(北京控制工程研究所，北京 100190)

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在軌服務衛(wèi)星GNC系統(tǒng)地面測試與在軌支持設計

饒衛(wèi)東，劉 蕊，肖 帥

(北京控制工程研究所，北京 100190)

針對在軌服務衛(wèi)星GNC系統(tǒng)的任務特性，設計了一套地面測試系統(tǒng)，經過相應模塊擴展即可用于在軌服務技術支持.該系統(tǒng)已應用于某型號GNC系統(tǒng)的地面測試和在軌運行，穩(wěn)定性和可靠性良好.地面測試系統(tǒng)由動力學仿真器、星上產品模擬器、ATS測試系統(tǒng)、三維顯示系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)充分驗證了星上軟件算法邏輯和硬件電氣接口.增加三維避障、圖像顯示分析等模塊后，測試系統(tǒng)實時性更強，可視化程度更高，能適應衛(wèi)星在軌服務等復雜工況.

在軌服務衛(wèi)星；GNC測試系統(tǒng)；在軌支持；三維避障

0 引 言

在軌服務型衛(wèi)星的主要任務和功能包括以下幾個方面：在軌目標監(jiān)測，在軌輔助變軌，在軌燃料補給，在軌故障修復和在軌有限裝配等[1]，在軌服務衛(wèi)星能降低衛(wèi)星任務失敗的風險，減少任務費用，增強任務系統(tǒng)功能及提高任務的靈活性等，在經濟、國防和促進空間技術發(fā)展方面有重要意義.

世界各航天大國都有不少在軌服務衛(wèi)星，2002年開始的“地球靜止軌道清理機器人”(ROGER)計劃[2]旨在研究捕獲GEO非合作目標衛(wèi)星并輔助其離軌等技術.服務衛(wèi)星經地面引導和自主導航至距離目標15 m處，然后服務衛(wèi)星釋放網狀或繩系抓捕系統(tǒng)捕獲目標，隨后服務衛(wèi)星將其拖入“墳墓”軌道，與目標分離后返回GEO等待下一次任務.2003年1月，XSS-10成功完成了在軌試驗[2]，驗證了微小衛(wèi)星自主交會、目標監(jiān)視的軟硬件技術.“試驗衛(wèi)星系統(tǒng)”XSS-11小衛(wèi)星對圖像處理技術和自主交會技術進行了改進.XSS-11于2005年4月入軌后，與火箭上面級在0.5～1.5 km的距離先后3次成功交會，驗證了非合作目標的自主交會技術.2007年完成的“軌道快車”(Orbital Express)計劃[3]，其驗證的關鍵技術包括自主交會與逼近、自主捕獲連接、燃料雙向傳輸、在軌電池和計算機模塊更換.Orbital Express計劃由目標衛(wèi)星“下一代衛(wèi)星”(NEXTSat)和服務衛(wèi)星“自主空間傳送機器人軌道器”(ASTRO)組成.該計劃成功完成了在軌飛行試驗，由于其具備在軌捕獲、模塊更換和在軌加注等多項功能，因而受到了高度關注，成為在軌服務技術發(fā)展史上的里程碑事件.

在軌服務是空間技術進入新時代的標志[4]，其中制導、導航與控制(GNC)系統(tǒng)作為衛(wèi)星核心分系統(tǒng)，其任務復雜程度遠遠超過常規(guī)衛(wèi)星，這也給衛(wèi)星的測試系統(tǒng)提出了更高的要求.本文以機械臂在軌操作服務型衛(wèi)星作為測試對象，給出了一種在軌服務型衛(wèi)星GNC測試系統(tǒng)組成方案.

1 測試系統(tǒng)介紹

1.1 測試系統(tǒng)組成

(1)動力學實時仿真器

包括衛(wèi)星動力學仿真和機械臂運動學仿真，前者模擬太空中衛(wèi)星姿態(tài)和軌道動力學，接收執(zhí)行機構(動量輪和噴氣)輸出的控制電信號，驅動動力學微分方程實時求解動力學姿態(tài)、軌道狀態(tài)量，網絡打包輸出給姿態(tài)敏感器(模擬器).后者模擬機械臂關節(jié)正逆運動學，接收關節(jié)姿態(tài)命令，實時輸出關節(jié)運動信息以及手眼相機位姿信息.

(2)星上產品模擬器

包括姿態(tài)敏感器模擬器和執(zhí)行機構模擬器，其中姿態(tài)敏感器從網絡接收動力學姿態(tài)和軌道信息，轉化并輸出相應電信號.執(zhí)行機構模擬器接收星載計算機控制力和力矩電信號，驅動執(zhí)行機構動力學微分方程，求解出執(zhí)行機構狀態(tài)量，通過網絡發(fā)送給動力學仿真器.

(3)ATS自動化測試系統(tǒng)

自動化測試系統(tǒng)包括，圖形化顯示客戶端，數據存儲服務器，總線監(jiān)視器和主控電腦等.所有測試數據都在圖形化顯示客戶端中顯示，客戶端可將不同遙測數據以數字或者曲線形式在窗口中顯示；數據存儲服務器可以對測試過程產生的測試數據進行實時保存，并由數據庫提供數據服務，可以進行數據處理和開發(fā)；1553總線和CAN總線通訊狀態(tài)可以在總線監(jiān)視器中顯示；主控電腦主要實現指令上行功能，發(fā)送各種類型遙控指令.

(4)三維顯示系統(tǒng)

三維顯示系統(tǒng)包括三維碰撞預示電腦和三維實時顯示電腦兩部分.其中，三維實時顯示電腦在軌測試期間利用遙測數據驅動三維模型，實時還原太空中衛(wèi)星的三維場景并在終端電腦中顯示；三維碰撞預示電腦在遙控上行通道中，利用歷史遙測數據和當前遙控指令驅動，顯示三維模型接下來的運動軌跡，可以檢測運動碰撞并終止不恰當遙控指令.

1.2 測試實時性

動力學實時仿真系統(tǒng)和星上模擬器系統(tǒng)測試機箱采用CPCI-6965 2.2GHZ雙核處理器，嵌入式多任務操作系統(tǒng)VxWorks6.6.測試系統(tǒng)實現了快速實時測試要求，精確保證每一控制周期完成既定控制任務.

1.3 兼容性和擴展性

為了兼容多種測試工況，測試機柜上設計了信號適配器.信號適配器開發(fā)了2類以上接口，實現了模擬器和真實產品之間的兼容.擴展性方面ATS自動化測試系統(tǒng)采用組播網絡實現各個測試設備互聯互通，復雜工況時能容易地接入其他終端設備.比如，引入或者移除三維顯示電腦和圖像顯示電腦等就能實現地面測試和在軌測試兩者無縫過渡.

2 測試系統(tǒng)原理

2.1 地面測試系統(tǒng)原理

地面測試時需要測試設備配合星上產品進行測試，主要是衛(wèi)星動力學模擬器、機械臂運動學模擬器和ATS自動化測試軟件等.地面測試分為全數字仿真測試和半物理仿真測試，全數字仿真采用模擬器替代所有衛(wèi)星產品，可驗證衛(wèi)星姿、軌控算法和機械臂正、逆運動學算法.半物理仿真[6-7]采用真實星載計算機和部分衛(wèi)星產品，只有衛(wèi)星動力學和機械臂運動學采用軟件模擬.半物理仿真不僅可以測試星上軟件的算法邏輯，還能驗證星上產品間的電接口性能，兩者都是衛(wèi)星GNC系統(tǒng)地面測試的重要手段.

半物理仿真測試期間，地面測試軟件模擬在軌機械臂運動學，采集下一拍機械臂指令，計算各個關節(jié)角度和角速度，輸出目標在手眼相機中的位置和姿態(tài).操控機構線路得到目標位姿誤差，調用路徑規(guī)劃和避障算法，計算得到下一拍機械臂各關節(jié)運動指令.

圖1 衛(wèi)星GNC分系統(tǒng)測試硬件布局Fig.1 Hardware lay out GNC test system

圖2 衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of ground test system

2.2 在軌支持系統(tǒng)原理

在軌支持系統(tǒng)主要包括：ATS自動化測試軟件、機械臂運動模擬系統(tǒng)、三維實時顯示軟件、三維碰撞檢測系統(tǒng)和實時圖像顯示分析系統(tǒng)等.其中三維顯示軟件和三維碰撞檢測系統(tǒng)是專為機械臂在軌操作提供支持，實時圖像顯示分析軟件可以為衛(wèi)星在軌加注、維修和成像等任務提供在軌支持.在軌支持系統(tǒng)突出遙測實時性和在軌圖像的連續(xù)性，其中三維顯示計算機能預示空間機械臂的運動軌跡，幫助測試人員檢測碰撞與干涉.

在軌支持系統(tǒng)除正常下傳衛(wèi)星和機械臂的常規(guī)遙測參數外，還會接收在軌圖像.當機械臂各關節(jié)需要運動時，在末端固定安裝的手眼相機會連續(xù)對空間拍照，圖像數據通過數傳系統(tǒng)實時下傳.利用這些實時圖像，測試人員能清楚地看到機械臂周圍的相對空間關系.當需要完成在軌加注任務時，在衛(wèi)星上安裝的相機對目標衛(wèi)星成像，測試人員通過圖像辨認本星與目標星之間的相對距離和相對姿態(tài)，確定衛(wèi)星下一步的控制策略.

衛(wèi)星機械臂運動時有觸碰其他星上產品的風險，并且機械臂關節(jié)數較多(往往超過6個關節(jié))，各個關節(jié)之間在運動時也會存在互相干涉.僅僅依靠機械臂手眼相機拍攝的圖像區(qū)域，遠遠覆蓋不了潛在危險區(qū)域.

圖3 衛(wèi)星在軌支持系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle of on-orbit support system

三維顯示軟件提取衛(wèi)星艙外的三維模型，利用該模型在STK中建立三維實體對象，在軌測試期間利用遙測數據驅動該三維對象，實時還原太空中衛(wèi)星的三維場景，在終端電腦中實時顯示.一般而言，衛(wèi)星在軌運行時需要同時運行2個三維顯示軟件，其中1個運行在遙控上行通道中，用于運動碰撞檢測；另一個運行在遙測下行通道中，用于測試人員實時查看星上部件相對運動關系.

三維顯示系統(tǒng)中輸出碰撞報警提示，如果機械臂各個關節(jié)接觸到衛(wèi)星其他部位或者關節(jié)之間互相產生干涉，報警標志會被觸發(fā)并且軟件顯示碰撞部位相關信息.正因為如此，上行的機械臂運動指令需作延遲處理，在延遲時間內由地面運動模擬器提前執(zhí)行待發(fā)的運動指令序列，由三維碰撞檢測系統(tǒng)判定運動指令是否有效、機械臂運動是否有關節(jié)碰撞風險.

3 測試系統(tǒng)性能驗證

測試系統(tǒng)在完成地面GNC系統(tǒng)測試后，參加了衛(wèi)星在軌支持任務.這里選取衛(wèi)星某次任務慣性指向機動的試驗數據做對比分析，這次任務中滾動角、俯仰角和偏航角分別機動20°、20°和80°，機械臂關節(jié)1、3和5分別轉動2°、23°和90°.圖4給出整星三軸姿態(tài)曲線，圖5給出機械臂關節(jié)姿態(tài)曲線.從圖5中可以看出，在軌飛行和地面測試機械臂關節(jié)角曲線基本一致，在軌飛行時關節(jié)角有輕微抖動.

4 結 論

針對在軌服務型衛(wèi)星GNC系統(tǒng)遙測和圖像實時性要求高、操作危險性高的特點，提出了在軌服務型衛(wèi)星GNC測試系統(tǒng).介紹了測試系統(tǒng)的組成和工作原理圖，闡述了三維避障系統(tǒng)如何為空間機械臂運動規(guī)避風險，最后對在軌飛行與地面測試姿態(tài)曲線進行比較，結果表明該測試系統(tǒng)表現良好，可普遍用于在軌服務型衛(wèi)星GNC系統(tǒng)測試和在軌支持.

Ground Testing and On-Orbit Technical Support Design forGNC System in On-Orbit Service Satellites

RAO Weidong, LIU Rui, XIAO Shuai

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190，China)

A testing system is proposed towards new conditions for both ground and on-orbit test. The system has been implied in a satellite and has done a good job in test. Ground testing system consists of dynamical simulator of satellite & robots, onboard module simulators, ATS and 3D display system. The system can verify logic in on-board computer and behavior of electric interface. On-orbit testing system is supplemented by the three-dimensional obstacle avoidance system and the image analysis system, which works in real time with high visualization.

on orbit service satellites; GNC testing system; on orbit technical support; obstacle avoidance system

圖4 衛(wèi)星三軸姿態(tài)曲線(左:在軌曲線，右:測試曲線)Fig.4 3-Axis Attitude of the satellite (left: on-orbit, right: simulation)

圖5 機械臂關節(jié)角曲線(左:在軌曲線，右:測試曲線)Fig.5 Angles of manipulator ribs (left: on-orbit, right: simulation)

[1] KASSEBOM M, KOEBEL D, TOBEHN C, et al. Roger-an advanced solution for a geostationary service satellite[C]//The 54thInternational Astronautiacal Congress of the International Astronautical Federation.2003.
[2] THOMAS M D, DAVID M. XSS-10 Micro-Satellite Flight Demonstration Program Results[J]. Proceeding of SPIE, 2004: 16-25.
[3] PINSON R , HOWARD R,HEATON A. Orbital express advanced video guidance sensor: ground testing, flight results and comparisons[C]//AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit. Washington D.C.:AIAA, 2008.
[4] 何英姿，魏春玲，湯亮. 空間操作控制技術研究現狀及發(fā)展趨勢[J]. 空間控制技術與應用, 2014,40(1): 1-8. HE Y Z, WEI C L, TANG L. A survey on space operations control[J]. Aerospace Control and Application, 2014, 40(1): 1-8.
[5] 陳士明，周志成，曲廣吉,等. 國外靜止軌道在軌服務衛(wèi)星系統(tǒng)技術發(fā)展概況[J]. 國際太空，2014(4):55-63. CHEN S M, ZHOU Z Z, QU G J. Systematic technology skeleton of abroad geostationary on-orbit service satellites[J]. International Space, 2014(4):55-63.
[6] 董愷琛，趙開春，趙鵬飛，等. 微納衛(wèi)星姿控軟件實時測試系統(tǒng)[J]. 光學精密工程, 2013, 21(8): 2008-2015. DONG K C, ZHAO K C, ZHAO P F, et al. Real-time testing system for attitude control software of micro-nano satellite [J]. Optics and Precision Engineering, 2013, 21(8):2008-2015.
[7] 李豪杰，江小華，程翔，等. 飛機座椅彈射試驗用測試系統(tǒng)設計[J]. 彈道學報，2003，15(2):73-76. LI H J, JIANG X H, CHEN X, et al. Testing system design for the fighter seat ejection examination[J]. Journal of Ballistics, 2003，15(2):73-76.

V44

A

1674-1579(2017)02-0067-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.02.011

2016-09-23

饒衛(wèi)東(1985—)，男，工程師，研究方向為衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制；劉 蕊(1979—)，女，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星姿態(tài)與軌道控制；肖 帥(1986—)，男，工程師，研究方向為空間機械臂控制.