一種基于約束規(guī)則的航天器全相位交會(huì)對(duì)接程序規(guī)劃方法

姜 萍，可榮碩，高宇輝，周心婷，王瑞瑋

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引言

航天器交會(huì)對(duì)接技術(shù)是航天工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［1-3］，中國(guó)載人航天工程空間站歷次交會(huì)對(duì)接過(guò)程采用確定相位的自主快速交會(huì)對(duì)接模式，通過(guò)對(duì)目標(biāo)航天器軌道控制，滿足追蹤航天器交會(huì)對(duì)接初始相位條件。隨著交會(huì)對(duì)接技術(shù)的不斷成熟［4］，未來(lái)可能采用全相位自主交會(huì)對(duì)接模式［5-7］。在確定相位交會(huì)對(duì)接模式下，一般采用基于時(shí)序的飛行程序設(shè)計(jì)方法，對(duì)接相關(guān)飛控事件及程序安排在確定的時(shí)刻點(diǎn)和測(cè)控資源［8-11］，根據(jù)各類正常、應(yīng)急對(duì)接分支［12］，需分別準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)程序的“標(biāo)稱計(jì)劃”配置。

對(duì)于全相位交會(huì)對(duì)接模式，受目標(biāo)航天器軌道預(yù)報(bào)精度限制，預(yù)報(bào)時(shí)間越長(zhǎng)，精度越低，對(duì)應(yīng)的初始相位分支越多，由于對(duì)接圈次無(wú)法提前確定，如針對(duì)每個(gè)相位都設(shè)計(jì)獨(dú)立的計(jì)劃配置，則準(zhǔn)備工作量巨大，且難以遍歷各種對(duì)接情況?；谧灾饕?guī)劃的程序設(shè)計(jì)方法［13-18］，能夠?qū)崿F(xiàn)不依賴于測(cè)控資源的靈活規(guī)劃［19-20］。

本文對(duì)載人航天器交會(huì)對(duì)接相關(guān)事件進(jìn)行梳理［21］，分析不同相位下事件的約束規(guī)則，建立飛控事件模型庫(kù)，設(shè)計(jì)基于約束規(guī)則的飛控事件規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)任意交會(huì)對(duì)接模式、對(duì)接圈次及應(yīng)急交會(huì)對(duì)接分支的飛行程序自動(dòng)規(guī)劃。

1 全相位自主交會(huì)對(duì)接

1.1 全相位自主交會(huì)對(duì)接

交會(huì)對(duì)接包含遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段及近距離自主控制段［22］，以6.5 h 快速交會(huì)對(duì)接為例，遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段通過(guò)6 次調(diào)相及綜合修正控制，將追蹤航天器導(dǎo)引至遠(yuǎn)程制導(dǎo)終端，該過(guò)程總時(shí)長(zhǎng)為確定值。

全相位自主交會(huì)對(duì)接過(guò)程，保留快速自主交會(huì)對(duì)接過(guò)程的遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段及近距離自主控制段不變，在遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段調(diào)相及綜合修正控制前，增加大相位追及段，通過(guò)大相位追及過(guò)程，使兩目標(biāo)相位角滿足快速交會(huì)對(duì)接調(diào)相與綜合修正段入口條件，自主交會(huì)對(duì)接過(guò)程階段如圖1 所示。

圖1 全相位自主交會(huì)對(duì)接相對(duì)距離Fig.1 Relative distance diagram of all-phase autonomous rendezvous and docking

該模式下，追蹤航天器發(fā)射時(shí)刻與目標(biāo)航天器的相位角可以為0°～360°的任意值，因不同的相位角對(duì)應(yīng)的大相位追及時(shí)間不確定，如采用在基于時(shí)序的程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行程序指令規(guī)劃時(shí)，在大相位追及過(guò)程時(shí)間確定前，指令安排時(shí)間無(wú)法確定，設(shè)計(jì)方法不靈活。

1.2 交會(huì)對(duì)接相關(guān)飛控事件

航天器交會(huì)對(duì)接過(guò)程，需要充分考慮光照、能源、兩飛行器信息交互等約束條件，根據(jù)交會(huì)對(duì)接軌控策略、敏感器作用距離、控制精度、測(cè)控條件和飛行任務(wù)目標(biāo)等要素進(jìn)行指令計(jì)劃的編排。按照階段過(guò)程可分為目標(biāo)航天器對(duì)接準(zhǔn)備設(shè)置，追蹤航天器發(fā)射入軌、遠(yuǎn)距離導(dǎo)引飛行、自主控制飛行、對(duì)接、組合體飛行。對(duì)各飛行階段的事件按照相關(guān)性及約束情況，拆分成相對(duì)獨(dú)立的飛控事件［23］。

2 約束規(guī)則設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)基于時(shí)序的設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)基于時(shí)序的設(shè)計(jì)方法如圖2 所示，需針對(duì)所有正常及應(yīng)急交會(huì)對(duì)接分支，人為確定交會(huì)對(duì)接各特征點(diǎn)時(shí)刻，并安排指令執(zhí)行時(shí)刻，使指令被動(dòng)滿足約束條件，指令安排具有唯一性。該方法的優(yōu)點(diǎn)是指令安排明確、狀態(tài)可控；但當(dāng)交會(huì)對(duì)接模式發(fā)生變化或指令存在沖突時(shí)，需要重新選擇特征點(diǎn)或調(diào)整指令時(shí)間，程序適應(yīng)性低。

圖2 基于時(shí)序的設(shè)計(jì)流程Fig.2 Timing-based design process

2.2 基于約束規(guī)則的規(guī)劃方法

基于約束規(guī)則的程序規(guī)劃方法，首先將指令安排與絕對(duì)時(shí)間解耦，設(shè)計(jì)適應(yīng)所有分支的通用約束規(guī)則進(jìn)行描述，形成飛控事件級(jí)的約束規(guī)則庫(kù)；并通過(guò)讀取星歷、距離、光照預(yù)報(bào)以及測(cè)控條件等已知信息，識(shí)別出事件安排的信息特征點(diǎn)；依據(jù)約束規(guī)則對(duì)飛控事件進(jìn)行自動(dòng)指令編排［24］。

針對(duì)全相位交會(huì)對(duì)接模式，對(duì)指令約束條件進(jìn)行分析，整理約束規(guī)則，設(shè)計(jì)思路如圖3 所示。

圖3 全相位交會(huì)對(duì)接指令規(guī)則整理流程Fig.3 Processing flow of all-phase rendezvous and docking instruction rules

1）事件整理。將交會(huì)對(duì)接程序按照功能、相關(guān)性進(jìn)行指令歸類劃分，相關(guān)功能或約束的指令歸為同一飛控事件內(nèi)。

2）約束分析。針對(duì)每個(gè)飛控事件，分析其在各正常應(yīng)急分支下涉及的約束類型，約束類型能夠覆蓋不同相位的事件安排需求，并確認(rèn)通過(guò)已知信息，是否能夠自動(dòng)提取約束特征點(diǎn)。

3）規(guī)則整理。將飛控事件對(duì)應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行整理，形成約束規(guī)則庫(kù)，對(duì)每個(gè)交會(huì)對(duì)接目標(biāo)維護(hù)一套規(guī)則配置庫(kù)。

3 規(guī)劃體系設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)劃配置結(jié)構(gòu)

采用基于約束規(guī)則的方式，通過(guò)一套規(guī)劃配置，實(shí)現(xiàn)全相位交會(huì)對(duì)接的程序規(guī)劃［25］，規(guī)劃配置結(jié)構(gòu)如圖4 所示，配置分為計(jì)劃層、事件層、指令層，其中計(jì)劃層描述全相位交會(huì)對(duì)接過(guò)程的所有正常、應(yīng)急分支，通過(guò)自動(dòng)識(shí)別或人工方式進(jìn)行分支狀態(tài)選擇，并傳遞給事件層；事件層包含全相位交會(huì)對(duì)接過(guò)程涉及的全部飛控事件，并描述事件的約束設(shè)計(jì)及優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)，每個(gè)飛控事件包含不同的指令或指令組，按照計(jì)劃層模式選擇結(jié)果及選擇對(duì)應(yīng)的飛控事件，并調(diào)用指令層；指令層作為最小的程序單元，包含通用的指令或指令組，可根據(jù)飛控事件需求重復(fù)調(diào)用展開(kāi)。

圖4 全相位自主交會(huì)對(duì)接飛控事件的規(guī)劃配置結(jié)構(gòu)Fig.4 Planning configuration for flight control events by means of all-phase autonomous rendezvous and docking

3.2 規(guī)則類型及優(yōu)先級(jí)

交會(huì)對(duì)接飛控事件的約束規(guī)則類型可以是特征點(diǎn)、基礎(chǔ)區(qū)間或者應(yīng)用區(qū)間。

1）特征點(diǎn)。通過(guò)已知信息自動(dòng)獲取的特征時(shí)間點(diǎn)a，例如變軌開(kāi)機(jī)點(diǎn)。

2）基礎(chǔ)區(qū)間。由2 個(gè)特征點(diǎn)形成的區(qū)間，如測(cè)控跟蹤基礎(chǔ)區(qū)間，由跟蹤開(kāi)始時(shí)刻a1、跟蹤結(jié)束時(shí)刻a2確定，表示為b1（a1，a2）。

3）應(yīng)用區(qū)間。由多個(gè)點(diǎn)或區(qū)間通過(guò)多重規(guī)則確定的約束區(qū)間，可以表示為c1（b1，b2，a3）。

基于規(guī)則的約束方式，使某個(gè)飛控事件在約束規(guī)則條件內(nèi)，可能存在多組解，而2 個(gè)飛控事件的約束區(qū)間也可能存在交集。采用約束規(guī)則的優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)沖突消解，以飛控事件E1、E2、E3、E4為例，事件約束規(guī)則描述方式分別為

其中，事件優(yōu)先級(jí)為E1＞E3＞E2＞E4，事件安排及消解如圖5 所示，首先安排高優(yōu)先級(jí)飛控事件E1，飛控事件E3有3 個(gè)滿足規(guī)則的約束區(qū)間，與事件E1沖突消解后安排在第2 個(gè)滿足區(qū)間b2，事件E2最低優(yōu)先級(jí)，規(guī)則區(qū)間與事件E3存在交集，在事件E3執(zhí)行后，在約束區(qū)間b1內(nèi)順序安排。

圖5 飛控事件規(guī)劃Fig.5 Planning diagram for the flight control events

由于事件E4在該工況下沒(méi)有滿足約束規(guī)則，所以未進(jìn)行安排。

3.3 飛控事件選擇

對(duì)于全相位交會(huì)對(duì)接過(guò)程，除變軌控制、對(duì)接狀態(tài)設(shè)置等必須安排的飛控事件外，還有些飛控事件僅在大相位工況下安排，或在應(yīng)急工況安排，這些特定工況事件通過(guò)3 種方式實(shí)現(xiàn)：

1）約束規(guī)則

通過(guò)設(shè)計(jì)事件的約束規(guī)則，如能夠規(guī)劃出事件約束特征點(diǎn)或區(qū)間，則安排事件，以事件E4為例，其約束區(qū)間為b4(a4in，a4out1)，其事件安排原則如下：

式中：T為事件持續(xù)時(shí)間。

2）狀態(tài)傳遞

對(duì)飛控事件增加狀態(tài)標(biāo)識(shí)I，表示為I（S1，S2，S3，…，Sn）。其中Sn為全局信息元素，可以是在軌航天器實(shí)施遙測(cè)，或上一次規(guī)劃結(jié)果，并存儲(chǔ)在全局信息字段，在本次規(guī)劃時(shí)，如飛控事件對(duì)應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)結(jié)果為有效，則安排該飛控事件，全相位對(duì)接所有分支均安排的事件狀態(tài)標(biāo)識(shí)默認(rèn)為有效。

3）手動(dòng)選擇

在規(guī)劃配置計(jì)劃層增加分支選項(xiàng)，并定義該分支下包含的飛控事件，這種方法主要針對(duì)無(wú)法通過(guò)狀態(tài)獲取，或約束規(guī)則代價(jià)高的特殊飛控事件，為簡(jiǎn)化事件配置規(guī)則的編寫(xiě)，通過(guò)人工定義的方式，提高配置可靠性。

4 結(jié)果驗(yàn)證

選取正?？焖僮灾骺焖俳粫?huì)對(duì)接、含大相位的正常自主快速交會(huì)對(duì)接及應(yīng)急對(duì)接3 個(gè)分支，對(duì)典型飛控事件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件見(jiàn)表1。其中測(cè)控資源用An表示。

表1 全相位交會(huì)對(duì)接測(cè)試條件Tab.1 Conditions of all-phase rendezvous and docking tests

事件規(guī)劃結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)試情況如下：

表2 全相位交會(huì)對(duì)接測(cè)試結(jié)果Tab.2 Results of all-phase rendezvous and docking tests

1）快速自主交會(huì)對(duì)接與大相位自主交會(huì)對(duì)接相比，“大相位機(jī)動(dòng)控制”“在軌測(cè)試”事件能夠按照分支模式進(jìn)行選擇輸出；“程序注入”及“調(diào)相機(jī)動(dòng)控制2”能夠自動(dòng)分配測(cè)控資源。

2）快速自主交會(huì)對(duì)接和應(yīng)急推遲對(duì)接采用相同的預(yù)報(bào)及測(cè)控條件，“應(yīng)急對(duì)接設(shè)置”通過(guò)手動(dòng)選擇進(jìn)行安排，“對(duì)接狀態(tài)設(shè)置”事件按照應(yīng)急分支整體向后推遲。規(guī)劃結(jié)果與預(yù)期一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于約束規(guī)則的全相位交會(huì)對(duì)接規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，用一套規(guī)劃配置實(shí)現(xiàn)全相位交會(huì)對(duì)接各類正常、應(yīng)急過(guò)程的程序生成，該方法的核心是飛控事件約束的分析，配置設(shè)計(jì)綜合考慮規(guī)則設(shè)計(jì)復(fù)雜性代價(jià)，對(duì)于少數(shù)特殊事件采用人工定義的方式，提高配置可靠性。相比于基于時(shí)序的設(shè)計(jì)方法，配置的適應(yīng)性更強(qiáng)，程序生成效率更高，為后續(xù)交會(huì)對(duì)接過(guò)程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。