人控交會對接依靠航天員觀察人控交會對接圖像判斷追蹤航天器與目標航天器在軌的相對運動狀態(tài)，通過對人控位置手柄和姿態(tài)手柄的操作實現(xiàn)對航天器軌道和姿態(tài)的精確控制，是一項理論和技術實現(xiàn)上極其復雜的尖端技術.神舟九號飛船人控交會對接控制系統(tǒng)設計完成后，為確保神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器首次在軌人控交會對接任務順利完成，在地面利用半物理仿真試驗對人控交會對接控制系統(tǒng)進行大量逼近實際飛行狀態(tài)的仿真驗證十分必要.

本文以人控交會對接半物理仿真試驗需求為背景，提出了可對人控交會對接控制系統(tǒng)單機敏感器性能和控制律設計方案進行仿真驗證的人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)的設計方法，給出了利用該設計方法對神舟九號飛船人控交會對接控制系統(tǒng)的仿真驗證結果.

1 人控交會對接半物理仿真系統(tǒng)概況

人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)按照模擬航天器在軌物理運動過程的途徑分為2種：一種利用轉臺模擬航天器物理運動過程；另一種利用虛擬現(xiàn)實技術模擬航天器物理運動過程.

第一種人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)可將人控電視攝像機和激光雷達等關鍵船載測量敏感器通過轉臺搭載接入仿真回路.轉臺模擬追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接物理運動過程中，不僅能夠對人控單機敏感器性能進行仿真驗證，還可對人控交會對接控制系統(tǒng)進行仿真驗證.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系統(tǒng)對人控交會對接技術進行仿真驗證，典型應用如美國NASA約翰遜空間中心設計研制的具有12個自由度的航天飛機與空間站實時?？糠抡嬖囼炏到y(tǒng)[1]和歐空局在德國空間運行中心建立的可用于人控交會對接試驗的EPOS靠攏段九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)[2-4].

第二種人控交會對接半物理仿真試驗系統(tǒng)在數(shù)學仿真基礎上，利用虛擬現(xiàn)實技術模擬追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接物理運動過程.此種人控交會對接半物理仿真系統(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的船載部件接入仿真回路，由于缺乏對實際人控交會對接測量、導航、制導與控制完整回路的模擬，多應用于人控交會對接前期方案論證、航天員人控操作培訓和人機工效方面的研究[5-8].

本文提出的人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)在設計上利用轉臺模擬追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接物理運動過程，針對人控交會對接控制系統(tǒng)的單機敏感器性能和控制律設計方案進行仿真驗證.

2 人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)構成

人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)在設計上利用九自由度運動模擬器模擬追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接的12個自由度物理運動過程.如圖1所示，九自由度運動模擬器由三自由度姿態(tài)轉臺(簡稱三軸轉臺)和六自由度姿態(tài)位置轉臺(簡稱六軸轉臺)構成.三軸轉臺為1個固定在地面具有3個姿態(tài)自由度的立式高精度轉臺，用于模擬目標航天器在軌三軸絕對姿態(tài)運動.六軸轉臺為1個具有3個姿態(tài)自由度和3個位置自由度的立式高精度轉臺，用于模擬追蹤航天器在軌三軸絕對姿態(tài)運動和追蹤航天器與目標航天器在軌三軸相對位置運動.三軸轉臺和六軸轉臺在驅動數(shù)據(jù)控制下，可連續(xù)對追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接物理運動過程進行逼真模擬.

人控電視攝像機、人控電視攝像機靶標、激光雷達、激光雷達合作目標、人控圖像顯示器、人控控制計算機、人控位置手柄和姿態(tài)手柄作為人控交會對接關鍵船載部件接入仿真回路，其中人控電視攝像機和激光雷達安裝在六軸轉臺負載面上，人控電視攝像機靶標和激光雷達合作目標安裝在三軸轉臺負載面上.船載常規(guī)敏感器、執(zhí)行機構和航天器軌道、姿態(tài)動力學采用數(shù)學模型，與轉臺控制模型共同置于仿真計算機中.激光雷達、人控電視攝像機、人控控制計算機、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)議和時延與人控交會對接控制系統(tǒng)工程設計狀態(tài)一致.人控控制計算機通過地面接口模擬器與人控指令模擬器、仿真計算機和試驗數(shù)據(jù)服務器相互通信.試驗過程中生成的試驗數(shù)據(jù)存儲在試驗數(shù)據(jù)服務器中.人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)的設備連接關系如圖2所示.

圖1 九自由度運動模擬器結構示意圖

圖2 系統(tǒng)設備連接設計圖

2.2 試驗原理

人控電視攝像機和激光雷達等船載部件加電進入正常工作狀態(tài)后，仿真計算機依據(jù)試驗初始給定的追蹤航天器與目標航天器在人控交會對接控制坐標系下的相對狀態(tài)，解算試驗起始時刻三軸轉臺和六軸轉臺的初始化數(shù)據(jù).三軸轉臺和六軸轉臺在仿真計算機同時控制下運動到試驗初始化狀態(tài)過程中，實時將運行狀態(tài)數(shù)據(jù)返回仿真計算機，試驗人員按照人控交會對接飛行程序操作人控指令模擬器進入人控監(jiān)視模式.仿真計算機判斷三軸轉臺和六軸轉臺同時到達試驗初始化狀態(tài)時，啟動航天器軌道、姿態(tài)動力學模型開始解算，試驗人員將人控監(jiān)視模式切換為人控交會對接模式，試驗正式開始.

試驗過程中，人控控制計算機在采樣周期內分別接收激光雷達對激光雷達合作目標的測量信息，仿真計算機依據(jù)動力學解算數(shù)據(jù)生成的常規(guī)敏感器測量信息，試驗人員對人控指令模擬器、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，解算人控圖像疊加數(shù)據(jù)和執(zhí)行機構指令.仿真計算機通過地面接口模擬器接收執(zhí)行機構指令，解算追蹤航天器與目標航天器在軌軌道、姿態(tài)動力學變化，生成常規(guī)敏感器測量信息和轉臺驅動數(shù)據(jù).常規(guī)敏感器測量信息通過地面接口模擬器回傳給人控控制計算機.三軸轉臺和六軸轉臺在驅動數(shù)據(jù)驅動下進行連續(xù)模擬運動.人控圖像顯示器接收人控電視攝像機實時拍攝的圖像和人控圖像疊加數(shù)據(jù)，合成人控交會對接圖像顯示在屏幕上.試驗人員依據(jù)該圖像判斷三軸轉臺和六軸轉臺模擬的追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接相對運動狀態(tài)，通過對人控指令模擬器、人控位置手柄和姿態(tài)手柄的操作完成人控交會對接半物理仿真試驗.

仿真計算機依據(jù)動力學解算數(shù)據(jù)判斷追蹤航天器對接機構與目標航天器對接機構相互接觸時，停止動力學解算，控制三軸轉臺和六軸轉臺減速運動直至靜止，試驗結束.試驗數(shù)據(jù)服務器中存儲的試驗數(shù)據(jù)作為對人控交會對接控制系統(tǒng)的單機敏感器性能和控制律設計方案進行評估和驗證的依據(jù).

3 關鍵技術設計

由圖2可知，人控交會對接實際工程應用的關鍵船載部件引入人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)仿真回路，保障了仿真系統(tǒng)內測量數(shù)據(jù)、人控控制解算、人控圖像和人控操作與人控交會對接實際工程狀態(tài)的一致性.執(zhí)行機構，航天器軌道、姿態(tài)動力學和轉臺控制模型采用數(shù)學模型，其對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驗證結果的真實性和有效性，也是人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)在設計上需要解決的關鍵技術.

3.1 執(zhí)行機構模型設計

執(zhí)行機構數(shù)學模型包括姿控和軌控2類發(fā)動機模型，用于對發(fā)動機響應人控控制解算數(shù)據(jù)進行開啟和關閉工作狀態(tài)的模擬，設計如下：

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

姿控和軌控發(fā)動機模型在以上設計基礎上，需考慮發(fā)動機開啟和關閉延遲的影響.

3.2 航天器軌道姿態(tài)動力學模型設計

航天器軌道、姿態(tài)動力學模型用于對被控航天器響應執(zhí)行機構數(shù)學模型解算數(shù)據(jù)在軌飛行狀態(tài)的模擬解算，設計如下：

(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，右邊第一項為地球中心引力加速度，第二項Fu為航天器執(zhí)行機構產(chǎn)生的控制力，第三項Fε為其他外部攝動力.式(4)中，Ib為航天器轉動慣量陣，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)動力學模型在以上設計基礎上，需考慮帆板對姿態(tài)控制的耦合影響.

3.3 轉臺控制模型設計

轉臺控制模型用于依據(jù)航天器軌道、姿態(tài)動力學解算數(shù)據(jù)，實時解算三軸轉臺和六軸轉臺各自絕對控制量，利用三軸轉臺和六軸轉臺逼真模擬追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接的物理運動過程，設計如下：

依據(jù)試驗工況確定三軸轉臺3個姿態(tài)轉角的絕對控制量為φ1、θ1和ψ1，利用人控船載設備的安裝標定數(shù)據(jù)和轉臺標定數(shù)據(jù)，計算得到目標航天器動力學坐標系與六軸轉臺控制坐標系之間的方向余弦陣C01和位置關系A01=[x01,y01,z01]T.

設航天器軌道、姿態(tài)動力學解算的目標航天器動力學坐標系與追蹤航天器動力學坐標系之間的方向余弦陣為C21，位置關系為A21=[x21,y21,z21]T，則

(5)

A02=A01+C01A21

(6)

由式(5)和式(6)，可得到六軸轉臺的3個姿態(tài)轉角絕對控制量為C02對應的3個姿態(tài)角φ2、θ2和ψ2，3個位置絕對控制量為A02=[x02,y02,z02]T對應的3個位置量.

轉臺控制模型在以上設計基礎上，需考慮六軸轉臺的位置Y軸和位置Z軸運動范圍受限對人控九自由度半物理仿真試驗測試覆蓋性的影響.

4 仿真驗證

神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器首次在軌人控交會對接前，利用本文提出的人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)設計方法構建了仿真試驗環(huán)境，對神舟九號飛船人控交會對接控制系統(tǒng)進行了大量試驗驗證，為神舟九號飛船首次人控交會對接的圓滿成功奠定了堅實的基礎.圖3～6為一組典型工況人控交會對接相對位置、相對速度、相對姿態(tài)和相對姿態(tài)角速度的仿真驗證結果.圖7為人控電視攝像機實時圖像.

圖3 相對位置曲線

圖7 人控電視攝像機圖像

5 結 論

人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)在設計上利用轉臺實現(xiàn)對追蹤航天器與目標航天器在軌近距離交會對接物理運動的模擬，關鍵人控船載部件接入仿真回路，常規(guī)船載敏感器、執(zhí)行機構及航天器軌道、姿態(tài)動力學采用數(shù)學模型，構建了與人控交會對接實際工程狀態(tài)一致的信息流程.人控交會對接九自由度半物理仿真試驗系統(tǒng)的設計方法在神舟九號飛船人控交會對接控制系統(tǒng)仿真驗證過程中得到了實際應用和有效驗證，工程實踐結果表明，系統(tǒng)的設計方法正確.該設計還可應用于人控遙操作等其他人控交會對接領域內的仿真驗證，具有廣闊的應用前景.

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