張新邦

北京控制工程研究所， 北京 100190

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航天器半物理仿真應(yīng)用研究

張新邦

北京控制工程研究所， 北京 100190

介紹了航天器半物理仿真的特點(diǎn)，總結(jié)了航天器控制系統(tǒng)半物理仿真的3種基本表現(xiàn)形式和應(yīng)用范圍。指出在沒有特殊說明時(shí)，傳統(tǒng)意義上的控制系統(tǒng)半物理仿真是指以敏感器/控制器在回路為主要框架的仿真試驗(yàn)，其特點(diǎn)是有復(fù)雜昂貴的運(yùn)動(dòng)模擬器等仿真專用設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)之一是運(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)，具體可分為基于運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型和基于運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換2種方法，并在仿真應(yīng)用舉例中對(duì)此作了進(jìn)一步說明。

航天器；控制系統(tǒng)；半物理仿真；運(yùn)動(dòng)模擬器

系統(tǒng)仿真是通過對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行試驗(yàn)來研究系統(tǒng)的技術(shù)。航天器仿真一般分為3類：數(shù)學(xué)仿真、半物理仿真和全物理仿真。

數(shù)學(xué)仿真又稱計(jì)算機(jī)仿真，是全部用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行的系統(tǒng)仿真。其他的仿真則有硬件/實(shí)物在回路中，它們又分為半物理和全物理仿真，2者的區(qū)別在于仿真試驗(yàn)中應(yīng)用的航天器動(dòng)力學(xué)模型種類不同。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型則是半物理仿真，應(yīng)用物理模型(又稱物理效應(yīng)模型)則是全物理仿真。由于動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型必須在仿真計(jì)算機(jī)上進(jìn)行解算，所以也可以用仿真系統(tǒng)中是否有仿真計(jì)算機(jī)來區(qū)別：有仿真計(jì)算機(jī)的是半物理仿真，沒有仿真計(jì)算機(jī)的是全物理仿真。

半物理仿真是航天器仿真領(lǐng)域中一個(gè)重要內(nèi)容，其應(yīng)用廣泛，內(nèi)容豐富。航天器控制系統(tǒng)半物理仿真的應(yīng)用可總結(jié)為3種基本形式：計(jì)算機(jī)在回路仿真、控制系統(tǒng)電性能綜合測(cè)試、敏感器/控制器在回路仿真。

1 航天器控制系統(tǒng)半物理仿真應(yīng)用的3種基本形式

航天器控制系統(tǒng)半物理仿真就是動(dòng)力學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的非數(shù)學(xué)仿真。對(duì)于不同應(yīng)用目的，半物理仿真有不同的試驗(yàn)規(guī)模和表現(xiàn)形式，基本上可分為計(jì)算機(jī)在回路仿真、控制系統(tǒng)電性能綜合測(cè)試和敏感器/控制器在回路仿真3種。

1.1 計(jì)算機(jī)在回路仿真

只有航天器控制系統(tǒng)內(nèi)控制計(jì)算機(jī)實(shí)物接入試驗(yàn)回路的半物理仿真簡(jiǎn)稱為計(jì)算機(jī)(或控制器)在回路仿真，特點(diǎn)是控制系統(tǒng)其余內(nèi)容應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)單，而應(yīng)用面廣泛，主要應(yīng)用于以下方面。

1.1.1 控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件測(cè)試

航天器控制軟件對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，與計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，其軟件的研制測(cè)試離不開計(jì)算機(jī)在回路仿真。隨著技術(shù)進(jìn)步，控制軟件的規(guī)模越來越大，功能越來越強(qiáng)，許多設(shè)計(jì)思想和核心技術(shù)多反映在軟件中，因此對(duì)軟件的測(cè)試越顯重要。于是仿真界提出了對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的“軟件在回路仿真”這一術(shù)語。對(duì)于航天器控制系統(tǒng)仿真來說，“計(jì)算機(jī)在回路仿真”是“軟件在回路仿真”的一個(gè)主要表現(xiàn)形式?！败浖诨芈贩抡妗庇卸喾N方法，可以是數(shù)學(xué)、半物理和全物理仿真。數(shù)學(xué)仿真方法簡(jiǎn)便快速，適合于軟件的初步測(cè)試，但逼真度差。軟件工作者對(duì)軟件進(jìn)行全面系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證時(shí)主要應(yīng)用“計(jì)算機(jī)在回路仿真”方法。

1.1.2 控制系統(tǒng)故障診斷和對(duì)策研究

故障仿真是航天器系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要內(nèi)容。一個(gè)良好的航天器控制系統(tǒng)故障仿真系統(tǒng)應(yīng)能方便地實(shí)現(xiàn)/復(fù)現(xiàn)控制專家提出的各種故障模式，能方便地試驗(yàn)/驗(yàn)證控制專家提出的各種故障對(duì)策，這對(duì)模型提出了很高的要求。由于控制計(jì)算機(jī)的內(nèi)容復(fù)雜，硬件結(jié)構(gòu)具有多種中斷能力，運(yùn)行的是實(shí)時(shí)控制程序等，所有這些很難用精確的數(shù)學(xué)模型去表達(dá)。當(dāng)控制系統(tǒng)其他部件通過技術(shù)的提高和經(jīng)驗(yàn)的積累得到成熟準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型后，計(jì)算機(jī)在回路仿真系統(tǒng)既能滿足逼真度要求，而且各部件模型的靈活性高。當(dāng)在軌運(yùn)行航天器的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，計(jì)算機(jī)在回路仿真以其突出的優(yōu)點(diǎn)，成為故障診斷和對(duì)策研究驗(yàn)證的重要手段。

1.1.3 控制系統(tǒng)方案/技術(shù)設(shè)計(jì)演示驗(yàn)證

虛擬技術(shù)已成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。虛擬技術(shù)本質(zhì)上屬于仿真技術(shù)，是數(shù)學(xué)仿真技術(shù)的延伸。對(duì)于控制系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型就是控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)。考慮到控制計(jì)算機(jī)難以有滿足要求的數(shù)學(xué)模型，所以以計(jì)算機(jī)在回路仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，配以計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖形和VR(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)，得到控制系統(tǒng)的準(zhǔn)虛擬樣機(jī)，可以作為方案設(shè)計(jì)/技術(shù)設(shè)計(jì)的演示驗(yàn)證。如俄羅斯能源聯(lián)合體的交會(huì)試驗(yàn)室內(nèi)主要應(yīng)用計(jì)算機(jī)在回路仿真方法驗(yàn)證交會(huì)GNC系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)。

1.1.4 航天器飛行過程中的地面伴隨仿真

對(duì)于深空探測(cè)等一類航天器飛行距離長(zhǎng)、環(huán)境未知性強(qiáng)、飛行過程復(fù)雜，需要有飛控支持系統(tǒng)以保障飛行任務(wù)順利進(jìn)行[1]。而計(jì)算機(jī)在回路仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用、逼真度好、模型靈活性高。以計(jì)算機(jī)在回路仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在航天器飛行過程中進(jìn)行地面伴隨仿真，是飛控支持系統(tǒng)的重要組成部分。

1.2 控制系統(tǒng)電性能綜合測(cè)試

控制系統(tǒng)是航天器的一個(gè)重要分系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)電性能綜合測(cè)試是控制系統(tǒng)集成、調(diào)試的主要內(nèi)容和系統(tǒng)驗(yàn)收前的主要測(cè)試內(nèi)容，是系統(tǒng)研制過程中的重要階段。綜合測(cè)試包括部件級(jí)測(cè)試和系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，系統(tǒng)級(jí)的閉路動(dòng)態(tài)測(cè)試用于系統(tǒng)運(yùn)行中的各項(xiàng)功能測(cè)試，是對(duì)任務(wù)書中系統(tǒng)運(yùn)行性能指標(biāo)和對(duì)系統(tǒng)能否完成其擔(dān)當(dāng)?shù)娜蝿?wù)能力的測(cè)試。該閉路動(dòng)態(tài)測(cè)試就是半物理仿真試驗(yàn)。

在整個(gè)航天器系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試中，同樣要進(jìn)行航天器系統(tǒng)電性能綜合測(cè)試[2]，這時(shí)控制系統(tǒng)作為航天器的一個(gè)主要分系統(tǒng)參與其中。航天器系統(tǒng)電性能綜合測(cè)試內(nèi)容中的閉路動(dòng)態(tài)測(cè)試也是半物理仿真，當(dāng)然此時(shí)的規(guī)模要大得多。

電性能綜合測(cè)試中一般不使用復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模擬器和目標(biāo)模擬器等仿真專用設(shè)備。

目前電性能綜合測(cè)試中，仿真與測(cè)試一體化的研究是其技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

1.3 敏感器/控制器在回路仿真

當(dāng)敏感器沒有成熟準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要將敏感器實(shí)物接入試驗(yàn)回路(一般此時(shí)控制器實(shí)物也接入回路)，其余部分按計(jì)劃要求可應(yīng)用實(shí)物或數(shù)學(xué)模型。此時(shí)稱為敏感器/控制器在回路仿真，特點(diǎn)是：

1)需要復(fù)雜昂貴的運(yùn)動(dòng)模擬器和目標(biāo)模擬器等仿真專用設(shè)備；

2)是系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)/技術(shù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主要方法。

早期的控制系統(tǒng)半物理仿真技術(shù)起始于系統(tǒng)方案驗(yàn)證的需求，以敏感器/控制器在回路仿真為主要框架的試驗(yàn)形式實(shí)現(xiàn)，至今此方法仍然是提高系統(tǒng)方案技術(shù)成熟度的主要手段。如精確制導(dǎo)武器研制中，由于制導(dǎo)敏感器的數(shù)學(xué)模型不夠成熟準(zhǔn)確，必需將敏感器實(shí)物接入回路進(jìn)行仿真試驗(yàn)，雖然各種仿真專用設(shè)備(運(yùn)動(dòng)模擬器和目標(biāo)模擬器等)的花費(fèi)往往非常昂貴，但這是值得的。

以上介紹了半物理仿真的3種基本形式，在沒有特殊說明時(shí)，傳統(tǒng)意義上的半物理仿真是指以敏感器/控制器在回路仿真為主要框架的仿真試驗(yàn)，其特點(diǎn)是仿真系統(tǒng)內(nèi)有復(fù)雜昂貴的運(yùn)動(dòng)模擬器等仿真專用設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)之一是運(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用技術(shù)。

運(yùn)動(dòng)模擬器是對(duì)象運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的具體實(shí)現(xiàn)，模擬器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法一般有2種：

1)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型

從宏觀角度研究，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)(天體和航天器)直接縮比可得到運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型，以此來設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)。如高軌道衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)半物理仿真中，衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)可用一個(gè)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)來模擬，地球用轉(zhuǎn)臺(tái)旁邊一個(gè)固定的小型熱圓盤來模擬。

當(dāng)情況復(fù)雜，或應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型難以解決實(shí)際困難時(shí)，需應(yīng)用下面方法。

2)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換

從敏感器的角度研究，并對(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行變換計(jì)算，以此再設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)模擬器。這樣可以充分應(yīng)用數(shù)學(xué)模型變換這一強(qiáng)大功能，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模擬器的結(jié)構(gòu)或解決一些原來難以解決的困難。

2 航天器半物理仿真應(yīng)用舉例

下面介紹航天器半物理仿真應(yīng)用例子，結(jié)合仿真方法和運(yùn)動(dòng)模擬器設(shè)計(jì)應(yīng)用等內(nèi)容，了解對(duì)象運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換等技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)單轉(zhuǎn)臺(tái)半物理仿真

地球靜止軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)半物理仿真一般用一個(gè)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)[3]，試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 地球靜止軌道衛(wèi)星半物理仿真系統(tǒng)試驗(yàn)框圖

圖中地球模擬器是一個(gè)固定在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)邊的小熱圓盤。地球敏感器安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，轉(zhuǎn)臺(tái)上還安裝有陀螺和太陽敏感器。轉(zhuǎn)臺(tái)模擬衛(wèi)星在太空中的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，該方法是應(yīng)用實(shí)際系統(tǒng)(衛(wèi)星、地球、太陽)縮比后的運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型得到的。

我國“東方紅三號(hào)”衛(wèi)星研制過程中，其姿態(tài)控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)應(yīng)用了圖1所示的框圖。試驗(yàn)全面驗(yàn)證了控制系統(tǒng)方案，仿真試驗(yàn)技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.2 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)多轉(zhuǎn)臺(tái)半物理仿真

中低軌道衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)半物理仿真中一般應(yīng)用多個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)[3- 4]。

中低軌道三軸穩(wěn)定衛(wèi)星有2個(gè)特點(diǎn)：

1)地球?qū)πl(wèi)星的張角很大，如軌道高度為800km時(shí)地球張角約126°。相比之下地球靜止軌道衛(wèi)星的地球張角僅為17.4°；

2)軌道角速度大(約0.06(°)/s)，比地球靜止軌道衛(wèi)星的軌道角速度大一個(gè)多量級(jí)。

中低軌道衛(wèi)星半物理仿真中一般應(yīng)用多轉(zhuǎn)臺(tái)并聯(lián)仿真方法。如日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)在研制日本海事衛(wèi)星(MOS)半物理仿真中使用3個(gè)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，其中1個(gè)安裝陀螺和太陽敏感器，其余2個(gè)在轉(zhuǎn)動(dòng)中心各安裝一個(gè)地球敏感器，并各自對(duì)應(yīng)一個(gè)地球模擬器(十分巨大的熱圓盤)，此方法也是應(yīng)用了運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型。每個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的坐標(biāo)系根據(jù)各自需求來選擇，但試驗(yàn)時(shí)需要用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型去協(xié)調(diào)各轉(zhuǎn)臺(tái)的工作。

我國在某中低軌道地球觀察衛(wèi)星半物理仿真試驗(yàn)中也應(yīng)用多轉(zhuǎn)臺(tái)方法(見圖2)，并應(yīng)用了基于運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換技術(shù)，有效地簡(jiǎn)化了仿真系統(tǒng)。圖中應(yīng)用2個(gè)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)各安裝一個(gè)地球敏感器，地球模擬器應(yīng)用平板平移方式，試驗(yàn)中需要應(yīng)用地球敏感器全天球掃描的數(shù)學(xué)模型協(xié)調(diào)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)和地球模擬器的運(yùn)動(dòng)。此仿真系統(tǒng)可以對(duì)衛(wèi)星飛行的全過程包括全姿態(tài)捕獲等模式進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

圖2 我國中低軌道衛(wèi)星半物理仿真試驗(yàn)框圖

2.3 航天器GNC系統(tǒng)交會(huì)半物理仿真

航天器GNC系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有專門用于交會(huì)對(duì)接的敏感器，如CCD光學(xué)成像敏感器、激光交會(huì)雷達(dá)、微波交會(huì)雷達(dá)和電視攝像機(jī)等，可以測(cè)量追蹤航天器和目標(biāo)航天器之間的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。交會(huì)半物理仿真需要模擬兩航天器相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)專用的運(yùn)動(dòng)模擬器(交會(huì)運(yùn)動(dòng)模擬器)，要求：1)交會(huì)用敏感器以實(shí)際尺寸1:1安裝于交會(huì)運(yùn)動(dòng)模擬器；2)交會(huì)運(yùn)動(dòng)模擬器能準(zhǔn)確模擬兩航天器在物理空間內(nèi)的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。

圖3 GNC系統(tǒng)交會(huì)半物理仿真試驗(yàn)框圖

圖4 9自由度交會(huì)運(yùn)動(dòng)模擬器運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

GNC系統(tǒng)交會(huì)半物理仿真試驗(yàn)框圖見圖3。圖中應(yīng)用了典型的9自由度交會(huì)運(yùn)動(dòng)模擬器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4內(nèi)左邊固定于地面的3軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬目標(biāo)航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)；右邊的3軸轉(zhuǎn)臺(tái)安裝于3自由度平動(dòng)機(jī)構(gòu)上，模擬追蹤航天器的姿態(tài)和軌道運(yùn)動(dòng)，一起組成9自由度交會(huì)運(yùn)動(dòng)模擬器。顯然此9自由度運(yùn)動(dòng)模擬器應(yīng)用了運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型，物理概念直觀清楚。

實(shí)際試驗(yàn)中有2個(gè)難點(diǎn)，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換技術(shù)后都得到了解決。1)航天器的長(zhǎng)度較大(設(shè)追蹤飛船長(zhǎng)度為10m)，其質(zhì)心到交會(huì)敏感器的距離約5m，而9自由度運(yùn)動(dòng)模擬器中三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)軸臂長(zhǎng)(轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心到負(fù)載臺(tái)面的距離)不大于1m。試驗(yàn)中希望用轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心模擬航天器質(zhì)心，這要求轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)軸臂長(zhǎng)也為5m，在工程上難以完成。可應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換技術(shù)，試驗(yàn)中先應(yīng)用一個(gè)虛擬的5m臂長(zhǎng)的轉(zhuǎn)臺(tái)，求出其負(fù)載盤位置/姿態(tài)，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算并控制真實(shí)的1m臂長(zhǎng)轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)，使其負(fù)載盤到完全相同地方即可；2)9自由度運(yùn)動(dòng)模擬器橫向(Y方向)和豎向(Z方向)的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍不大，如需要大的運(yùn)動(dòng)范圍，只能應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換技術(shù)，得到簡(jiǎn)約型6自由度運(yùn)動(dòng)模擬器后解決困難。

下面先從運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)討論相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)種類，較實(shí)用的有如下3類：

1)經(jīng)典的9自由度運(yùn)動(dòng)模擬器(見圖4)

設(shè)備是基于運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型方法得到，由3個(gè)長(zhǎng)度自由度和6個(gè)角度自由度的機(jī)構(gòu)組成，適用于交會(huì)運(yùn)動(dòng)模擬器。

2)并聯(lián)6自由度運(yùn)動(dòng)模擬器

或稱為Stewart機(jī)構(gòu)，由6根可伸縮桿組成，可以得到3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。此機(jī)構(gòu)的剛性好，適用于對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器。

3)簡(jiǎn)約型6自由度運(yùn)動(dòng)模擬器[5]

運(yùn)動(dòng)學(xué)在描述相對(duì)位置時(shí)可用距離、方位角和仰角來表示，描述相對(duì)姿態(tài)用3個(gè)歐拉角表示，以上6個(gè)參數(shù)中1個(gè)為長(zhǎng)度、5個(gè)為角度。于是推演出運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)可由1個(gè)固定的二軸轉(zhuǎn)臺(tái)和1個(gè)能作一維(縱向)平動(dòng)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)組成，這就是簡(jiǎn)約型6自由度運(yùn)動(dòng)模擬器(見圖5)。

圖5 簡(jiǎn)約型6自由度運(yùn)動(dòng)模擬器示意圖

此模擬器優(yōu)點(diǎn)是：

1)工作范圍大，是目前唯一能實(shí)現(xiàn)大運(yùn)動(dòng)范圍的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬器；

2)可提高試驗(yàn)精度。由于平動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)精度影響較大，減少平動(dòng)自由度有利于提高精度。

實(shí)際工作中可將圖4的9自由度模擬器和圖5的簡(jiǎn)約型6自由度模擬器2個(gè)方案結(jié)合，即建造一個(gè)縱向平動(dòng)范圍較大的9自由度運(yùn)動(dòng)模擬器，一般情況下以9自由度形式使用，當(dāng)模擬器的橫向/豎向平動(dòng)范圍不夠，則改為以簡(jiǎn)約型6自由度模擬器形式使用。如圖4所示的一個(gè)小型精密9自由度運(yùn)動(dòng)模擬器，Y軸(橫向)和Z軸(豎向)平動(dòng)范圍為±1m，當(dāng)試驗(yàn)條件為：XR=3.4641m；ZR=2m；其他各自由度的值全部為0(見表1內(nèi)狀態(tài)1的數(shù)據(jù))，由于Z向平動(dòng)已超出運(yùn)動(dòng)范圍而無法進(jìn)行試驗(yàn)，于是改為簡(jiǎn)約型6自由度方案，得到表1內(nèi)狀態(tài)2的數(shù)據(jù)，2組數(shù)據(jù)具有完全相同的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)，但Z向平動(dòng)不超出運(yùn)動(dòng)范圍，使試驗(yàn)可以順利進(jìn)行。

表1 相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)完全相同的2組狀態(tài)數(shù)據(jù)

表內(nèi)φa，θa，ψa和φb，θb，ψb為圖4中轉(zhuǎn)臺(tái)A和B的內(nèi)軸(滾動(dòng))、中軸(俯仰)、外軸(偏航)轉(zhuǎn)角(單位為(°))，xR，yR，zR為ob點(diǎn)在坐標(biāo)系oaxRyRzR內(nèi)的三維空間位置(單位為m)。

2.4 具有力矩反饋裝置運(yùn)動(dòng)模擬器的應(yīng)用

目前控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不安裝于運(yùn)動(dòng)模擬器上，由數(shù)學(xué)模型得到其輸出值并送仿真計(jì)算機(jī)。若應(yīng)用具有力矩反饋裝置的運(yùn)動(dòng)模擬器，可不需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于運(yùn)動(dòng)模擬器上，其產(chǎn)生的力矩由力矩測(cè)量裝置測(cè)量后實(shí)時(shí)反饋到仿真計(jì)算機(jī)。在不需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型這一點(diǎn)上，此方法和全物理仿真十分相似。

以一個(gè)應(yīng)用陀螺為敏感器、控制力矩陀螺為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的姿態(tài)控制系統(tǒng)半物理仿真為例，試驗(yàn)框圖見圖6。

圖6 應(yīng)用具有力矩反饋裝置運(yùn)動(dòng)模擬器的半物理仿真框圖

要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)(控制力矩陀螺)和運(yùn)動(dòng)模擬器之間的力矩測(cè)量裝置能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量出控制力矩，盡量減少測(cè)量中的干擾信息，尤其是地面重力帶來的干擾。此類試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)模擬器一般應(yīng)用并聯(lián)6自由度機(jī)構(gòu)以增強(qiáng)模擬器的剛度。

當(dāng)力矩測(cè)量裝置達(dá)到足夠的精度，此仿真系統(tǒng)就有足夠的可信度。此方法的優(yōu)點(diǎn)是容易修改試驗(yàn)中的各種參數(shù)(如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等)。

2.5 航天器對(duì)接半物理仿真

2.5.1 概述

航天器空間對(duì)接離不開對(duì)接裝置，對(duì)接裝置中用于緩沖、補(bǔ)償初始偏差、捕獲、校正、拉緊的機(jī)構(gòu)稱為對(duì)接機(jī)構(gòu)。對(duì)接過程可分為強(qiáng)沖擊對(duì)接(硬對(duì)接)和弱沖擊對(duì)接(軟對(duì)接)2種。硬對(duì)接的特點(diǎn)是依靠航天器之間的撞擊實(shí)現(xiàn)捕獲，然后使用緩沖器將剩余能量吸收。本文討論的是硬對(duì)接過程。

對(duì)接機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法可分為半物理和全物理仿真。對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)機(jī)械系統(tǒng)的半物理仿真

以前幾乎所有的航天器半物理仿真都是控制系統(tǒng)的半物理仿真，為控制系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證服務(wù)。對(duì)接半物理仿真是機(jī)械系統(tǒng)(對(duì)接機(jī)構(gòu))仿真，為對(duì)接機(jī)構(gòu)的測(cè)試驗(yàn)證服務(wù)。

2)應(yīng)用具有力/力矩反饋裝置的運(yùn)動(dòng)模擬器

是航天器半物理仿真中成功應(yīng)用了具有力/力矩反饋裝置運(yùn)動(dòng)模擬器的仿真試驗(yàn)。

3)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換技術(shù)有效地簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)模擬器結(jié)構(gòu)。

2.5.2 基于運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型的對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器

一般對(duì)接前目標(biāo)航天器靜止(無軌道機(jī)動(dòng))，追蹤航天器以某速度向目標(biāo)航天器運(yùn)動(dòng)，碰撞對(duì)接后的組合體會(huì)以一定的速度運(yùn)動(dòng)。所以對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器需要12個(gè)自由度，可以應(yīng)用雙Stewart機(jī)構(gòu)組成對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器(見圖7)。

圖7 雙Stewart機(jī)構(gòu)的對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器示意圖

圖中對(duì)接機(jī)構(gòu)通過力/力矩測(cè)量裝置安裝在運(yùn)動(dòng)模擬器的負(fù)載盤上，設(shè)模擬器A模擬目標(biāo)航天器，模擬器B模擬追蹤航天器。開始時(shí)刻A靜止，B以給定的初速度向左運(yùn)動(dòng)，并和A發(fā)生碰撞，使2對(duì)接機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)在一起以一定速度向左運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型的雙Stewart運(yùn)動(dòng)模擬器可模擬空間對(duì)接實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，原理上直觀，對(duì)接機(jī)構(gòu)的慣性力也不用處理。

2.5.3 基于運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換的對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器

應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型變換技術(shù)，對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器可以只要6個(gè)自由度，大大簡(jiǎn)化了模擬器結(jié)構(gòu)。

考慮到對(duì)接機(jī)構(gòu)間碰撞力只是由對(duì)接機(jī)構(gòu)間相對(duì)位置/速度和相對(duì)姿態(tài)/速度決定，于是通過運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)變換將對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器簡(jiǎn)化成單Stewart機(jī)構(gòu)，另一邊的負(fù)載盤是固定的(見圖8)。此時(shí)要注意：

圖8 單Stewart機(jī)構(gòu)的對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器示意圖

1)仿真計(jì)算機(jī)計(jì)算得到兩航天器在軌道系的各自位置和姿態(tài)信息后，對(duì)于圖8方式需要進(jìn)一步求出追蹤器對(duì)于目標(biāo)器的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)，并控制運(yùn)動(dòng)模擬器，使兩對(duì)接機(jī)構(gòu)得到所要求的相對(duì)位置/速度和姿態(tài)/速度，保證由對(duì)接機(jī)構(gòu)內(nèi)彈簧和阻尼緩沖裝置等產(chǎn)生的相互作用力和圖7或者和空間實(shí)際對(duì)接情況一樣；

2)圖8需要增加對(duì)接機(jī)構(gòu)慣性力的處理，并在仿真計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。

2.5.4 對(duì)接半物理仿真運(yùn)動(dòng)模擬器實(shí)例介紹

圖9 前蘇聯(lián)對(duì)接機(jī)構(gòu)半物理仿真試驗(yàn)設(shè)備

圖10 法國空間研究中心的對(duì)接動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)施(DDTF)

圖9所示是前蘇聯(lián)的對(duì)接機(jī)構(gòu)半物理仿真試驗(yàn)設(shè)備[6]，能進(jìn)行熱控條件下的動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)。

圖10是法國空間研究中心(CNES)的對(duì)接動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)施(DDTF)。其結(jié)構(gòu)是將一個(gè)Stewart機(jī)構(gòu)安裝在一個(gè)一維平動(dòng)裝置上組成，共7個(gè)自由度。

圖11 我國的對(duì)接機(jī)構(gòu)半物理仿真設(shè)備示意圖

圖12 我國的對(duì)接機(jī)構(gòu)半物理仿真設(shè)備實(shí)物

圖11是我國的對(duì)接機(jī)構(gòu)半物理仿真試驗(yàn)設(shè)備示意圖[7]，設(shè)備也能進(jìn)行熱控條件下的動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)。圖12是設(shè)備實(shí)物。

對(duì)接機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)也可以應(yīng)用全物理仿真技術(shù)，由于全物理仿真應(yīng)用了動(dòng)力學(xué)的物理模型，試驗(yàn)的逼真度高。但其不足之處主要是設(shè)備龐大，改變某些參數(shù)時(shí)困難復(fù)雜，再現(xiàn)的自由度和作用力受到限制，也難以同時(shí)進(jìn)行溫控試驗(yàn)。隨著運(yùn)動(dòng)模擬器上的測(cè)力/力矩裝置技術(shù)日益成熟，且空間站等航天器的質(zhì)量和體積又越來越大，俄羅斯與美國在以后研制對(duì)接綜合試驗(yàn)臺(tái)時(shí)基本上都應(yīng)用半物理仿真方案。

3 結(jié)論

航天器控制系統(tǒng)半物理仿真的應(yīng)用可總結(jié)為3種基本形式：計(jì)算機(jī)在回路仿真、控制系統(tǒng)電性能綜合測(cè)試和敏感器/控制器在回路仿真。在沒有特殊說明時(shí)，傳統(tǒng)意義上的半物理仿真是指以敏感器/控制器在回路仿真為主要框架的仿真試驗(yàn)，其特點(diǎn)是仿真系統(tǒng)內(nèi)有復(fù)雜昂貴的運(yùn)動(dòng)模擬器等仿真專用設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)之一是運(yùn)動(dòng)模擬器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)?？梢詰?yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)直接物理模型設(shè)計(jì)和應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模擬器，此方法簡(jiǎn)單直觀，但模擬器的結(jié)構(gòu)可能較為復(fù)雜，或存在某些難以克服的困難。也可以對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行變換后，再設(shè)計(jì)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模擬器，這樣可以充分應(yīng)用數(shù)學(xué)模型變換功能來簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模擬器的結(jié)構(gòu)和解決一些原來難以解決的困難。

[1] 袁利，程銘．面向深空探測(cè)任務(wù)的飛控仿真與支持系統(tǒng)研究[J]．空間控制技術(shù)與應(yīng)用, 2009, 35(6):13-18.(YUAN Li, CHENG Ming. Deep Space Exploration Mission-Oriented Flight Control Simulation and Support System[J]. Aerospace Control and Application, 2009, 35(6):13-18.)

[2] 孫亞楠，涂歆瀅，向開恒，李志. 航天器仿真與測(cè)試一體化系統(tǒng)[J].航天器工程，2009，18(1):73-78. (SUN Yanan, TU Xinying, XIANG Kaiheng, LI Zhi. Integrated System for Spacecraft Simulation and Test[J]. Spacecraft Engineering, 2009, 18(1):73-78.)

[3] 劉良棟，劉慎釗，孫承啟，等.衛(wèi)星控制系統(tǒng)仿真技術(shù)[M]. 北京：宇航出版社，2003.(LIU Liangdong, LIU Shenzhao, SUN Chengqi, et al. Simulation Technology for Satellite Control System[M]. Astronautics Press, Beijing，2003.)

[4] 張新邦，索旭華.中低軌道衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)半物理仿真方法討論[J].’99全國仿真技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，珠海，1999: 205-207.(ZHANG Xinbang, SUO Xuhua. Methode of HILS of Attitude and Orbit Control System for Low Earth Orbit Satellite[J]. ’99China Simulation Technology Conference Proceedings, 1999: 205-207.)

[5] 張新邦，劉良棟，劉慎釗．航天器交會(huì)仿真試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)模擬器[J]．空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2009, 35(2):51-55.(ZHANG Xinbang, LIU Liangdong, LIU Shenzhao. Motion Simulator for Rendezvous Simulation Test[J]. Aerospace Control and Application, 2009,35(2):51-55.)

[6] 婁漢文，曲廣吉，劉濟(jì)生，等.空間對(duì)接機(jī)構(gòu)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1992.(LOU Hanwen, QU Guangji, LIU Jisheng, et al. Space Docking Mechanism[M].Aeronatical Industry Press, Beijing，1992.)

[7] 周建平.空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2013，2.(ZHOU Jianping. Space Rendezvous and Docking Technology[M]. National Defense Industry Press, Beijing，2013, 2.)

The Research on Application of Hardware in the Loop Simulation for Spacecraft

ZHANG Xinbang

Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China

Thecharacteristicofhardwareintheloopsimulationforspacecraftcontrolsystemisdescribedinthispaper,andthreeformsofitsapplicationaresummarized.Usually,hardwareintheloopsimulationisthoughtofasthesimulationtestwhichusessensorandcontrollerasthemainframeintheloopsimulation.Itscharacteristicshowsthatthereiscomplexexpensivemotionsimulatorspeciallyforsimulation.Oneofthekeytechniquesisthedesignandapplicationofmotionsimulatoranditcanbedividedintothemethodbasedonthedirectkinematicsphysicalmodelandthemethodbasedonthekinematicsmathematicmodeltransform,whichisdiscussedwithsomeexamples.

Spacecraft;Controlsystem;Hardwareintheloopsimulation;Motionsimulator

2014-09-28

張新邦 (1946-)，男，上海青浦縣人，研究員，主要研究方向?yàn)楹教炱骺刂葡到y(tǒng)仿真。

V448.25+3

A

1006-3242(2015)01-0077-07