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(wù)衛(wèi)星GNC系統(tǒng)地面測(cè)試與在軌支持設(shè)計(jì)

饒衛(wèi)東，劉 蕊，肖 帥

(北京控制工程研究所，北京 100190)

針對(duì)在軌服務(wù)衛(wèi)星GNC系統(tǒng)的任務(wù)特性，設(shè)計(jì)了一套地面測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)模塊擴(kuò)展即可用于在軌服務(wù)技術(shù)支持.該系統(tǒng)已應(yīng)用于某型號(hào)GNC系統(tǒng)的地面測(cè)試和在軌運(yùn)行，穩(wěn)定性和可靠性良好.地面測(cè)試系統(tǒng)由動(dòng)力學(xué)仿真器、星上產(chǎn)品模擬器、ATS測(cè)試系統(tǒng)、三維顯示系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)充分驗(yàn)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(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，可視化程度更高，能適應(yīng)衛(wèi)星在軌服務(wù)等復(fù)雜工況.

在軌服務(wù)衛(wèi)星；GNC測(cè)試系統(tǒng)；在軌支持；三維避障

0 引 言

在軌服務(wù)型衛(wèi)星的主要任務(wù)和功能包括以下幾個(gè)方面：在軌目標(biāo)監(jiān)測(cè)，在軌輔助變軌，在軌燃料補(bǔ)給，在軌故障修復(fù)和在軌有限裝配等[1]，在軌服務(wù)衛(wèi)星能降低衛(wèi)星任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，減少任務(wù)費(fèi)用，增強(qiáng)任務(wù)系統(tǒng)功能及提高任務(wù)的靈活性等，在經(jīng)濟(jì)、國(guó)防和促進(jìn)空間技術(shù)發(fā)展方面有重要意義.

世界各航天大國(guó)都有不少在軌服務(wù)衛(wèi)星，2002年開(kāi)始的“地球靜止軌道清理機(jī)器人”(ROGER)計(jì)劃[2]旨在研究捕獲GEO非合作目標(biāo)衛(wèi)星并輔助其離軌等技術(shù).服務(wù)衛(wèi)星經(jīng)地面引導(dǎo)和自主導(dǎo)航至距離目標(biāo)15 m處，然后服務(wù)衛(wèi)星釋放網(wǎng)狀或繩系抓捕系統(tǒng)捕獲目標(biāo)，隨后服務(wù)衛(wèi)星將其拖入“墳?zāi)埂避壍溃c目標(biāo)分離后返回GEO等待下一次任務(wù).2003年1月，XSS-10成功完成了在軌試驗(yàn)[2]，驗(yàn)證了微小衛(wèi)星自主交會(huì)、目標(biāo)監(jiān)視的軟硬件技術(shù).“試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)”XSS-11小衛(wèi)星對(duì)圖像處理技術(shù)和自主交會(huì)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn).XSS-11于2005年4月入軌后，與火箭上面級(jí)在0.5～1.5 km的距離先后3次成功交會(huì)，驗(yàn)證了非合作目標(biāo)的自主交會(huì)技術(shù).2007年完成的“軌道快車”(Orbital Express)計(jì)劃[3]，其驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)包括自主交會(huì)與逼近、自主捕獲連接、燃料雙向傳輸、在軌電池和計(jì)算機(jī)模塊更換.Orbital Express計(jì)劃由目標(biāo)衛(wèi)星“下一代衛(wèi)星”(NEXTSat)和服務(wù)衛(wèi)星“自主空間傳送機(jī)器人軌道器”(ASTRO)組成.該計(jì)劃成功完成了在軌飛行試驗(yàn)，由于其具備在軌捕獲、模塊更換和在軌加注等多項(xiàng)功能，因而受到了高度關(guān)注，成為在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展史上的里程碑事件.

在軌服務(wù)是空間技術(shù)進(jìn)入新時(shí)代的標(biāo)志[4]，其中制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)作為衛(wèi)星核心分系統(tǒng)，其任務(wù)復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)衛(wèi)星，這也給衛(wèi)星的測(cè)試系統(tǒng)提出了更高的要求.本文以機(jī)械臂在軌操作服務(wù)型衛(wèi)星作為測(cè)試對(duì)象，給出了一種在軌服務(wù)型衛(wèi)星GNC測(cè)試系統(tǒng)組成方案.

1 測(cè)試系統(tǒng)介紹

1.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

(1)動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)仿真器

包括衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)仿真和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，前者模擬太空中衛(wèi)星姿態(tài)和軌道動(dòng)力學(xué)，接收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)(動(dòng)量輪和噴氣)輸出的控制電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)微分方程實(shí)時(shí)求解動(dòng)力學(xué)姿態(tài)、軌道狀態(tài)量，網(wǎng)絡(luò)打包輸出給姿態(tài)敏感器(模擬器).后者模擬機(jī)械臂關(guān)節(jié)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，接收關(guān)節(jié)姿態(tài)命令，實(shí)時(shí)輸出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息以及手眼相機(jī)位姿信息.

(2)星上產(chǎn)品模擬器

包括姿態(tài)敏感器模擬器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬器，其中姿態(tài)敏感器從網(wǎng)絡(luò)接收動(dòng)力學(xué)姿態(tài)和軌道信息，轉(zhuǎn)化并輸出相應(yīng)電信號(hào).執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬器接收星載計(jì)算機(jī)控制力和力矩電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)微分方程，求解出執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)量，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給動(dòng)力學(xué)仿真器.

(3)ATS自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)包括，圖形化顯示客戶端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，總線監(jiān)視器和主控電腦等.所有測(cè)試數(shù)據(jù)都在圖形化顯示客戶端中顯示，客戶端可將不同遙測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)字或者曲線形式在窗口中顯示；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器可以對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存，并由數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和開(kāi)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(shí)現(xiàn)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(yù)示電腦和三維實(shí)時(shí)顯示電腦兩部分.其中，三維實(shí)時(shí)顯示電腦在軌測(cè)試期間利用遙測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維模型，實(shí)時(shí)還原太空中衛(wèi)星的三維場(chǎng)景并在終端電腦中顯示；三維碰撞預(yù)示電腦在遙控上行通道中，利用歷史遙測(cè)數(shù)據(jù)和當(dāng)前遙控指令驅(qū)動(dòng)，顯示三維模型接下來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)碰撞并終止不恰當(dāng)遙控指令.

1.2 測(cè)試實(shí)時(shí)性

動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和星上模擬器系統(tǒng)測(cè)試機(jī)箱采用CPCI-6965 2.2GHZ雙核處理器，嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks6.6.測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速實(shí)時(shí)測(cè)試要求，精確保證每一控制周期完成既定控制任務(wù).

1.3 兼容性和擴(kuò)展性

為了兼容多種測(cè)試工況，測(cè)試機(jī)柜上設(shè)計(jì)了信號(hào)適配器.信號(hào)適配器開(kāi)發(fā)了2類以上接口，實(shí)現(xiàn)了模擬器和真實(shí)產(chǎn)品之間的兼容.擴(kuò)展性方面ATS自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)采用組播網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)測(cè)試設(shè)備互聯(lián)互通，復(fù)雜工況時(shí)能容易地接入其他終端設(shè)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(shí)現(xiàn)地面測(cè)試和在軌測(cè)試兩者無(wú)縫過(guò)渡.

2 測(cè)試系統(tǒng)原理

2.1 地面測(cè)試系統(tǒng)原理

地面測(cè)試時(shí)需要測(cè)試設(shè)備配合星上產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，主要是衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模擬器、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬器和ATS自動(dòng)化測(cè)試軟件等.地面測(cè)試分為全數(shù)字仿真測(cè)試和半物理仿真測(cè)試，全數(shù)字仿真采用模擬器替代所有衛(wèi)星產(chǎn)品，可驗(yàn)證衛(wèi)星姿、軌控算法和機(jī)械臂正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法.半物理仿真[6-7]采用真實(shí)星載計(jì)算機(jī)和部分衛(wèi)星產(chǎn)品，只有衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)采用軟件模擬.半物理仿真不僅可以測(cè)試星上軟件的算法邏輯，還能驗(yàn)證星上產(chǎn)品間的電接口性能，兩者都是衛(wèi)星GNC系統(tǒng)地面測(cè)試的重要手段.

半物理仿真測(cè)試期間，地面測(cè)試軟件模擬在軌機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)，采集下一拍機(jī)械臂指令，計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)角度和角速度，輸出目標(biāo)在手眼相機(jī)中的位置和姿態(tài).操控機(jī)構(gòu)線路得到目標(biāo)位姿誤差，調(diào)用路徑規(guī)劃和避障算法，計(jì)算得到下一拍機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令.

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

圖2 衛(wèi)星地面測(cè)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(dòng)化測(cè)試軟件、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、三維實(shí)時(shí)顯示軟件、三維碰撞檢測(cè)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)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(cè)系統(tǒng)是專為機(jī)械臂在軌操作提供支持，實(shí)時(shí)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(wù)提供在軌支持.在軌支持系統(tǒng)突出遙測(cè)實(shí)時(shí)性和在軌圖像的連續(xù)性，其中三維顯示計(jì)算機(jī)能預(yù)示空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，幫助測(cè)試人員檢測(cè)碰撞與干涉.

在軌支持系統(tǒng)除正常下傳衛(wèi)星和機(jī)械臂的常規(guī)遙測(cè)參數(shù)外，還會(huì)接收在軌圖像.當(dāng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，在末端固定安裝的手眼相機(jī)會(huì)連續(xù)對(duì)空間拍照，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)時(shí)下傳.利用這些實(shí)時(shí)圖像，測(cè)試人員能清楚地看到機(jī)械臂周圍的相對(duì)空間關(guān)系.當(dāng)需要完成在軌加注任務(wù)時(shí)，在衛(wèi)星上安裝的相機(jī)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星成像，測(cè)試人員通過(guò)圖像辨認(rèn)本星與目標(biāo)星之間的相對(duì)距離和相對(duì)姿態(tài)，確定衛(wèi)星下一步的控制策略.

衛(wèi)星機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)有觸碰其他星上產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，并且機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)較多(往往超過(guò)6個(gè)關(guān)節(jié))，各個(gè)關(guān)節(jié)之間在運(yùn)動(dòng)時(shí)也會(huì)存在互相干涉.僅僅依靠機(jī)械臂手眼相機(jī)拍攝的圖像區(qū)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)覆蓋不了潛在危險(xiǎn)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(shí)體對(duì)象，在軌測(cè)試期間利用遙測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)該三維對(duì)象，實(shí)時(shí)還原太空中衛(wèi)星的三維場(chǎng)景，在終端電腦中實(shí)時(shí)顯示.一般而言，衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)需要同時(shí)運(yùn)行2個(gè)三維顯示軟件，其中1個(gè)運(yùn)行在遙控上行通道中，用于運(yùn)動(dòng)碰撞檢測(cè)；另一個(gè)運(yùn)行在遙測(cè)下行通道中，用于測(cè)試人員實(shí)時(shí)查看星上部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系.

三維顯示系統(tǒng)中輸出碰撞報(bào)警提示，如果機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)接觸到衛(wèi)星其他部位或者關(guān)節(jié)之間互相產(chǎn)生干涉，報(bào)警標(biāo)志會(huì)被觸發(fā)并且軟件顯示碰撞部位相關(guān)信息.正因?yàn)槿绱?，上行的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)指令需作延遲處理，在延遲時(shí)間內(nèi)由地面運(yùn)動(dòng)模擬器提前執(zhí)行待發(fā)的運(yùn)動(dòng)指令序列，由三維碰撞檢測(cè)系統(tǒng)判定運(yùn)動(dòng)指令是否有效、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)是否有關(guān)節(jié)碰撞風(fēng)險(xiǎn).

3 測(cè)試系統(tǒng)性能驗(yàn)證

測(cè)試系統(tǒng)在完成地面GNC系統(tǒng)測(cè)試后，參加了衛(wèi)星在軌支持任務(wù).這里選取衛(wèi)星某次任務(wù)慣性指向機(jī)動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做對(duì)比分析，這次任務(wù)中滾動(dòng)角、俯仰角和偏航角分別機(jī)動(dòng)20°、20°和80°，機(jī)械臂關(guān)節(jié)1、3和5分別轉(zhuǎn)動(dòng)2°、23°和90°.圖4給出整星三軸姿態(tài)曲線，圖5給出機(jī)械臂關(guān)節(jié)姿態(tài)曲線.從圖5中可以看出，在軌飛行和地面測(cè)試機(jī)械臂關(guān)節(jié)角曲線基本一致，在軌飛行時(shí)關(guān)節(jié)角有輕微抖動(dòng).

4 結(jié) 論

針對(duì)在軌服務(wù)型衛(wèi)星GNC系統(tǒng)遙測(cè)和圖像實(shí)時(shí)性要求高、操作危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，提出了在軌服務(wù)型衛(wèi)星GNC測(cè)試系統(tǒng).介紹了測(cè)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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，最后對(duì)在軌飛行與地面測(cè)試姿態(tài)曲線進(jìn)行比較，結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)表現(xiàn)良好，可普遍用于在軌服務(wù)型衛(wèi)星GNC系統(tǒng)測(cè)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(cè)試曲線)Fig.4 3-Axis Attitude of the satellite (left: on-orbit, right: simulation)

圖5 機(jī)械臂關(guān)節(jié)角曲線(左:在軌曲線，右:測(cè)試曲線)Fig.5 Angles of manipulator ribs (left: on-orbit, right: simulation)

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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?yàn)樾l(wèi)星姿態(tài)與軌道控制；劉 蕊(1979—)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星姿態(tài)與軌道控制；肖 帥(1986—)，男，工程師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)械臂控制.