楊 楓，任 亮

(1.南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，南京 210016; 2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引言

在載人航天領(lǐng)域，多航天器交會對接技術(shù)是研制的關(guān)鍵和難題，交會對接閉環(huán)測試系統(tǒng)設(shè)計的重要性尤為突出，主要解決飛行任務(wù)階段，多航天器交互狀態(tài)的驗證問題，突破了系統(tǒng)電測中多維度測試的關(guān)鍵技術(shù)，為順利完成電測任務(wù)提出保障。

多航天器交會對接地面測試核心思想是將載人飛船和目標(biāo)飛行器融合成一個整體的測試對象，以統(tǒng)一的操作使其協(xié)調(diào)一致地同步完成遠距離導(dǎo)引、自主控制、交會及對接、?？考敖M合體運行、分離與撤離、二次對接等交會對接各主要環(huán)節(jié)，在地面真實呈現(xiàn)交會對接飛行的全過程，達到多船器聯(lián)合電測的目的。

1 交會對接閉環(huán)測試系統(tǒng)設(shè)計

多航天器交會對接地面測試任務(wù)主要是完成任務(wù)對應(yīng)各階段(自主飛行階段、目標(biāo)飛行器與載人飛船交會對接段、目標(biāo)飛行器與載人飛船交會對接準(zhǔn)備、交會對接、組合體、撤離段，與貨運飛船交會對接段、目標(biāo)飛行器與載人飛船交會對接準(zhǔn)備、交會對接、組合體、撤離段)的狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)切換、狀態(tài)模擬和狀態(tài)數(shù)據(jù)確認(rèn)。地面通過對飛行程序?qū)?yīng)的各飛行狀態(tài)的時序控制的協(xié)調(diào)性、接口的匹配性、信息傳遞正確定等進行測試，并對多航天器各部件的工作狀態(tài)及相互間的配合狀態(tài)進行充分驗證。

根據(jù)交會對接測試任務(wù)的要求，用于交會對接的多航天器聯(lián)合電測閉環(huán)測試系統(tǒng)主要需求如下：

1)并行開展多航天器電性能測試，并實現(xiàn)交會對接數(shù)據(jù)閉環(huán)驗證；

2)在交會對接總線數(shù)據(jù)交互中，通過總線模擬、總線數(shù)據(jù)分析、判讀實時對比并分析目標(biāo)飛行器代傳總線數(shù)據(jù)；以測試激勵和數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)測試過程的實時模擬、反饋和精度控制；

3)通過多數(shù)據(jù)源下行通道，進入數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)多航天器多通道信息流的控制處理與協(xié)同工作。測試往來載人航天器之間信息交互通道及信息流的正確性；

4)測試往來載人航天器交會對接敏感器和控制執(zhí)行設(shè)備的工作協(xié)同性；測試往來載人航天器對接分離時序和控制回路的正確性。

交會對接閉環(huán)測試系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 交會對接測試系統(tǒng)設(shè)計

1)基于多通道下行多數(shù)據(jù)流并行計算特點，建立以總控為核心的柔性框架測試系統(tǒng)，圖1所示(包括地面供配電設(shè)備、測控設(shè)備、數(shù)管設(shè)備、儀表設(shè)備，以及分系統(tǒng)模擬器設(shè)備)，在原有綜合測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加交會對接關(guān)鍵設(shè)備(對接機構(gòu)模擬器、推進補加模擬器、對接總線模擬器、供電并網(wǎng)控制器)等，系統(tǒng)可在此基礎(chǔ)上進行調(diào)整和擴展；

2)在自動化測試系統(tǒng)上，實現(xiàn)單航天器、多航天器并行、交會對接組合體三種狀態(tài)切換，并實時動態(tài)同步，數(shù)據(jù)遙測作為驅(qū)動，結(jié)合模擬源數(shù)據(jù)激勵形成數(shù)據(jù)閉環(huán)回路，建立回路上的測試系統(tǒng)；

3)利用飛行任務(wù)中對飛行程序任務(wù)段進行分解，建立飛行階段、飛行時間、飛行指令、下行遙測等層級的分層模型，利用多航天器聯(lián)試和接口驗證等手段，使用模擬器實現(xiàn)動力學(xué)模型、接口協(xié)議、程序的驗證，實現(xiàn)航天器間電氣接口的正確性確認(rèn)。

4)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，將多飛行器狀態(tài)管理、自動化測試技術(shù)、交會對接動態(tài)仿真監(jiān)視系統(tǒng)，整合多通道間的通信鏈路，使得測試數(shù)據(jù)同步一體化，并通過并行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)多通道多吞吐量數(shù)據(jù)實時入庫，實現(xiàn)交會對接多航天器同步數(shù)據(jù)的實時性要求。

2 交會對接閉環(huán)測試系統(tǒng)實現(xiàn)

基于交會對接測試任務(wù)需要，同步模擬交會對接時序、組合體時序、繞飛時序，同步模擬對接機構(gòu)的機電系統(tǒng)動作，驗證空空通信、總線通信、控制與推進系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)性和匹配性。在多航天器電測中實現(xiàn)同步的動態(tài)模擬飛行和信息交互。

2.1 基于開放式構(gòu)架一體化測試系統(tǒng)

為實現(xiàn)多航天器聯(lián)合電測，測試系統(tǒng)采用開放式構(gòu)架，形成以總控系統(tǒng)為核心，由控制臺統(tǒng)一執(zhí)行操作的一體化管理控制模式，各分系統(tǒng)專用測試設(shè)備主機接受總控設(shè)備的統(tǒng)一控制和命令設(shè)置，并對其它分系統(tǒng)相關(guān)測試設(shè)備進行控制。該開放式測試系統(tǒng)采用高可靠性、高通用化、高集成度的軟硬件構(gòu)成柔性系統(tǒng)，可根據(jù)需求組合疊加，通過硬件設(shè)置和軟件配置調(diào)整，即可實現(xiàn)單船、單器電測模式與船器聯(lián)合電測模式之間的靈活轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)構(gòu)建方案如下：

1)測試系統(tǒng)劃分為服務(wù)區(qū)、前置區(qū)、操作/應(yīng)用區(qū)三大組成部分。其中服務(wù)區(qū)部署的總控后臺數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)為統(tǒng)一核心，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理及存儲、查詢及判讀服務(wù)支持、GPS校時等功能。為每一航天器配有一前置區(qū)負責(zé)與被測航天器的直接交互，包括供配電、指令上行發(fā)送、數(shù)據(jù)下行接收、總線仿真監(jiān)視、動力學(xué)模型驅(qū)動等。為每一航天器配有一操作/應(yīng)用區(qū)，提供控制臺和數(shù)據(jù)監(jiān)視/查詢終端，供測試人員執(zhí)行測試操作，以及測試數(shù)據(jù)訪問。

2)單船、單器測試時，由服務(wù)區(qū)和一套與其對應(yīng)的前置區(qū)、操作/應(yīng)用區(qū)構(gòu)成測試系統(tǒng)，對單一航天器實施電測；船器間多航天器聯(lián)合電測時，以服務(wù)區(qū)為統(tǒng)一控制的樞紐，將每一航天器的前置區(qū)、操作/應(yīng)用區(qū)通過信息流的實時融合，形成一體化的船器聯(lián)合測試系統(tǒng)，航天器間則通過空空通信和對接總線交互，并由測試系統(tǒng)通過上行指令和下行遙測構(gòu)成的大回路閉環(huán)控制形成一體，并通過服務(wù)區(qū)的GPS時統(tǒng)校時，實現(xiàn)統(tǒng)一時間基準(zhǔn)下的全系統(tǒng)動態(tài)同步聯(lián)動。

3)由于測試系統(tǒng)中的設(shè)備采用開放式的通用化模塊化設(shè)計，并采用虛擬儀器、軟件無線電等柔性設(shè)計，使前置區(qū)、操作/應(yīng)用區(qū)具有良好的通用互換性和使用彈性，在單航天器電測和多航天器聯(lián)合電測之間轉(zhuǎn)換時，僅需進行少量的硬件設(shè)置調(diào)整，并更換軟件配置，即可實現(xiàn)快速的模式轉(zhuǎn)換，測試準(zhǔn)備所需時間不超過2周。

2.2 對接分離時序聯(lián)合閉環(huán)測試同步一體化設(shè)計

對接機構(gòu)是完成交會對接任務(wù)的重要組成部分，其關(guān)鍵性環(huán)節(jié)在于對接和分離兩個過程對機械組件的時序控制，因此必須對對接和分離過程的時序設(shè)計正確性合理性，以及對接機構(gòu)與船、器相關(guān)設(shè)備控制與信息傳遞的協(xié)調(diào)性進行測試。為此針對對接分離時序設(shè)計了專項測試方案如下：

圖2 對接分離時序聯(lián)合閉環(huán)測試同步一體化設(shè)計與實施示意圖

1)對接分離時序試驗執(zhí)行船器正常聯(lián)合模飛中的二次對接過程測試序列，并引入了對接分離時序試驗臺驅(qū)動真實對接機構(gòu)機械組件的軸向運動，實現(xiàn)對接分離過程的驗證測試。

2)測控通信及數(shù)管分系統(tǒng)獲得GNC實時測量的載人飛船相對目標(biāo)飛行器的軸向相對距離、軸向相對速度等信息，通過遙測系統(tǒng)下傳至綜合測試總控，當(dāng)處于試驗設(shè)定的軸向相對距離范圍后，由綜合測試總控控制對接分離時序試驗臺控制設(shè)備，試驗臺控制設(shè)備控制試驗臺上支座帶動被動對接機構(gòu)機械組件，使其按照軸向相對速度Vx相對主動對接機構(gòu)機械組件進行實時同步的軸向上下運動，從而實現(xiàn)兩航天器的相互接近和分離的實時動態(tài)同步一體化仿真模擬。

3)由飛船綜合測試總控根據(jù)來自遙測數(shù)據(jù)的真實接觸信號或分離信號控制試驗臺控制設(shè)備，試驗臺控制設(shè)備啟動試驗臺隨動功能，實現(xiàn)試驗臺上支座上下運動隨動和下支座水平轉(zhuǎn)動隨動，同時兩航天器對接機構(gòu)機械組件按程序自動同步完成接觸、捕獲、緩沖、推出、拉回、鎖緊、復(fù)位、解鎖、分離推桿推出等的對接分離全過程動作。

2.3 多航天器模擬飛行程控指令大回路解析

在交會對接過程中，多航天器協(xié)同合作完成交會對接以及組合體飛行中，產(chǎn)生了多通道的指令和數(shù)據(jù)信息流：空間站往來飛行器通過空空對接設(shè)備產(chǎn)生的遙控指令和遙測參數(shù)，對接總線設(shè)備產(chǎn)生的遙控指令和遙測參數(shù)；往來飛行器通過空間站代傳下行的遙測參數(shù)；

實現(xiàn)多航天器間多通道指令和數(shù)據(jù)信息流的控制和處理就尤為重要，圖3所示，相對于單飛行器試驗，多飛行器通過聯(lián)合控制臺和數(shù)據(jù)中心對多航天器聯(lián)合試驗過程中多通道大回路指令和數(shù)據(jù)信息流的動態(tài)同步及實時融合，用戶可在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境中通過訂閱飛行器或組合體的指令和數(shù)據(jù)信息，使同步一體化呈現(xiàn)，對指令和數(shù)據(jù)進行同步的聯(lián)合比較。

圖3 大回路比對圖

實現(xiàn)多航天器間多通道大回路指令和數(shù)據(jù)信息流的有效控制處理及判讀是交會對接測試的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)設(shè)計中采用一種大回路比對的方法。航天器模擬飛行程控指令大回路解析與比對技術(shù)通過對航天器遙測數(shù)據(jù)的解析，獲得與指令和文件發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行比對、分析，判斷航天器接收和發(fā)送指令的各項功能和性能是否滿足設(shè)計要求，確保測試準(zhǔn)確性、正確性，對其設(shè)計和實施方案如下：

1)飛船總控對所有飛船指令及下行數(shù)據(jù)(包含來自目標(biāo)飛行器的數(shù)據(jù))進行發(fā)送及解算存儲；

2)目標(biāo)飛行器總控對所有目標(biāo)飛行器指令及下行數(shù)據(jù)(包含來自載人飛船的數(shù)據(jù))進行發(fā)送及解算存儲；

3)通過聯(lián)合控制臺和數(shù)據(jù)中心對飛船和目標(biāo)飛行器數(shù)據(jù)實現(xiàn)多通道大回路指令和數(shù)據(jù)信息流的動態(tài)同步及實時融合，用戶可在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境中通過自定義頁面自由訂閱任一航天器的指令和數(shù)據(jù)信息，使其同步無縫銜接并一體化呈現(xiàn)，對指令和數(shù)據(jù)進行同步的聯(lián)合交叉比對處理分析。

在航天器模擬飛行測試中，可以極大的提高測試效率，降低誤判和漏判率，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)訂閱模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、內(nèi)容比較模塊、時間比對模塊、文件存儲模塊、結(jié)果查詢模塊、界面顯示模塊、配置管理模塊，其指令比對工作流程如圖4所示。

圖4 指令比對工作流程圖

2.4 “零”米信號設(shè)計

多艙聯(lián)合測試，需要檢驗各艙間接口匹配性，空間站各艙段航天器采用各自總控設(shè)備，指令控制、數(shù)據(jù)處理、判讀由各自總控系統(tǒng)獨立執(zhí)行，測試數(shù)據(jù)可以代傳共享，具備指令、參數(shù)交互能力，對接及轉(zhuǎn)位機構(gòu)能夠接收其他往來飛行器GNC發(fā)送的零米信號和貨船總控發(fā)送的分離開始指令；

通過對接機構(gòu)模擬器模擬對接機構(gòu)交會對接和分離過程中的機電動作，由綜合測試總控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多航天器對接機構(gòu)模擬器之間的同步控制。以飛船對接目標(biāo)飛行器為例，由飛船動力學(xué)仿真模型驅(qū)動源根據(jù)兩航天器相對距離給出“零米”或“分離開始”信號，模擬對接機構(gòu)接觸狀態(tài)，送飛船綜合測試總控，作為交會對接關(guān)鍵事件觸發(fā)條件。飛船綜合測試總控將此信號轉(zhuǎn)發(fā)給載人飛船對接機構(gòu)模擬器，同時傳送至目標(biāo)飛行器總控并轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)飛行器對接機構(gòu)模擬器，兩航天器對接機構(gòu)模擬器根據(jù)此信號進行同步。飛船對接機構(gòu)模擬器在接收到“零米”或“分離開始”信號后，直接將動作控制信號轉(zhuǎn)送給目標(biāo)對接結(jié)構(gòu)模擬器，實現(xiàn)兩模擬器的機電系統(tǒng)同步做出連續(xù)模擬對接或分離動作。

GNC分系統(tǒng)將零米信號按照設(shè)備通報信息格式送至綜合測試總控主測試計算機(MTP)，對接機構(gòu)分系統(tǒng)的對接機構(gòu)模擬器向數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)器(RTS)訂閱零米信號。零米信號的發(fā)送格式見表1。

表1 零米信號信息格式

信息體為ZM，代表零米信號(zero meter)，為ASCII碼表示，2個字節(jié)。MTP將測試序列運行狀態(tài)信息向測試局域網(wǎng)廣播。

3 實驗結(jié)果與分析

多航天器聯(lián)合閉環(huán)測試系統(tǒng)完成了多次船器聯(lián)合測試及發(fā)射場測試任務(wù)，驗證了多航天器聯(lián)合測試及大系統(tǒng)聯(lián)試期間系統(tǒng)時間同步及指令控制同步。順利完成測試任務(wù)：

1)實現(xiàn)多航天器間指令判讀100%、參數(shù)判讀95%以上，驗證30 000余參數(shù)，3 000多條指令全覆蓋，實現(xiàn)了100%飛行事件的自動判讀。

2)聯(lián)合電測系統(tǒng)時間精度優(yōu)于1 s。

3)多航天器間指令發(fā)送間隔不大于1 s。

4)航天期間對接機構(gòu)時序同步控制時間延遲<200 ms。對接分離同步控制通信時間延遲<1 s。

實驗結(jié)果表明，多航天器聯(lián)合閉環(huán)測試系統(tǒng)的設(shè)計與驗證實現(xiàn)了傳統(tǒng)方案難以滿足的多航天器協(xié)同飛行以及同步動態(tài)時序動作的1：1真實模擬測試條件，充分覆蓋了在軌工況，節(jié)省了數(shù)據(jù)處理運算量需求，同時降低了約30%的判讀工作量，提升了電測水平，縮短了研制周期。

4 結(jié)束語

用于交會對接的多航天器聯(lián)合閉環(huán)測試的設(shè)計與實施，實現(xiàn)了多航天器間的一體化實時動態(tài)同步電測，實現(xiàn)了多航天器及其測試系統(tǒng)的時序同步，以及敏感器及其模擬器和機電系統(tǒng)的動力學(xué)模型同步動態(tài)聯(lián)合實時驅(qū)動的同步控制，采用了多航天器一體化實時精確控制的自動化測試，以及多航天器間多通道大回路信息流的實時統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)點在于：

1)采用了通用化模塊化的柔性開放式測試系統(tǒng)設(shè)計，測試模式調(diào)整轉(zhuǎn)換靈活快捷，使測試及測試準(zhǔn)備的效率和進度大幅度提高。

2)成功利用0米信號差分GNSS相對定位仿真模擬、數(shù)管對接仿真模擬、交會對接敏感器仿真模擬、動力學(xué)仿真等仿真模擬技術(shù)，完成兩航天器交會對接設(shè)計的驗證，經(jīng)地面測試和實際在軌飛行的比對，仿真模擬技術(shù)達到了預(yù)期應(yīng)用效果；

3)交會對接任務(wù)模擬飛行程控指令大回路比對技術(shù)，程控與遙測大回路比對。地面上行數(shù)據(jù)通過航天器多通道回環(huán)下行與地面存儲數(shù)據(jù)交叉比對。

4)實現(xiàn)多航天器聯(lián)合測試期間測試系統(tǒng)時間與指令控制同步、航天器測試數(shù)據(jù)信息交互、代傳，驗證航天器交會對接過程中指令控制與信息交互技術(shù)。