手控交會對接任務(wù)中顯示-控制系統(tǒng)的工效學(xué)研究

王春慧 蔣 婷

（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

1 引言

繼出艙活動任務(wù)之后，我國將突破交會對接技術(shù)作為載人航天二步一階段的重點(diǎn)任務(wù)。交會對接技術(shù)是一項十分復(fù)雜、難度很高的航天技術(shù)，是完成其他后續(xù)航天任務(wù)的關(guān)鍵步驟和先決條件。根據(jù)航天員和飛船自控系統(tǒng)參與程度的不同，交會對接包括自動控制和手動控制兩種。美國較多地應(yīng)用手控方式，而俄羅斯則主要采用自控方式，但自控方式并不排斥手控方式，美、俄也在充分利用手控和自控相結(jié)合帶來的好處，并且不斷提高和改進(jìn)手動控制系統(tǒng)，使之日臻完善。自20世紀(jì)60年代以來，美、俄主要航天大國已進(jìn)行了200多次的空間交會對接活動，其中已應(yīng)用手控交會對接技術(shù)完成了大量的空間站維修和組織、乘員的輪換、貨物的補(bǔ)給、衛(wèi)星的捕獲等一系列空間活動。

在手控交會對接中，由于人具有觀察、分析、判斷、決策和處理能力，手控交會對接任務(wù)中，航天員能夠?qū)ο到y(tǒng)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時地判斷和決策，從而有效地提高任務(wù)的成功率。但是，航天員在手控交會對接任務(wù)中的工作負(fù)荷和心理壓力很大，首先，航天員在短時間內(nèi)要對有限的觀察視景和大量參數(shù)信息進(jìn)行搜索和加工，從而判斷兩航天器的相對位置和速度；其次，航天員要同時控制飛船，將兩航天器的相對位置及速度控制在要求的精度范圍內(nèi)，從而保障對接機(jī)構(gòu)能夠順利捕獲并完成對接；此外，還要受到任務(wù)實(shí)施時測控通信時間窗口和燃料消耗的約束條件限制。

為了有效保障手控交會對接任務(wù)的成功率，除了在選拔和訓(xùn)練中提高航天員的觀察能力、情景意識、控制能力外，還應(yīng)優(yōu)化顯示-控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計，使之與航天員的能力相匹配，保證航天員高效、可靠地完成觀察和操作。

2 手控交會對接工效學(xué)研究內(nèi)容

圖1 手控交會對接的人-顯示-控制系統(tǒng)

手控交會對接系統(tǒng)是一個典型的有人參與的人-顯示-控制系統(tǒng)，如圖1所示。手控交會對接過程中，航天員在飛船中，通過觀察顯示界面中的各種參數(shù)和圖像信息，來判斷飛船和目標(biāo)航天器的相對位置和姿態(tài)關(guān)系，通過操作控制手柄來控制飛船的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)兩個航天器的交會和對接。

人-顯示-控制系統(tǒng)中，顯示界面、控制系統(tǒng)與人的能力的匹配程度決定了系統(tǒng)的操作績效。因此，需要針對手控交會對接任務(wù)中的顯示-控制系統(tǒng)開展工效學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，探索針對整個人控回路績效評估的評價指標(biāo)和方法。為手控交會對接任務(wù)中飛船的工程設(shè)計、程序安排、人員分工等方面提出工效學(xué)的設(shè)計要求，為顯示-控制系統(tǒng)評價提供有效的指標(biāo)系統(tǒng)和方法。

2.1 顯示界面

在手控交會對接高工作負(fù)荷的情況下，航天員要在極短的時間內(nèi)，完成信息的搜索、判讀、決策等一系列認(rèn)知活動，因此，信息的顯示內(nèi)容、方式及布局等方面是否符合航天員的認(rèn)知習(xí)慣，直接影響到航天員判斷和決策的正確性。

（1）由于手控交會對接過程中，航天員需關(guān)注的信息量很大，必須對航天員所需的信息顯示內(nèi)容及重要等級進(jìn)行了分析，以降低航天員的腦力負(fù)荷。

（2）目標(biāo)航天器靶標(biāo)圖像信息是航天員進(jìn)行手控交會對接最主要的觀察信息，需要對靶標(biāo)圖像（靶標(biāo)在圖像中呈現(xiàn)的尺寸、形狀、顏色和標(biāo)志點(diǎn)等信息）及標(biāo)尺信息的可判讀性開展相關(guān)研究。

（3）除了圖像信息外，航天員還需要觀察大量的數(shù)值信息，例如時間、燃料消耗、位移及姿態(tài)、速度等。因此，需要對數(shù)值信息的顯示方式、顯示精度、頁面布局等方面開展研究，以增強(qiáng)航天員的情景意識，降低工作負(fù)荷，縮短判斷和決策的時間。

2.2 控制系統(tǒng)

手控交會對接過程中航天員通過操作手柄來控制飛船實(shí)現(xiàn)兩個航天器的交會對接，航天員控制能力與飛船的控制特性的匹配性是決定航天員能否成功操控飛船完成交會對接任務(wù)的關(guān)鍵。

（1）航天員與飛船的操控界面是控制手柄，需要針對手柄的極性、控制方式等方面開展研究，使控制手柄的特性與航天員的認(rèn)知及操作習(xí)慣一致，從而保障航天員以最快的反應(yīng)速度對航天器實(shí)施操控。

（2）針對飛船的控制延時、姿態(tài)最大的控制量、自控轉(zhuǎn)手控交會對接初始偏差的邊界條件等方面開展研究，保證飛船的控制特性與航天員的控制能力相匹配，從而減少航天員的作業(yè)負(fù)荷。

2.3 人控回路的評價指標(biāo)及方法

手控交會對接是有人參與的任務(wù)，整個過程是一個典型的人控回路，回路中人、顯示界面和控制系統(tǒng)相互匹配程度的高低決定了交會對接任務(wù)的完成績效。因此，有必要對整個人控回路的績效進(jìn)行評估，針對手控交會對接，開展評價指標(biāo)和評價方法的研究。

3 半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺

為了研究上述手控交會對接工效學(xué)問題，構(gòu)建了半物理的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，用以模擬最后150m的手控交會對接過程，并提供相對真實(shí)的手控交會對接人機(jī)界面。

該平臺建立了模擬座艙，在艙內(nèi)安裝了座椅、儀表板、控制手柄，其外形、性能狀態(tài)及相對位置為真實(shí)狀態(tài)。交會對接動力學(xué)和顯示界面主要以仿真的方法建立，并使其具有一定的真實(shí)性。

此外，該實(shí)驗(yàn)平臺為了滿足工效實(shí)驗(yàn)研究的需求，其人機(jī)界面硬件和軟件的設(shè)計參數(shù)為可調(diào)節(jié)的，例如手柄的安裝位置、顯示界面中顯示內(nèi)容、顯示方式、布局方式、布局位置、動力學(xué)參數(shù)、對接靶標(biāo)、標(biāo)尺、攝像機(jī)視場角、對接初始條件等。

4 手控交會對接實(shí)驗(yàn)研究

針對手控交會對接工效學(xué)問題，在半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺中，開展了參試者培訓(xùn)、顯示界面方案、控制系統(tǒng)特性參數(shù)、評價指標(biāo)和方法等近3500人次的手控交會對接實(shí)驗(yàn)研究。

4.1 顯示界面的實(shí)驗(yàn)研究

（1）針對信息顯示內(nèi)容和重要性等級，在顯示界面中設(shè)計顯示各種數(shù)值信息，包括兩航天器軸向距離及速度、六個自由度的偏差、速度及加速度、控制時間、燃料消耗、視場狀態(tài)等，讓參試者通過觀察這些信息來完成交會對接操作。利用眼動跟蹤技術(shù)，通過參試者的眼動軌跡和注視時間等指標(biāo)來分析受試者在不同階段對數(shù)值信息的關(guān)注程度，并在實(shí)驗(yàn)后收集參試者的主觀感受；

（2）針對目標(biāo)航天器靶標(biāo)圖像及標(biāo)尺的可讀性，設(shè)計了實(shí)驗(yàn)方案和對照方案，如圖2所示。對兩組方案中的十字架的長度、底盤刻度設(shè)計、刻度與底盤邊緣間隔、標(biāo)尺刻度等級、粗細(xì)及顏色等方面進(jìn)行比對分析。通過對參試者的主觀感受和兩組方案的操作精度和績效進(jìn)行差異性分析，比較兩組方案的優(yōu)劣；

圖2 靶標(biāo)及標(biāo)尺實(shí)驗(yàn)方案

（3）針對圖形化信息顯示方式，采用兩個象形物來分別表示位移和姿態(tài)的控制偏差，根據(jù)六個自由度的坐標(biāo)軸的布局設(shè)計了分離式和組合式兩種圖形化顯示方案，如圖3所示。通過參試者主觀感受、操作精度和績效來分析方案及各要素的優(yōu)劣。

圖3 圖形顯示形式方案

4.2 控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

控制系統(tǒng)相關(guān)研究內(nèi)容主要是摸索控制系統(tǒng)特性參數(shù)中，與人的控制能力相匹配的邊界值。

（1）針對控制手柄的極性，分別針對上下、左右、俯仰和偏航四個自由度的操作極性，設(shè)計了共五種手柄極性的狀態(tài)。通過對這五種狀態(tài)下參試者操作精度和績效進(jìn)行差異性分析，來確定操作精度和績效最優(yōu)的極性狀態(tài)。

（2）針對控制系統(tǒng)延時，對系統(tǒng)延時參數(shù)設(shè)置了0s、1s和2s三個水平。通過操作精度及績效來分析不同水平的系統(tǒng)延時對參試者操作的影響程度，并與參試者的主觀感受相比較。

（3）針對姿態(tài)控制最大角速度，對字體控制最大角速度參數(shù)設(shè)置了 0.3°/s、0.5°/s和 0.6°/s三個水平。

（4）針對自控轉(zhuǎn)手控交會對接初始條件，分別在100m、50m、30m和20m的軸向距離上，設(shè)置初始邊界為位移偏差8m、姿態(tài)偏差10°，軸向初始速度分別為0.3m/s和0.5m/s。

4.4 評價指標(biāo)及方法的實(shí)驗(yàn)研究

評價指標(biāo)和評價方法是通過對不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下績效指標(biāo)的變化規(guī)律、相關(guān)性等特性的分析，對績效指標(biāo)（包括成功率、控制時間、燃料消耗、累計偏差、平均偏差、平均速度、最大速度和進(jìn)入對接準(zhǔn)入條件的距離等）進(jìn)行篩選，確定敏感指標(biāo)。根據(jù)客觀績效指標(biāo)的內(nèi)在規(guī)律摸索和確定賦權(quán)方法并建立評價模型。

為了對指標(biāo)體系和模型進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：正常手控交會對接任務(wù)的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和添加了副作業(yè)的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的比對實(shí)驗(yàn)，用于驗(yàn)證指標(biāo)體系和評價模型的效度和信度。

5 研究結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到以下研究結(jié)果：

5.1 信息顯示的研究結(jié)果

通過對顯示信息內(nèi)容、圖形化信息顯示形式和靶標(biāo)圖像信息的實(shí)驗(yàn)研究，可以得出：

（1）信息顯示內(nèi)容及重要性等級實(shí)驗(yàn)中主觀問卷和眼動分析指標(biāo)的數(shù)據(jù)表明：受試者在手控交會對接不同階段關(guān)注的信息不同，同一階段對不同信息的關(guān)注程度也是不一樣的，其中兩航天器的軸向距離和速度最重要，其次為兩航天器六個自由度的相對偏差和速度、控制時間及燃料消耗等信息。因此，工程設(shè)計中應(yīng)盡可能將兩航天器的軸向距離和速度信息呈現(xiàn)給航天員。

（2）靶標(biāo)圖像及標(biāo)尺的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：對照方案優(yōu)于實(shí)驗(yàn)方案，其中，靶標(biāo)十字架的長度不宜過長，以便在近距離能夠辨識十字架和底盤刻度線；靶標(biāo)底盤刻度線與底盤邊緣應(yīng)保留一定的空隙，方便受試者盡早的辨識靶標(biāo)；標(biāo)尺在不同視場下應(yīng)有明顯區(qū)分，標(biāo)尺刻度線應(yīng)能輔助受試者對軸向距離判讀。根據(jù)對各個要素的分析，提出了較優(yōu)的靶標(biāo)圖像和標(biāo)尺設(shè)計方案，如圖4所示。

（3）圖形化信息顯示形式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：圖形化信息顯示方式能夠顯著提高受試者的判讀速度和操作精度，其中組合式的設(shè)計方案優(yōu)于分離式。根據(jù)圖形化信息顯示方案中象形物、標(biāo)尺和提示框等顯示要素的分析，設(shè)計提出了較優(yōu)的圖形頁面設(shè)計方案，如圖5所示。

圖4 靶標(biāo)底盤及標(biāo)尺設(shè)計方案

圖5 圖形顯示頁面設(shè)計方案

5.2 控制系統(tǒng)的研究結(jié)果

通過對控制手柄極性、系統(tǒng)控制延遲、系統(tǒng)控制增益等實(shí)驗(yàn)研究，得出了以下的主要研究結(jié)果：

（1）手控極性實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，不同手柄極性的操作績效有顯著差異，其中，平移手柄與飛船運(yùn)動方向一致，而姿態(tài)手柄與飛船運(yùn)動方向相反,該極性基于杠桿原理，比較符合人的認(rèn)知和操作控制習(xí)慣,績效最好。

（2）控制系統(tǒng)延時實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，控制延時2s與1s和0s相比，成功率和操作績效呈顯著下降，受試者的主觀感受也表明2s的控制延時不可控。

（3）姿態(tài)控制最大角速度實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，在姿態(tài)采用速度控制的方式下，姿態(tài)控制最大角速度對航天員手控交會對接有影響。在0.3°/s-0.6°/s的姿態(tài)控制最大角速度范圍內(nèi)，隨著姿態(tài)控制最大角速度的增大，成功率和操作績效呈上升趨勢。0.3°/s與0.5°/s、0.6°/s相比績效有顯著差異，但 0.5°/s和 0.6°/s間績效無顯著性差異。

（4）自控轉(zhuǎn)手控初始條件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著兩航天器軸向距離的減小和初始速度的增大，受試者的操控績效呈顯著性下降。因此，工程設(shè)計中，應(yīng)盡量在兩航天器軸向距離較遠(yuǎn)、相對速度較小并保證目標(biāo)航天器在可視范圍的情況下實(shí)施自控轉(zhuǎn)手控。

5.3 評價指標(biāo)和評價方法的研究結(jié)果

通過手控交會對接綜合績效指標(biāo)理論研究和對手控交會對接實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)挖掘，得到了以下的主要研究結(jié)果：

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，手控交會對接的績效指標(biāo)有明顯的階段性特征，依據(jù)此特征可將整個手控交會對接過程劃分為遠(yuǎn)距離的追蹤控制段（100m～20m）、近距離的精確控制段（20m～0m）和對接時刻（0m），三階段內(nèi)的績效指標(biāo)的敏感程度不同，例如受試者在遠(yuǎn)距離的情況下主要以通過帆板控制滾轉(zhuǎn)偏差為主，因此，滾動偏差指標(biāo)在追蹤控制段敏感，在精確控制段不敏感；

（2）依據(jù)手控交會對接的三階段，建立了績效指標(biāo)系統(tǒng)，包含三個層面的指標(biāo)：交會對接過程控制指標(biāo)、對接結(jié)果指標(biāo)對和時刻精度指標(biāo)，分別反映了交會對接過程以及結(jié)果的優(yōu)劣程度；

（3）通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對接過程的指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，根據(jù)該相關(guān)性利用因子分析的方法來對指標(biāo)賦權(quán)重；對接精度指標(biāo)中，指標(biāo)與各自由度控制的難易程度具有一定的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)數(shù)據(jù)中指標(biāo)反映的差異程度，采用了熵值法來賦權(quán)重。該模型利用客觀指標(biāo)的規(guī)律和特性來賦權(quán)重，克服了傳統(tǒng)專家打分評價方法的主觀性和不穩(wěn)定性，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，該評價方法能夠可靠、有效的對手控交會對接任務(wù)顯示-控制系統(tǒng)的操作綜合績效進(jìn)行評估。

6 總結(jié)

手控交會對接是交會對接技術(shù)的重要組成部分，是典型的有人參與的人控回路系統(tǒng)，該系統(tǒng)中顯示界面和控制系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了整個手控交會對接任務(wù)的成敗。借助半物理的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，針對手控交會對接過程中與人相關(guān)因素，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究得出了一定的研究結(jié)果，為手控交會對接顯示-控制系統(tǒng)的工程設(shè)計提供了參考，為手控交會對接的工效學(xué)的要求和評價提供了數(shù)據(jù)支撐和方法。

［1］Wigbert Fehse.Automated Rendezvous and Docking of Spacecraft.Cambridge University Press,UK,2003.

［2］Philip N.K.,Ananthasayanam M.R..Relative position and attitude estimation and control schemes for final phase of an autonomous docking mission of spacecraft.Acta Astronautica 2003（52）:511-522.

［3］Masliah M.R.,Milgram P..Measuring in a six Degree-of-Freedom Docking Experiment,Ergonomics in Teleportation and Control Lab,University of Toronto,2000.

［4］林來興.空間交會對接技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，1995.9.

［5］中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材工作委員會，航天工效學(xué)，北京：國防工業(yè)出版社，2003.1.