空間智能操控裝備在軌服務(wù)建模與仿真研究

張學(xué)波, 于小紅, 張智海

(1.裝備學(xué)院研究生管理大隊,北京101416; 2.裝備學(xué)院航天指揮系,北京101416)

空間智能操控裝備在軌服務(wù)建模與仿真研究

張學(xué)波1, 于小紅2, 張智海1

(1.裝備學(xué)院研究生管理大隊,北京101416; 2.裝備學(xué)院航天指揮系,北京101416)

為了保證空間智能操控裝備在軌服務(wù)任務(wù)的順利實施,研究了與其相關(guān)的規(guī)劃、建模與仿真等關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,研制開發(fā)了一套空間智能操控裝備在軌服務(wù)仿真系統(tǒng);該系統(tǒng)采用HLA/RTI仿真框架,實現(xiàn)了空間態(tài)勢監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃、軌道機(jī)動規(guī)劃、測控資源計算、軌道機(jī)動仿真、在軌操作仿真、控制指令生成與發(fā)送等功能。基于該仿真系統(tǒng),進(jìn)行了空間智能操控裝備在軌服務(wù)任務(wù)的仿真分析,對關(guān)鍵任務(wù)節(jié)點進(jìn)行了反復(fù)驗證。

空間智能操控裝備;在軌服務(wù);任務(wù)規(guī)劃;軌道機(jī)動規(guī)劃

在軌服務(wù)是指在空間通過人、機(jī)器人或二者協(xié)同完成的空間操作,涉及延長各種航天器壽命、提升執(zhí)行任務(wù)能力以及清除軌道垃圾[1]。目前,在軌服務(wù)技術(shù)正逐漸向無人自主的方向發(fā)展?？臻g智能操控裝備是指具有對空間合作或非合作目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤、接近和在軌操作能力,兼有智能自主控制模式或地面遙操作控制模式,能夠執(zhí)行空間主動防護(hù)、在軌狀態(tài)監(jiān)測和在軌裝備保障等多種任務(wù)的新型智能航天器。近年來,以美、日、歐等為代表的航天大國紛紛開展空間智能操控裝備的研制和試驗,主要包括：美國的“軌道快車”[2-3]和“通用軌道修正航天器”、日本的“工程試驗衛(wèi)星”[4]、德國的“實驗服務(wù)衛(wèi)星”等。結(jié)合高保真空間環(huán)境在軌服務(wù)任務(wù)的前期仿真分析,是空間智能操控裝備任務(wù)成功與否的重要保證,是提前發(fā)現(xiàn)隱患、避免事故的重要手段,也是對其能力進(jìn)行驗證的有效途徑,還可對其關(guān)鍵性能指標(biāo)和效能指標(biāo)進(jìn)行評估。為此,本文研制開發(fā)了一套空間智能操控裝備在軌服務(wù)仿真系統(tǒng),以支持空間智能操控裝備在不同任務(wù)階段的仿真分析。

1 仿真系統(tǒng)的設(shè)計

通過對空間智能操控裝備在軌服務(wù)任務(wù)流程[5]的分析,將仿真系統(tǒng)劃分為8個主要模塊：態(tài)勢監(jiān)控模塊、任務(wù)規(guī)劃模塊、軌道機(jī)動規(guī)劃模塊、軌道機(jī)動仿真模塊、在軌操作仿真模塊、資源計算模塊、指令生成模塊和指令發(fā)送模塊。由于模塊之間要高度集成和相互聯(lián)動,所以高層體系結(jié)構(gòu)HLA(high level agriculture,HLA)是理想的系統(tǒng)架構(gòu)方案。這里采用MAK RTI(run time interface)3.1作為通信服務(wù)的基礎(chǔ)軟件,同時將各個模塊作為仿真系統(tǒng)的基本聯(lián)邦成員,各成員之間通過RTI基本協(xié)議來完成交互[6],系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于HLA/RTI的空間智能操控裝備在軌服務(wù)仿真系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)聯(lián)邦成員及功能的設(shè)置,制定實體類及屬性、交互類及參數(shù)。主要實體類包括：空間智能操控裝備類、目標(biāo)航天器類、地面測控站類、中繼衛(wèi)星類等(如表1所示)。主要交互類包括：空間目標(biāo)探測交互類、數(shù)據(jù)中繼交互類、軌道機(jī)動規(guī)劃交互類、飛行任務(wù)規(guī)劃交互類等。此外,還要設(shè)置軌道根數(shù)、控制命令、速度矢量、位置矢量、載荷參數(shù)等復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表1 主要實體類及屬性表

按照人在回路的操作方式,空間智能操控裝備的在軌服務(wù)任務(wù)可以劃分為人工在軌操控(如維修哈勃望遠(yuǎn)鏡)、半自主(如日本的“工程試驗衛(wèi)星”)、全自主(如美國的“軌道快車”)3種。對于人工和半自主操控方式,需要對星地延時進(jìn)行模擬,并進(jìn)行閉環(huán)控制。對于全自主方式,一般可以不需要閉環(huán)控制。該仿真推演系統(tǒng)模擬全自主控制方式,即地面進(jìn)行任務(wù)級規(guī)劃,星上自主進(jìn)行事件級和指令級規(guī)劃,并自主完成調(diào)度。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

空間智能操控裝備在軌服務(wù)仿真系統(tǒng)主要用到規(guī)劃、建模和仿真3個方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 規(guī)劃技術(shù)

規(guī)劃技術(shù)主要涉及空間智能操控裝備的任務(wù)規(guī)劃、軌道機(jī)動規(guī)劃和機(jī)械臂的路徑規(guī)劃等技術(shù)。

2.1.1 基于標(biāo)稱程序的任務(wù)規(guī)劃

空間智能操控裝備的任務(wù)規(guī)劃是指在特定的操控約束下,求解完成操作目標(biāo)的操控活動序列[7]。相對于傳統(tǒng)航天器來說,操控任務(wù)規(guī)劃周期更短、活動間隔更緊密、約束關(guān)系更復(fù)雜、對實時性要求更高。操控任務(wù)規(guī)劃一般包含任務(wù)級規(guī)劃、事件級規(guī)劃和指令級規(guī)劃3個層次,此處的任務(wù)規(guī)劃是基于標(biāo)稱程序的任務(wù)級層次的規(guī)劃。標(biāo)稱程序主要描述任務(wù)條件(包括任務(wù)弧段安排)、任務(wù)階段劃分、任務(wù)動作及其時序關(guān)系等,它首先由相關(guān)單位及人員討論確定,并生成確定的文件形式的資料,再由操作人員錄入、編輯、存儲,生成電子的、標(biāo)準(zhǔn)描述語言描述的任務(wù)程序。

規(guī)劃設(shè)計的任務(wù)序列基于相對時間起點等約束條件進(jìn)行編排,并以可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML(eX-tensible markup language)語言進(jìn)行存儲,而且能夠以甘特圖形式進(jìn)行直觀顯示。只要將任務(wù)的絕對時間注入任務(wù)規(guī)劃程序中代替相對時間約束,就得到了真正規(guī)劃好的任務(wù)序列。利用該任務(wù)規(guī)劃程序進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,減少了操作人員的工作量,提高了規(guī)劃的效率,降低了規(guī)劃誤差。

2.1.2 軌道機(jī)動規(guī)劃

軌道機(jī)動規(guī)劃提供了霍曼轉(zhuǎn)移和蘭伯特轉(zhuǎn)移2種軌道機(jī)動方式[8]。霍曼轉(zhuǎn)移機(jī)動方式主要用于共面軌道轉(zhuǎn)移,這種方式所需燃料最省,一般在任務(wù)時間約束比較寬裕的情況下采用;蘭伯特轉(zhuǎn)移機(jī)動方式可以用于共面和異面軌道轉(zhuǎn)移,這種方式是一種快速軌道機(jī)動方式,一般在任務(wù)時間要求比較緊的情況下采用,但燃料消耗較之霍曼轉(zhuǎn)移要大。軌道機(jī)動規(guī)劃結(jié)果一般包括：軌道機(jī)動的開始時間和持續(xù)時間,在x、y、z 3個方向的軌道機(jī)動沖量。

蘭伯特共面快速轉(zhuǎn)移情況如圖2所示,空間智能操控裝備在A點,目標(biāo)航天器在B點,相位差條件為θ(θ≥30°),轉(zhuǎn)移軌道為A-P-C,近地點為P,需要分別在A點和C點實施2次軌道機(jī)動(沖量分別為V1和V2),以實現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移與交會。

圖2 共面快速轉(zhuǎn)移示意圖

2.1.3 機(jī)械臂路徑規(guī)劃技術(shù)

根據(jù)規(guī)劃空間的不同可分為笛卡爾空間路徑規(guī)劃和關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃。笛卡爾空間路徑規(guī)劃主要是規(guī)劃出使機(jī)械臂能夠從起始點沿給定的軌跡到達(dá)終止點的關(guān)節(jié)序列,它又可分為直線路徑規(guī)劃和圓弧路徑規(guī)劃。關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃主要實現(xiàn)從一組初始的關(guān)節(jié)角到達(dá)一組期望的關(guān)節(jié)角的規(guī)劃,整個規(guī)劃空間都在關(guān)節(jié)空間[9]?；谏鲜鲆?guī)劃算法,重點實現(xiàn)了自主路徑規(guī)劃,即視覺測量部件實時獲取目標(biāo)位姿,然后根據(jù)實時位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃。

2.2 建模技術(shù)

由于空間高真空、微重力的特點,機(jī)械臂與基座之間存在動力學(xué)耦合作用,機(jī)械臂的運動會對基座產(chǎn)生干擾,導(dǎo)致基座的位置和姿態(tài)發(fā)生改變,因此空間智能操控裝備的機(jī)械臂運動學(xué)和動力學(xué)建模較常規(guī)的固定于地面的機(jī)械臂復(fù)雜得多,它主要分為2種控制模式,即自由漂浮和自由飛行。在不同的控制模式下,機(jī)械臂運動學(xué)和動力學(xué)的約束關(guān)系并不相同。

結(jié)合空間機(jī)械臂的特點,在2種控制模式下針對空間智能操控裝備機(jī)械臂的運動學(xué)和動力學(xué)建模開展研究。根據(jù)空間智能操控裝備機(jī)械手的質(zhì)量特性和參數(shù),分別建立了在自由漂浮和自由飛行2種模式下的雅克比矩陣;在此基礎(chǔ)上,基于旋量理論建立了空間智能操控裝備的正向運動學(xué)模型和逆向運動學(xué)模型;采用牛頓-歐拉遞推方法構(gòu)建了空間智能操控裝備的逆向動力學(xué)模型,采用拉格朗日方程建立了其正動力學(xué)模型;在動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立了空間智能操控裝備的控制模型,實現(xiàn)了在不同模式下的控制,例如自由飛行模式下空間智能操控裝備的協(xié)同控制模型如圖3所示。最后,對空間智能操控裝備目標(biāo)操作過程中的碰撞檢測進(jìn)行研究,建立了目標(biāo)操作過程中的碰撞動力學(xué)模型。

圖3 自由飛行模式下空間智能操控裝備的協(xié)同控制模型

2.3 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)主要涉及基于衛(wèi)星仿真工具STK (satellite toolkit)的軌道機(jī)動仿真和基于Orbiter的在軌操作仿真技術(shù)。

2.3.1 基于STK的軌道機(jī)動仿真

為方便空間智能操控裝備仿真系統(tǒng)的空間場景顯示與分析,仿真系統(tǒng)的多組聯(lián)邦成員中都嵌入了Connect、VO和Astrogator等模塊。其中, Connect模塊是STK與外部工具連接所用的重要橋梁,它提供了用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用STK的功能;VO模塊以控件形式提供用戶使用,利用該控件對象調(diào)用Connect模塊的各種操作命令可以進(jìn)行相關(guān)的仿真分析,并且其仿真過程將以三維立體和二維星下點形式顯示在VO控件表面; Astrogator模塊是STK的機(jī)動模塊,它根據(jù)空間智能操控裝備的初始軌道、軌道機(jī)動類型、時機(jī)和沖量各分量大小等輸入?yún)?shù),計算其轉(zhuǎn)移軌道,并能夠仿真演示其軌道轉(zhuǎn)移情況[10]。

2.3.2 基于Orbiter的在軌操作仿真

在軌操作仿真是基于Orbiter設(shè)計實現(xiàn)的,它是由英國倫敦大學(xué)研制開發(fā)的一套基于牛頓力學(xué)的、免費的、實時空間飛行模擬和可視化軟件[11]?；贠rbiter進(jìn)行空間環(huán)境與空間智能操控裝備的三維可視化建模與仿真需要如下幾個步驟：① 建立空間智能操控裝備的三維可視化模型;②配置其物理參數(shù);③為空間智能操控裝備的三維可視化模型添加紋理(可選);④設(shè)計空間智能操控裝備的空間飛行場景;⑤ 進(jìn)行空間智能操控裝備的功能行為建模,描述空間智能操控裝備的功能行為。

3 在軌服務(wù)任務(wù)的仿真分析

3.1 快速軌道機(jī)動仿真

軌道機(jī)動是進(jìn)行在軌服務(wù)任務(wù)的前提,即空間智能操控裝備從待機(jī)軌道出發(fā),通過一系列的軌道轉(zhuǎn)移與目標(biāo)航天器交會。該過程需要空間智能操控裝備與空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)、指揮控制中心、地面測控通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等多個復(fù)雜大系統(tǒng)的信息交互與協(xié)同。對這一階段的仿真分析,有助于從體系角度構(gòu)筑和完善在軌服務(wù)裝備體系,發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)部的缺陷和短板。此外,還可以對空間智能操控裝備的軌道機(jī)動能力進(jìn)行驗證與評估。

這里假定空間智能操控裝備的初始待機(jī)軌道與目標(biāo)航天器共面。空間智能操控裝備采用快速軌道機(jī)動方式接近目標(biāo)航天器,直至成功交會。對于共面快速軌道機(jī)動,設(shè)空間智能操控裝備軌道參數(shù)分別為半長軸8 163 km、偏心率0、軌道傾角98.5°、升交點赤經(jīng)0、近地點幅角0;而目標(biāo)航天器軌道參數(shù)分別為半長軸10 163 km、偏心率0、軌道傾角98.5°、升交點赤經(jīng)0、近地點幅角0。空間智能操控裝備的相位為平近點角180°,目標(biāo)航天器的相位為平近點角190°,參考時刻為2007-07-01T12：00：00。經(jīng)過計算,需要實施2次軌道機(jī)動,所需的沖量、開始時間及持續(xù)時間,如表2所示。

表2 共面快速機(jī)動沖量數(shù)據(jù)表

基于STK的Connect、VO和Astrogator等模塊,空間智能操控裝備相對目標(biāo)航天器的快速軌道機(jī)動仿真效果如圖4所示。

圖4 快速軌道機(jī)動仿真效果

3.2 在軌抓捕任務(wù)仿真

經(jīng)過軌道機(jī)動與目標(biāo)航天器實現(xiàn)交會之后,空間智能操控裝備要利用機(jī)械手對目標(biāo)實施抓捕和對接。該過程是空間智能操控裝備實施在軌服務(wù)的前提和基礎(chǔ),也是空間智能操控裝備在軌服務(wù)過程中最容易發(fā)生事故并導(dǎo)致任務(wù)失敗的階段。對這一任務(wù)階段的仿真推演是提前發(fā)現(xiàn)隱患、避免事故發(fā)生的重要手段。為此,我們對各種外部條件(如太陽光照對相機(jī)的影響)和相對位姿情況下的在軌抓捕進(jìn)行了仿真推演(如圖5所示),得到了空間智能操控裝備對目標(biāo)航天器實施在軌抓捕的合理位姿空間。

圖5 在軌抓捕過程仿真效果

4 結(jié)束語

在未來的空間開發(fā)利用中,空間智能操控裝備將扮演十分重要的角色。對空間智能操控裝備在軌服務(wù)任務(wù)的仿真分析,是保障其順利實施的關(guān)鍵。本文研制開發(fā)的空間智能操控裝備在軌服務(wù)仿真系統(tǒng),能夠支撐空間智能操控裝備空間運行與在軌操作的全過程仿真推演,對于深入研究空間智能操控裝備的在軌服務(wù)應(yīng)用具有重要意義。

References)

[1]梁斌,杜曉東,李成,等.空間機(jī)器人非合作航天器在軌服務(wù)研究進(jìn)展[J].機(jī)器人,2012,34(2)：242-256.

[2]FRIEND R B.Orbital express program summary and mission overview[C]//HOWARD R T,MOTAGHEDI P.Sensors and Systems for Space Applications II.Orlando FL：The International Society for Optical Engineering,2008.

[3]CARPENTER J R.A Summary of the rendezvous,proximity operations,docking,and undocking(RPODU)lessons learned from the defense advanced research project agency(DARPA)orbital express(OE)demonstration system mission [EB/OL].[2013-02-19].http：//www.nasa.gov/externalflash/dart/Resources/Rendezvous%20Proximity% 20Operations%20Docking%20and%20Undocking% 20Lessons%20Learned.pdf.

[4]ODA M,KIBE K,YAMATATA F.ETS-VII space robot inorbit experiment satellite[C]//IEEE.Robotics and Automation,1996.Proceedings,1996 IEEE International Conference on.IEEE,1996：739-744.

[5]YOSHIDA K,HASHIZUME K,NENCHEV D N,et al. Control of a space manipulator for autonomous target capture-ETS-VII flight experiments and analysis[C]//AIAA Guidance,Navigation,and Control Conference,2000：14-17.

[6]王懷曉,劉建永,陸鶯,等.基于HLA的分布式作戰(zhàn)實體對抗視景仿真[J].計算機(jī)應(yīng)用,2011,31(A01)：163-164.

[7]GHALLAB M,NAU D,TRAVERSO P.自動規(guī)劃：理論與實踐[M].姜云飛,譯.北京：清華大學(xué)出版社,2006：125-136.

[8]梁金登,李東旭.空天飛行器軌道攔截策略研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2008(5)：165-168.

[9]陳小前,袁建平,姚雯,等.航天器在軌服務(wù)技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社,2009：358-399.

[10]張雅聲.掌握和精通衛(wèi)星工具箱STK[M].北京：國防工業(yè)出版社,2011：56-68.

[11]SCHWEIGER M.Orbiter space flight simulator user manual[EB/OL].(2006-04-19)[2013-02-19].http：//www.orbitersim.com.

(編輯：李江濤)

The Modeling and Simulation Research of the Space lntelligent Operation Equipment's ln-orbit Service

ZHANG Xuebo1, YU Xiaohong2, ZHANG Zhihai1
(1.Department of Graduate Management,Equipment Academy,Beijing 101416,China; 2.Department of Space Command,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

For the implementation of the space intelligent operation equipment's in-orbit service task,the relevant plan,modeling and simulation technology are researched in this paper.Based on the research,a simulation system for the space intelligent operation equipment's in-orbit service task is developed,which adopts HLA/RTI simulation frame,and which mainly includes some functions such as space situation surveillance,mission plan,orbit maneuver plan,measure and control resource computing,orbit maneuver simulation,in-orbit operation simulation,control instruction generation and sending.Based on the simulation system,the space intelligent operation equipment's in-orbit service task is analyzed.

space intelligent operation equipment;in-orbit service;mission plan;orbit maneuver plan

G 353.12

2095-3828(2014)02-0047-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.012

2013-09-16

部委級資助項目

張學(xué)波(1977-),男,講師,博士研究生.主要研究方向：需求論證,系統(tǒng)建模與仿真評估.于小紅,女,教授,博士生導(dǎo)師.