人控遙操作交會對接設(shè)計與驗證*

劉宗玉，胡海霞，劉增波，王 敏，周遠林

(北京控制工程研究所，北京100190)

人控遙操作交會對接設(shè)計與驗證*

劉宗玉，胡海霞，劉增波，王 敏，周遠林

(北京控制工程研究所，北京100190)

人控操作交會對接是指操作人員在遠端通過遙操作方式控制追蹤航天器進行交會對接，主要用于無人航天器自動交會對接系統(tǒng)故障條件下交會對接控制.簡要介紹遙操作交會對接的基本概念，給出實現(xiàn)人控遙操作交會對接三種方案，設(shè)計一種易于工程實現(xiàn)的遙操作交會對接系統(tǒng)，分析關(guān)鍵技術(shù)并給出了解決方法;根據(jù)設(shè)計的系統(tǒng)方案，進行遙操作交會對接試驗，試驗結(jié)果表明設(shè)計方案合理可行.

人控遙操作交會對接;關(guān)鍵技術(shù);時延;圖像壓縮

0 引 言

在載人航天器上，航天員可以直接參與航天器的控制，手動交會對接可以作為主要的交會對接方式，也可作為自動交會對接的備份.但是無人航天器，如貨運飛船、空間站實驗艙等，由于航天器上沒有航天員，無法實現(xiàn)載人航天器的手動交會對接.無人航天器一般采用自動交會對接作為主要方式，若自動交會對接系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不得不放棄整個交會對接任務(wù)，這將造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，甚至個別情況下還將威脅到空間站的安全，因此由航天員或地面人員進行遠程控制交會對接，即人控遙操作交會對接，作為自動交會對接系統(tǒng)的備份具有重要的工程實踐價值、經(jīng)濟效益和社會意義.

國際空間站每年都要進行多次交會對接，用于乘員輪換和后勤補給等.其中“進步”號飛船24次交會對接中出現(xiàn)故障4次［2］，3次故障通過TORU (teleoperator rezhim upravleniya)遙操作交會對接系統(tǒng)成功實現(xiàn)對接，1次自動系統(tǒng)故障，兩天后經(jīng)過第2次交會對接嘗試實現(xiàn)交會對接.這說明當(dāng)前航天器上的自動交會對接系統(tǒng)并不是十分完善.人控遙操作交會對接不僅可以作為自動交會對接系統(tǒng)的備份，解決無人航天器自動交會對接系統(tǒng)出現(xiàn)故障和安全性問題，而且通過融入人的判斷與決策能力等智能因素，提高對接的成功率、減少燃料消耗和功能的拓展.

1 人控遙操作交會對接系統(tǒng)設(shè)計

人控遙操作交會對接是指操作人員在遠端(或不在控制飛行器環(huán)境內(nèi))通過遙操作方式操作追蹤航天器，實現(xiàn)交會對接.美國主要采用手動方式交會對接，俄羅斯主要采用自動方式.美國曾于上世紀(jì)80年代OMV(orbital maneuvering vehicle)項目中開展過相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)研究，俄羅斯的TORU遙操作交會對接系統(tǒng)已成功應(yīng)用于和平號(Mir)空間站和國際空間站的交會對接任務(wù)，特別是無人貨運飛船與空間站的交會對接，已成功解決多次無人航天器自動系統(tǒng)故障下的交會對接問題.

目前航天器實現(xiàn)人控遙操作交會對接主要有三種方式:第一種是目標(biāo)航天器(空間站)上的航天員對追蹤航天器進行交會對接遙操作控制，遙操作攝像機和交會對接燈安裝在目標(biāo)航天器，攝像機的十字靶標(biāo)安裝在追蹤器上，這樣控制系統(tǒng)時延最小，實時性最好.但是這種方案在陽照區(qū)交會對接時遙操作攝像機要求太陽不能直射，在陰影區(qū)交會對接時目標(biāo)航天器端的交會對接燈開啟會對追蹤航天器端的其它交會對接敏感器產(chǎn)生干擾，限制了交會對接窗口.另外，目標(biāo)航天器上除安裝遙操作攝像機、交會對接燈外，同樣須安裝攝像機的十字靶標(biāo)，以滿足載人航天器的手控交會對接需要.如果將遙操作攝像機安裝在空間站，航天員人控遙操作交會對接方式與載人航天器手控操作方式存在差異，不利于航天員訓(xùn)練和對接操作具體實施.

第二種是目標(biāo)航天器(空間站)上的航天員對追蹤航天器進行交會對接遙操作控制，但是遙操作攝像機和交會對接燈安裝在追蹤航天器上，與載人航天器手動交會對接方式一樣，可以充分繼承載人航天器手控交會對接技術(shù)，解決交會對接光照條件、長壽命要求、設(shè)備配置和航天員操作習(xí)慣問題，但會新引入圖像壓縮、空空鏈路等環(huán)節(jié)時延，這個環(huán)節(jié)時延一般會增加幾百毫秒.

第三種是地面操作人員對追蹤航天器進行交會對接遙操作控制.遙操作攝像機和交會對接燈一般安裝在追蹤航天器上，由地面控制中心根據(jù)下行的交會對接圖像控制追蹤航天器逐步逼近目標(biāo)航天器，此方案可應(yīng)用于目標(biāo)航天器無人駐守期間.但是，這種方案需要經(jīng)過天地大回路，系統(tǒng)時延過大，一般時延達到5～7 s，這會引起控制穩(wěn)定性和遙操作交會對接的安全性問題.

綜合考慮控制回路時延、航天員操作習(xí)慣、安全性等因素，人控遙操作交會對接采用第二種方案更具有工程可實現(xiàn)性.這種人控遙操作交會對接系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)由測量部件、操作部件、控制器、執(zhí)行部件以及遙操作通信機組成，測量部件主要包括:遙操作攝像機、靶標(biāo)、激光雷達、姿態(tài)位置敏感器、顯示儀表等;操作部件有儀表控制面板、姿態(tài)控制手柄和平移控制手柄;控制器是遙操作控制計算機;執(zhí)行部件是與自動控制系統(tǒng)共用的推進系統(tǒng).

第一步，按每條測線導(dǎo)出通過專業(yè)軟件例如RADAN7進行數(shù)據(jù)處理與人機交互解釋后得到的每個翻漿冒泥病害區(qū)域底界離散的邊界控制點的集合信息，生成按測線排列的鐵路線路翻漿冒泥病害區(qū)域底界坐標(biāo)控制點數(shù)據(jù)文件即離散的邊界控制點的Excel報表。

航天員在目標(biāo)航天器上，遙操作攝像機安裝在追蹤航天器上，靶標(biāo)安裝在目標(biāo)航天器上，通過遙操作空空通信鏈路將相對運動圖像和追蹤航天器的相對距離、速度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)航天器儀表上顯示.在人控遙操作模式下，遙操作攝像機以每秒25幀以上頻率拍攝圖像，并將圖像進行壓縮處理，與遙操作控制器產(chǎn)生的顯示數(shù)據(jù)進行復(fù)接，由空空通信鏈路傳至目標(biāo)航天器數(shù)據(jù)處理設(shè)備，數(shù)據(jù)處理設(shè)備提取顯示數(shù)據(jù)和解壓圖像并進行顯示.

航天員根據(jù)顯示屏上的遙操作對接圖像和數(shù)據(jù)，操縱控制手柄，經(jīng)過遙操作通信機再傳至追蹤航天器遙操作控制器，遙操作控制器根據(jù)收到的遙操作控制指令進行控制率計算，并形成推進指令，控制追蹤航天器的姿態(tài)或軌道，來完成人控遙操作交會對接、撤離和故障情況下的緊急撤離.

圖1 人控遙操作交會對接原理示意圖Fig.1 Manual teleoperation rendezvous and docking system principium diagram

2 人控遙操作交會對接關(guān)鍵技術(shù)

控制技術(shù)是人控遙操作交會對接的核心技術(shù)，包括軌道運動控制和姿態(tài)運動控制兩部分.相對于載人航天器的手控交會對接，人控遙操作交會對接需要解決大時延下的控制算法，圖像數(shù)據(jù)、指令參數(shù)傳輸鏈路時延的控制以及圖像壓縮、恢復(fù)等關(guān)鍵技術(shù)，以確保人控遙操作交會對接的安全.

2.1 遙操作交會對接控制方法研究

人控遙操作交會對接的圖像反饋信息和遙操作指令是通過空空通信鏈路進行傳輸，會產(chǎn)生通信時延，甚至存在通信鏈路異?；蛑袛嗟目赡?，時延的加大會造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，通信異常甚至?xí)鸾粫影踩詥栴}.

針對大時延易引起控制系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種解決方法［4-9］，在遙操作機器人、在軌服務(wù)遙操作等領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用，克服時延的理論和方法主要方法有以下幾類:

(1)“移動－等待”操作策略.這是最早采用的方法，用來克服在操作過程中引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定.“移動－等待”操作策略在每進行一步操作后，停止操作，等待操作指令執(zhí)行后的狀態(tài)反饋，根據(jù)該反饋再進行下一步的操作.這種方法是一種斷續(xù)工作模式，實際上是以降低系統(tǒng)的工作帶寬為代價的，其結(jié)果不僅造成了反饋信息的模糊性，而且給操作者帶來了很重的負(fù)擔(dān)，使操作者很快疲勞，適合于低動態(tài)、時延問題不突出的應(yīng)用場合.

(2)雙邊控制方法.雙邊控制是指本地操作端和遠端執(zhí)行端處于同一個閉環(huán)控制回路，兩者之間直接相互作用，通過設(shè)計控制算法和合適的參數(shù)克服通信時延的影響.雙邊控制方法目前主要包括:基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源控制法，如1989年Anderson和SPong利用二端口網(wǎng)絡(luò)的散射理論散射理論［7］，Niemeyer和 Slotine在 1991年提出波變量理論法［8］;基于Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)的方法［9］;基于H∞最優(yōu)控制理論的方法;基于自適應(yīng)智能控制理論的方法等.雙邊控制是遙操作交會對接性能提高的重要措施，但是雙邊控制技術(shù)無論是理論上還是工程上還有待突破大時延的限制.

(3)預(yù)測控制方法.預(yù)測控制方法是通過建立遠端系統(tǒng)和環(huán)境的數(shù)學(xué)模型，包括動力學(xué)與運動學(xué)模型、環(huán)境相互作用模型等，對遠端的運動狀態(tài)進行預(yù)測，在預(yù)測運動狀態(tài)的基礎(chǔ)上進行控制，如應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實方法，對運動狀態(tài)進行預(yù)顯示，克服時延對控制的影響.預(yù)測控制需要系統(tǒng)準(zhǔn)確的模型和較大的計算量來構(gòu)建交會對接顯示圖像，對現(xiàn)實運動狀態(tài)和場景進行預(yù)顯示和誤差校正.

以上遙操作時延解決方法是針對空間機器人、在軌服務(wù)遙操作［5］等設(shè)計和研究的，這些方法也適用于人控遙操作交會對接任務(wù).在這三類控制方法中預(yù)測控制是克服時延能力最強，但是實現(xiàn)技術(shù)難度最大;雙邊控制是基于控制理論來解決遙操作時延問題，對時延適中(一般1 s以下)的系統(tǒng)具有較好的效果，工程可實現(xiàn)性強.因此雙邊控制方法更適合于人控遙操作交會對接.

人控遙操作交會對接一般作用距離不大于200 m，航天員利用遙操作攝像機觀察得到的目標(biāo)飛行器和靶標(biāo)的圖像來判斷和確定兩個飛行器之間的相對運動狀態(tài)和參數(shù)，操縱平移和姿態(tài)控制手柄控制追蹤飛行器的平移和姿態(tài)運動，使追蹤飛行器滿足對接條件.人控遙操作交會對接采用雙邊控制方法，姿態(tài)控制根據(jù)姿態(tài)測量信息，針對大時延對控制參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計;根據(jù)靶標(biāo)上伸出的十字架相對于靶標(biāo)背景圓盤上的十字刻線之間的偏差，控制追蹤飛行器與目標(biāo)飛行器的相對位置.

2.2 系統(tǒng)時延分析與控制

影響人控遙操作交會對接成功率的關(guān)鍵因素之一是控制系統(tǒng)的時延環(huán)節(jié).人控遙操作交會對接時延環(huán)節(jié)如圖2所示，包括前向信息通道時延和返向信息通道時延.前向信息通道時延是指遙操作攝像機從拍攝圖像至圖像顯示過程各環(huán)節(jié)引入的時延，主要包括遙操作攝像機拍攝一幀圖像光學(xué)積分時間、圖像緩存與壓縮處理時間、空空通信數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的時延、圖像解壓處理時間和圖像更新顯示時間.返向信息通道為控制手柄數(shù)據(jù)采集至控制器完成手柄指令信息處理全過程各環(huán)節(jié)的時延，主要包括手柄電壓采集、控制指令通信傳輸時延、遙操作控制器計算以及推進執(zhí)行時延等.

圖2 人控遙操作交會對接時延環(huán)節(jié)Fig.2 Manual teleoperation rendezvous and docking time-delay part

在人控遙操作信息鏈路中，主閉環(huán)回路為航天員操作手柄發(fā)出控制指令——控制器根據(jù)手柄信息發(fā)出推進指令——遙操作攝像機拍攝并傳送至目標(biāo)飛行器顯示交會對接圖像，該控制回路的性能受時延影響最大，是進行分析和控制的重點.另外，人控遙操作還涉及航天員發(fā)送離散控制指令和遙測數(shù)據(jù)傳輸、遙測圖像下行等信息鏈路，但這些內(nèi)容對時延較不敏感.

2.3 圖像壓縮及恢復(fù)技術(shù)

人控遙操作傳輸信息包括交會對接圖像數(shù)據(jù)、相對測量數(shù)據(jù)以及航天員操作控制指令，雙向傳輸數(shù)據(jù)量一般高達300 Mbps以上.交會對接視頻圖像是遙操作空空通信的主要數(shù)據(jù)源，通過對圖像的壓縮處理，可以降低遙操作通信設(shè)備帶寬的需求，減少傳輸時延，通過糾錯算法還可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

國際上視頻編碼壓縮技術(shù)主要有國際電信聯(lián)盟ITU-T的H.26x系列、國際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO/IEC的MPEG標(biāo)準(zhǔn)、Real公司的RM和RMVB、Microsoft公司的VC-1(WMV9)和RMVB以及On2的VP系列等.但技術(shù)實現(xiàn)方面，現(xiàn)有的視頻壓縮編碼采用的技術(shù)框架基本一致，區(qū)別僅在于技術(shù)細節(jié)實現(xiàn)的方式及模式不同.通用的的視頻壓縮算法都采用混合壓縮的方法，即對視頻序列做時域、空域和碼字的級聯(lián)壓縮.時域壓縮用于去除連續(xù)視頻幀之間的冗余，空域壓縮用于去除視頻幀內(nèi)相鄰數(shù)據(jù)之間的冗余，碼字壓縮用于去除碼字冗余.

人控遙操作交會對接采用標(biāo)準(zhǔn)的壓縮算法，經(jīng)過壓縮處理后遙操作通信機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小于8 Mbps，并保證高清晰度的圖像.

3 人控遙操作交會對接驗證

針對設(shè)計的遙操作交會對接系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)，研制相應(yīng)的遙操作交會對接設(shè)備，構(gòu)成人控遙操作系統(tǒng)，進行試驗驗證.試驗設(shè)置交會對接初始的相對位置、相對速度和相對姿態(tài)角、相對姿態(tài)角速度，進行多次遙操作交會對接試驗，驗證系統(tǒng)設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)，其中典型的試驗結(jié)果如圖3、圖4所示.試驗結(jié)果表明，人控遙操作交會對接系統(tǒng)設(shè)計合理可行，遙操作增加的時延對操作者的控制結(jié)果精度影響在允許范圍之內(nèi)，滿足對接條件.

圖3 人控遙操作交會對接試驗位置曲線Fig.3 Manual teleoperation rendezvous and docking test position graph

圖4 人控遙操作交會對接試驗姿態(tài)曲線Fig.4 Manual teleoperation rendezvous and docking test attitude graph

4 結(jié) 論

根據(jù)以上的系統(tǒng)設(shè)計和試驗分析，可知:

(1)提出的人控遙操作交會對接系統(tǒng)設(shè)計方案具有較好工程可實現(xiàn)性，可以作為無人航天器自主交會對接的備份.

(2)分析了遙操作交會對接實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了解決方法.

(3)遙操作交會對接技術(shù)可廣泛應(yīng)用于合作目標(biāo)和非合作目標(biāo)的空間交會與捕獲等空間操作任務(wù)中，具有重要的工程應(yīng)用價值和潛在的軍事價值，未來具有廣闊的應(yīng)用前景.

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Design and Verification of Manual Teleoperation Rendezvous and Docking System

LIU Zongyu，HU Haixia，LIU Zengbo，WANG Min，ZHOU Yuanlin
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190)

Manual teleoperation rendezvous and docking(RVD)is referred to as the concept that the chaser spacecraft is controlled remotely through teleoperation approach.It can be used as a backup for autonomous RVD for the unmanned spacecraft.The concept of manual teleoperation RVD was introduced briefly.Three manual teleoperation RVD schemes is presented，and a teleoperation RVD system is designed that is easy to realize in engineering project.The key technologies of teleoperation RVD，such as control，time delay and video compressing，is analyzed and the corresponding resolution is given.The teleoperation RVD experiments are carried out for verifying the design.The results show that the design is feasible.

manual teleoperation rendezvous and docking;key technology;time delay;video compressing

TP242

:A

:1674-1579(2016)01-0037-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.01.007

劉宗玉(1975—)，研究員，研究方向為載人航天器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù);胡海霞(1977—)，高級工程師，研究方向為航天器控制與仿真技術(shù);劉增波(1982—)，男，工程師，研究方向為航天器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計與地面測試工作;王 敏(1981—)，女，高級工程師，研究方向為航天器控制;周遠林(1985—)，男，工程師，研究方向為航天器控制技術(shù)設(shè)計和測試.

*國家青年自然基金資助項目(61503024).

2014-09-27