手控交會對接靶標(biāo)的光照遮擋仿真與預(yù)報(bào)

徐曉靜，晁建剛，2，趙再騫

手控交會對接靶標(biāo)的光照遮擋仿真與預(yù)報(bào)

徐曉靜1，晁建剛1，2，趙再騫1

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094；2.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

針對我國交會對接過程中出現(xiàn)目標(biāo)靶標(biāo)被遮擋的現(xiàn)象，研究手控對接過程中靶標(biāo)被遮擋的可能性，并仿真了遮擋過程。首先分析了目標(biāo)飛行器前錐面和飛船自身以及帆板在交會對接中形成遮擋的特點(diǎn)，基于空間三維矢量投射原理，建立了各部分對靶標(biāo)底盤產(chǎn)生遮擋的投影模型和遮擋模型，基于交會對接運(yùn)動規(guī)律以及太陽矢量，計(jì)算獲取了遮擋方位以及遮擋時(shí)間，并通過三維圖形實(shí)時(shí)渲染和軌跡變化曲線圖再現(xiàn)了遮擋過程，直觀易懂。經(jīng)與神八、神九交會對接光照遮擋比對，驗(yàn)證了方法的正確性及有效性。該方法已成功應(yīng)用于地面支持任務(wù)中。

手控交會對接；靶標(biāo)；遮擋；預(yù)報(bào)

Abstract：The phenomenon of target obscuring during the rendezvous and docking（RVD） of Shenzhou has occurred.The possibility of target obscuring during manual RVD was studied and the process of target obscuring was simulated in this study.Firstly，the characteristics of target obscuring formed during RVD by the front-conical-surface，the spaceship and the solar arrays were analyzed.Then the projection model and the obscuring model of each part related to the emerging of target obscuring were established.Based on the spatial three-dimensional vector transmission principle and the motional rules of the RVD，the obscuring directions and times were calculated and obtained.In addition，the process of target obscuring was duplicated by 3D real-time graphics rendering and the curve of trajectory transformation.The results were intuitive and easy to understand.The correctness and effectiveness of the method were verified by comparing the simulation results with the obscuring in Shenzhou 8 and Shenzhou 9 RVD tasks.The method has been successfully applied to the ground support missions.

Key words：manual rendezvous and docking（RVD）； target； obscuring； prediction

1 引言

交會對接技術(shù)是組建我國空間站必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)之一，空間站建成后，將會執(zhí)行不同方向的多次交會對接任務(wù)。交會對接的成敗直接影響組合體任務(wù)，而影響航天員手控交會對接成敗的客觀因素有多種，如飛船裝配的精確度、羽流干擾，電視攝像機(jī)的光干擾，圖像被遮擋等。在神八自控交會對接時(shí)出現(xiàn)了目標(biāo)靶標(biāo)被遮擋的現(xiàn)象，如圖1所示，如果出現(xiàn)在航天員手控交會對接過程中，對航天員心理是極大的挑戰(zhàn)，尤其是出現(xiàn)在對接的最后幾米，直接影響交會對接精度，甚至任務(wù)成敗。

圖1 靶標(biāo)被遮擋的電視圖像截圖Fig.1 TV print screen of the target obscured

如果能對這種遮擋現(xiàn)象提前預(yù)報(bào)，并給出明確的遮擋程度及遮擋現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間的長短，就可以提供給地面決策者使之做出相應(yīng)的交會對接調(diào)整方案，并讓航天員提前有個(gè)心理準(zhǔn)備，根據(jù)最新方案進(jìn)行對接。為能提前預(yù)報(bào)手控交會對接過程中光照對靶標(biāo)的影響，本文根據(jù)空間運(yùn)動規(guī)律，建立一種空間投射模型，預(yù)報(bào)交會對接中的遮擋問題，為航天員交會對接提供地面支持。

2 原理分析

2.1 遮擋源分析

我國手控交會對接使用的視覺設(shè)備主要是電視攝像機(jī)，其原理是通過光學(xué)系統(tǒng)將靶標(biāo)及飛船成像在光學(xué)焦平面上。空間目標(biāo)在軌飛行時(shí)，攝像機(jī)接收到的輻射主要來自太陽輻射、其他天體輻射及地球反射光。在陽照區(qū)，其他輻射源在空間目標(biāo)上產(chǎn)生的亮度非常小，尤其是目標(biāo)對接面的光學(xué)特性的主要輻射源是太陽輻射，照度最大可達(dá)126 990 Lux，陰影區(qū)最小不足1 Lux。電視攝像機(jī)具備自動調(diào)光功能，調(diào)光原理是基于整個(gè)視場內(nèi)平均灰度為調(diào)光門限［1］。當(dāng)太陽位于飛船的前方時(shí)，從后方照射目標(biāo)飛行器，目標(biāo)對接前端完全處于陰影部分，如果亮度不夠，電視攝像機(jī)可以提高亮度，靶標(biāo)會變清晰，不存在靶標(biāo)被遮擋影響人控交會對接的問題。當(dāng)太陽位于飛船的后方時(shí)，如果靶標(biāo)被遮擋，而其它部分被太陽直射，光亮較強(qiáng)，電視攝像機(jī)甚至?xí)M(jìn)一步降低整個(gè)視場內(nèi)的灰度，靶標(biāo)就會進(jìn)入盲區(qū)，無法識別，就算轉(zhuǎn)入手動調(diào)光，增加灰度，也是增加整個(gè)視場內(nèi)的灰度，整個(gè)視場就會出現(xiàn)飽和，還是影響靶標(biāo)的識別［2］。

對航天員瞄準(zhǔn)的靶標(biāo)產(chǎn)生影響的遮擋主要是目標(biāo)飛行器本身和飛船本身的陰影遮擋了靶標(biāo)底盤，經(jīng)幾何分析，主要可以分為三部分：目標(biāo)飛行器自身前錐面、飛船船體和飛船帆板三大部分。遮擋簡化示意圖如圖2所示，分別示意了三部分的影子遮擋靶標(biāo)的狀態(tài)。

圖2 靶標(biāo)底盤被遮擋示意圖Fig.2 Schematic diagram of target chassis obscured

2.2 環(huán)境影響分析

手控交會對接過程中，目標(biāo)前錐面、飛船船體和飛船帆板對靶標(biāo)的遮擋受多種因素的影響，主要影響因素如下：

1）軌道的影響。不同的軌道和太陽的相對位置不同，而且不同的轉(zhuǎn)手控交會對接時(shí)間直接決定了太陽對靶標(biāo)的照射，首先要考慮轉(zhuǎn)手控交會對接時(shí)的軌道參數(shù)。

2）手控的過程。兩個(gè)飛行器相對狀態(tài)的變化過程，不但有位置姿態(tài)的變化，還有相對距離、相對速度的變化，也直接影響遮擋過程。

3）帆板的影響。帆板的轉(zhuǎn)角有對日定向模式、垂直／水平歸零模式、?？啬Ｊ?，因此投影模型要考慮帆板轉(zhuǎn)角的變化過程。

本文將從目標(biāo)前錐面、飛船船體和飛船帆板三部分的幾何模型出發(fā)，考慮軌道的變化、手控過程中相對速度的變化以及帆板轉(zhuǎn)角的變化，建立三部分對靶標(biāo)底盤的遮擋模型，再現(xiàn)遮擋過程。

3 遮擋算法

3.1 坐標(biāo)系定義

1）目標(biāo)飛行器本體系o-xyz

原點(diǎn)為目標(biāo)質(zhì)心；x軸指向?qū)訖C(jī)構(gòu)對接環(huán)中心；z軸指向I象限；y軸和x、z軸形成右手系。

2）靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系O-XYZ

將目標(biāo)本體系原點(diǎn)沿x軸平移到靶標(biāo)底盤所在的平面，即：原點(diǎn)為對接環(huán)在靶標(biāo)底盤所在平面的垂直投影的中心；X軸指向?qū)訖C(jī)構(gòu)對接環(huán)中心，Z軸指向I象限；Y軸和X、Z軸形成右手系。

3）飛船帆板坐標(biāo)系o′-x′y′z′

o’原點(diǎn)為兩帆板連線的中心點(diǎn)，即在飛船中心軸上，y′軸為帆板的旋轉(zhuǎn)中心軸，x′軸垂直帆板平面，當(dāng)帆板跟蹤太陽時(shí)，和太陽光矢量方向一致，z′軸和x′軸、y′軸構(gòu)成右手系。

三坐標(biāo)系示意圖如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系定義圖Fig.3 Definition of the coordinate system

3.2 模型主要參數(shù)

1）靶標(biāo)底盤參數(shù)：底盤中心在靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系的位置，靶標(biāo)底盤的半徑，刻度點(diǎn)的分布。2）追蹤飛行器船體參數(shù)：各離散圓圓心位置和半徑。3）目標(biāo)飛行器前錐面參數(shù)：各離散圓圓心位置和半徑。4）兩飛行器的相對距離：手控對接過程中，距離隨時(shí)間變化的函數(shù)。5）某一時(shí)刻目標(biāo)飛行器軌道根數(shù)以及手控對接開始時(shí)間，用于遞推手控對接過程中太陽光矢量。

3.3 投影模型

1）一個(gè)平行于投影面的圓經(jīng)過平行投影，投影是半徑不變的圓，如圖4所示，只需計(jì)算圓心的坐標(biāo)。圓心在靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系的投影點(diǎn)坐標(biāo)[0YZ]T可由該點(diǎn)在靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系的位置[XYZ]T以及太陽光矢量 [XsYsZs]T計(jì)算得到，如公式（1）所示。

不考慮手控交會對接過程中姿態(tài)的偏差，追蹤飛行器的船體以及目標(biāo)飛行器的前錐面都可以離散為平行于靶標(biāo)底盤的平面圓的集合，如圖5和圖6所示，計(jì)算每個(gè)平面圓圓心的投影即可［3］。

圖4 點(diǎn)投影幾何關(guān)系圖Fig.4 Geometry relation of the obscuring of a dot

圖5 飛船船體離散圓Fig.5 Circles of the body of spaceship dispersed

圖6 目標(biāo)前錐面離散圓Fig.6 Circles of the front conical surface of the target dispersed

2）帆板和靶標(biāo)底盤不平行，先計(jì)算帆板在靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系中的投影。帆板的狀態(tài)包括對日定向和?？貎煞N模式。

平行投影時(shí)，直線投影還是直線，所以左右帆板的投影都是平行四邊形，如圖7所示。帆板的投影主要是計(jì)算帆板四個(gè)頂點(diǎn) [ 0y′z′]T的投影，首先繞其旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)因太陽矢量引起的旋轉(zhuǎn)角，這里的太陽光矢量，在跟蹤太陽狀態(tài)時(shí)，是當(dāng)前時(shí)刻的太陽光矢量，如果?？?，就是?？貢r(shí)刻的太陽光光量，統(tǒng)一記作 [XsYsZs]T；然后再加上帆板坐標(biāo)系原點(diǎn) [X00 0]T在靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系的坐標(biāo)，即轉(zhuǎn)換到靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系，具體計(jì)算如公式（2）所示。

圖7 帆板投影幾何關(guān)系圖Fig.7 Geometry relation of the obscuring of the solar array

3.3 遮擋模型

如果逐一計(jì)算靶標(biāo)底盤上的各點(diǎn)是否在投影范圍內(nèi)，計(jì)算量較大，因航天員主要參考靶標(biāo)底盤上的刻度，所以可以只考慮靶標(biāo)底盤圓周上的刻度點(diǎn)是否被遮擋即可，遮擋程度由“刻度點(diǎn)被遮擋的百分比”衡量。

1）離散圓遮擋分析

飛船船體和目標(biāo)對接機(jī)構(gòu)都轉(zhuǎn)化為同心軸的離散圓，計(jì)算每個(gè)離散圓圓心到靶標(biāo)底盤刻度點(diǎn)的距離，如圖8所示，小于離散圓半徑的，即為遮擋，已被遮擋的刻度點(diǎn)不用再遍歷其它離散圓［4］。

2）平行四邊形遮擋分析

兩個(gè)帆板的投影是兩個(gè)互不重疊的平行四邊形，如圖9所示，計(jì)算靶標(biāo)底盤每個(gè)刻度點(diǎn)是否在兩個(gè)帆板投影的平行四邊形內(nèi)部即可。

3.4 實(shí)時(shí)圖形渲染

為了讓飛控決策者更直觀地提前掌握航天員手控對接過程中的光照條件，將仿真結(jié)果進(jìn)行了圖像化顯示，包括三維視景圖像和陰影變化軌跡圖。如圖10所示。

圖8 離散圓遮擋靶標(biāo)范圍圖Fig.8 Scope of the target obscured by the dispersed circle

圖9 平行四邊形遮擋靶標(biāo)范圍圓Fig.9 Scope of the target obscured by the quadrangle

圖10 陰影軌跡圖Fig.10 Track of the shadow

三維視景圖像能再現(xiàn)手控交會對接過程中目標(biāo)的整個(gè)光照過程，有遮擋時(shí)，會顯示陰影變化過程及部分遮擋和完全遮擋的開始／結(jié)束時(shí)間［5-6］。

陰影變化軌跡圖是三部分投影在靶標(biāo)底盤坐標(biāo)系YZ平面的投影軌跡圖。若整個(gè)陰影都畫出來，圖片就會模糊不清，所以將投影的平面圓和四邊形換算成了靶標(biāo)的遮擋區(qū)域，如圖10所示，區(qū)分完全遮擋（內(nèi)圓內(nèi)四邊形區(qū)域）和部分遮擋（兩圓／兩四邊形之間區(qū)域），平行圓圓心／帆板中心線在靶標(biāo)底盤的投影軌跡（點(diǎn)線／直線）是否落在完全遮擋／部分遮擋區(qū)域可以表明靶標(biāo)是否被完全遮擋／部分遮擋過程。圖10示意了不同手控對接過程中出現(xiàn)的遮擋現(xiàn)象。

4 驗(yàn)證與應(yīng)用

應(yīng)用神舟八號交會對接的軌道參數(shù)和下傳電視圖像與本文的仿真進(jìn)行了比對，帆板遮擋現(xiàn)象基本一致，完全遮擋和部分遮擋只有幾秒的差別，證明了本文的仿真模型的正確性，同時(shí)間的比對截圖如圖11所示。第一副比對圖顯示了開始遮擋靶標(biāo)的圖像，第二副比對圖顯示了完全遮擋的圖像，第三幅比對圖顯示的是遮擋消失時(shí)的圖像。由同時(shí)間比對圖可知，仿真模擬和實(shí)際下傳圖像基本一致，差別可能是位置偏差、姿態(tài)偏差等實(shí)際任務(wù)特性引起，但能滿足預(yù)報(bào)遮擋、為航天員提供參考的需求。

圖11 帆板遮擋靶標(biāo)底盤比對圖Fig.11 The target chassis obscured by the solar array at different times

在神舟九號和神舟十號飛控現(xiàn)場部署了本軟件，并在手控對接前根據(jù)遙測軌道參數(shù)，成功預(yù)報(bào)了手控對接過程中的光照條件。神舟九號手控對接遠(yuǎn)距離時(shí)，會出現(xiàn)目標(biāo)前錐面部分遮擋靶標(biāo)底盤的現(xiàn)象，但距離較遠(yuǎn)，航天員主要以圖像中整個(gè)飛船的圖像為判斷依據(jù)，不影響手控操作。神舟十號手控對接即將靠攏時(shí)會出現(xiàn)飛船船體部分遮擋靶標(biāo)底盤的現(xiàn)象，經(jīng)飛控決策不影響航天員對接。

經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的仿真模型為航天員手控對接起到了輔助支持作用。

5 結(jié)論

本文基于神舟八號自動交會對接過程出現(xiàn)靶標(biāo)被遮擋的現(xiàn)象，研究了手控對接過程中靶標(biāo)底盤被遮擋，影響航天員手控操作的問題。從幾何原理出發(fā)，分析了影響因素，分別建立了目標(biāo)前錐面和飛船自身及帆板對靶標(biāo)底盤產(chǎn)生遮擋的投影模型和遮擋模型，并通過三維視景圖像和陰影變化軌跡圖再現(xiàn)了遮擋過程，直觀易懂。仿真結(jié)果和神舟八號、神舟九號下傳電視圖像進(jìn)行了比對，驗(yàn)證了仿真預(yù)報(bào)的可行性。本軟件已部署在飛行控制地面支持現(xiàn)場，并成功應(yīng)用于神舟九號和神舟十號交會對接任務(wù)中。本方法也可應(yīng)用于其它任務(wù)飛行器光照遮擋計(jì)算仿真與預(yù)報(bào)中。

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（責(zé)任編輯：康金蘭）

Simulation and Prediction of Target Obscuring in Manual Rendezvous and Docking

XU Xiaojing1， CHAO Jiangang1，2， ZHAO Zaiqian1
（1.China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094， China； 2.National Key Laboratory of Human Factors Engineering of China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094， China）

V423.7

B

1674-5825（2017）05-0626-05

2016-08-15；

2017-07-25

總裝試驗(yàn)技術(shù)（SYFD140031805）

徐曉靜，女，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)楹教祜w行訓(xùn)練模擬技術(shù)。E-mail：xuxiaojing007＠sohu.com