硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星數(shù)字伴飛系統(tǒng)設計與應用

繆遠明 趙辰 顧荃瑩 羅榮蒸

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

隨著航天技術不斷進步,航天器在軌可操作性大幅提高,地面系統(tǒng)可對航天器運行提供更多的支持與服務,包括復雜任務規(guī)劃、運行參數(shù)優(yōu)化以及故障處理等。這些支持與服務都對地面仿真規(guī)劃驗證能力提出了新的需求,航天器仿真從傳統(tǒng)的方案階段活動逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楹教炱鳟a(chǎn)品全周期的活動。國外已有多項用于航天器運行階段的仿真規(guī)劃工具,如用于深空網(wǎng)(DSN)天線控制規(guī)劃的自主規(guī)劃環(huán)境(Automated Scheduling and Planning Environment,ASPEN)系統(tǒng)[1]、用于機遇號和勇氣號任務規(guī)劃的混合主動行為規(guī)劃器(Mixed Initiative Activity Plan Generator,MAPGEN)系統(tǒng)[2]和用于火星科學實驗室(MSL)的EUROPA2任務規(guī)劃系統(tǒng)[3]等。

硬X射線調(diào)制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星是我國首個同時采用多種獨特的慣性姿態(tài)控制模式,對遍布全天球的任意天體進行觀測的天文衛(wèi)星。其在軌運行姿態(tài)復雜,并具有多種姿態(tài)機動方案,各觀測模式下衛(wèi)星三軸指向、掃描策略以及模式切換時的姿態(tài)機動路徑規(guī)劃完全由星上控制系統(tǒng)根據(jù)觀測目標位置及指定的觀測時機,依照事先制定的約束要求在軌自主規(guī)劃實現(xiàn)。此外,為了在衛(wèi)星姿態(tài)不固定條件下滿足載荷觀測和數(shù)據(jù)傳輸要求,HXMT衛(wèi)星還設計了我國首個雙數(shù)傳天線在軌自主管理方案,用于不同的姿態(tài)模式下過境期間當班數(shù)傳天線通道的選擇和開關控制管理。在如此高度自主的狀態(tài)下,地面人員即使明確了衛(wèi)星的觀測目標,也難以對衛(wèi)星狀態(tài)給出精確描述。

此外,由于HXMT衛(wèi)星的任務特點及各種全新的功能,以往以數(shù)據(jù)處理為主的飛控支持技術已經(jīng)不能滿足HXMT衛(wèi)星飛控的需求。必須面向科學觀測任務,根據(jù)飛行任務的需求和特點,結合衛(wèi)星使用約束,按照有效預示動作效果、快速準確動作評估、及時故障診斷和有效在軌維護的要求,強化仿真和預估功能,研制功能全面、快速靈活、仿真精準、使用方便、可視化強的飛控支持系統(tǒng)。

為此,本文設計了HXMT衛(wèi)星數(shù)字伴飛系統(tǒng),具備與在軌衛(wèi)星完全相同的運行與控制策略,通過“鏡像”衛(wèi)星在軌運行狀態(tài),結合數(shù)字模型可加速運行的特點,可實現(xiàn)對衛(wèi)星在軌狀態(tài)的評估、預估和優(yōu)化等功能。該系統(tǒng)的建造進一步提高了整星的信息化和可視化程度,增強了總體對衛(wèi)星在軌狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)利用和分析能力。

1 數(shù)字孿生概念

孿生體概念在工業(yè)領域的引入最早可追溯到美國航空航天局(NASA)的阿波羅項目[4]。在阿波羅項目中,NASA制造了兩臺完全相同的飛行器,留在地面的一臺即稱為“孿生體”。在任務準備階段,孿生體可用于航天員訓練;在飛行任務期間,孿生體被“鏡像”為在軌狀態(tài),用于任務方案的高精度仿真。從該方面講,凡是用于模擬真實環(huán)境下系統(tǒng)狀態(tài)的樣機或模型,都可以被稱為“孿生體”。

2003年,Michael Grieves提出了數(shù)字孿生早期的一個定義,即物理產(chǎn)品的虛擬/數(shù)字等價物[5]。2011年,隨著信息技術的發(fā)展,Micheal Grieves重新描述了數(shù)字孿生體的概念[6],它包含3個部分:物理空間的實體產(chǎn)品;虛擬空間的虛擬產(chǎn)品;虛擬產(chǎn)品和實體產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)和信息通道。

數(shù)字孿生首次進入公眾的視野是在2012年NASA發(fā)布的“模型、仿真、信息技術和處理”路線圖中。它被定義為:數(shù)字孿生體是一個使用精確物理模型的,用于“鏡像”真實飛行全生命周期的多物理體、多尺度仿真[7]。

綜合已有的數(shù)字孿生體定義和HXMT衛(wèi)星應用情況,文獻[8]對數(shù)字孿生體的定義為:數(shù)字孿生體是指物理實體的工作進展和工作狀態(tài)在虛擬空間的全要素重建及數(shù)字化映射,是一個集成的多物理、多尺度、超寫實、動態(tài)概率仿真模型,可用來模擬、監(jiān)控、診斷、預測、控制物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的形成過程、狀態(tài)和行為。

2 HXMT數(shù)字伴飛系統(tǒng)設計

HXMT衛(wèi)星數(shù)字伴飛系統(tǒng)是航天器數(shù)字孿生體的一次初步嘗試。在HXMT衛(wèi)星中,建立了以“鏡像”衛(wèi)星控制系統(tǒng)為主要內(nèi)涵的數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)功能

數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)借助數(shù)據(jù)模擬衛(wèi)星實體在空間環(huán)境中的行為,通過虛實交互,利用在虛擬環(huán)境中運行的孿生體開展決策迭代優(yōu)化,解決衛(wèi)星實體策略制定、動作執(zhí)行和狀態(tài)評估等問題。HXMT衛(wèi)星數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)主要功能如下。

1)輔助制定飛控策略

根據(jù)數(shù)字孿生體的運行狀態(tài),預示飛控策略實施的約束條件;根據(jù)載荷觀測需求,在數(shù)字孿生體中制定并優(yōu)化觀測實施方案,給出包括測控支持、太陽矢量方位、地球遮擋情況、數(shù)傳天線選擇、觀測時機、機動路徑等信息。數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)可為飛控策略制定提供更為全面、有效的信息支持。

2)飛行事件評估與狀態(tài)追溯

在飛控指令發(fā)出后,將衛(wèi)星動作執(zhí)行過程、執(zhí)行結果情況與數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行對比。若飛行動作與期望不一致,可通過數(shù)字孿生體進行故障復現(xiàn),用于發(fā)現(xiàn)和定位問題。

3)衛(wèi)星調(diào)試與參數(shù)優(yōu)化

衛(wèi)星入軌后,通過測控信息獲取衛(wèi)星運行狀態(tài)、辨識衛(wèi)星關鍵動力學參數(shù),同步地面數(shù)字孿生系統(tǒng)狀態(tài)與星上一致后,通過地面孿生體進行衛(wèi)星調(diào)試與參數(shù)優(yōu)化,提升衛(wèi)星性能指標。

2.2 系統(tǒng)組成

HXMT衛(wèi)星數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)主要由3個子系統(tǒng)組成,分別是狀態(tài)數(shù)據(jù)生成子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與動態(tài)視景仿真子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition of digital twin companion satellite system

2.3 子系統(tǒng)功能

1)狀態(tài)數(shù)據(jù)生成子系統(tǒng)

狀態(tài)數(shù)據(jù)生成子系統(tǒng)是數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)的核心部分。該子系統(tǒng)通過地面軟件實現(xiàn)星上控制方案,并通過對外部接口的模擬實現(xiàn)外部事件驅(qū)動,對衛(wèi)星的姿態(tài)、所受空間環(huán)境干擾、衛(wèi)星設備故障、衛(wèi)星控制方式及結果加以模擬,達到反映衛(wèi)星真實衛(wèi)星飛行狀態(tài)的目的,實現(xiàn)復核地面用戶觀測計劃、飛行策略和驗證故障對策的功能。通過界面設置,實現(xiàn)衛(wèi)星狀態(tài)配置、指令上行注入、跳時、加速運行功能。生成數(shù)據(jù)包括遙測參數(shù)表中相關的變量以及重要的中間變量,其結果可以通過接口統(tǒng)一的數(shù)據(jù)顯示平臺進行曲線顯示。

2)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)由飛行數(shù)據(jù)處理模塊、導出量計算模塊和工作狀態(tài)評估模塊組成,能夠?qū)b測數(shù)據(jù)進行處理、根據(jù)用戶需求進行導出量計算。具體包括:姿態(tài)確定、敏感器可用性預報、噴氣卸載產(chǎn)生的速度增量計算、星敏感器安裝偏差標定、主要矢量方向和敏感器視場計算、姿態(tài)機動的路徑優(yōu)化、目標姿態(tài)計算、軌道陰影區(qū)計算、剩余推進劑估算、太陽帆板與太陽矢量夾角、成像敏感器圖像評估等。

3)數(shù)據(jù)顯示與動態(tài)視景仿真子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)顯示與動態(tài)視景仿真子系統(tǒng)用于數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與仿真顯示,可同時支持數(shù)據(jù)、曲線以及動態(tài)視景仿真顯示。衛(wèi)星飛行狀態(tài)等測試數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示視角可調(diào),同時還支持星空、太陽、地球的動態(tài)變化、地球陰影的分布、坐標系相對關系及太陽矢量與衛(wèi)星星體及帆板法線的夾角變化等數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示,有效提高數(shù)據(jù)的可讀性。

3 HXMT數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)應用

3.1 衛(wèi)星狀態(tài)輔助判讀

在傳統(tǒng)衛(wèi)星飛控工作中,飛控人員僅能通過遙測數(shù)據(jù)判斷衛(wèi)星狀態(tài)。當衛(wèi)星自主邏輯過于復雜時,地面人員將很難從歷史上注指令確認衛(wèi)星當前狀態(tài)。HXMT衛(wèi)星應用數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)后,飛控人員同步地對數(shù)字孿生體注入指令,可從數(shù)字孿生體中獲取衛(wèi)星更多的狀態(tài)信息,避免頻繁內(nèi)存下卸確認衛(wèi)星狀態(tài)。

3.2 數(shù)傳天線選取預測

非固定對地面是HXMT衛(wèi)星的一大特點,也是數(shù)傳任務的難點之一。為此,衛(wèi)星采用了雙數(shù)傳天線設計,衛(wèi)星在軌需根據(jù)對地面選擇當班的數(shù)傳天線。在數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)中同步衛(wèi)星軌道參數(shù)后,注入計劃的觀測方案,加速運行到衛(wèi)星過境時刻,獲取衛(wèi)星對地指向狀態(tài)。

在HXMT飛控過程中,分別于入軌后第16～17圈、第27圈、第88～90圈、第100圈,采用數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)預測衛(wèi)星過境對地指向狀態(tài)從而選擇數(shù)傳天線;在第30圈、第43圈、第56圈、第61～62圈、第71圈、第120圈采用數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)輔助驗證星上自主數(shù)傳天線選擇。飛行結果表明,采用數(shù)字孿生體進行的數(shù)傳天線選擇全部正確。

3.3 衛(wèi)星動量輪控制參數(shù)優(yōu)化

HXMT衛(wèi)星在軌測試期間,根據(jù)衛(wèi)星入軌后衛(wèi)星遙測,在修正數(shù)字孿生體參數(shù)的基礎上,進行了動量輪控制參數(shù)優(yōu)化,將衛(wèi)星定點觀測模式的姿態(tài)穩(wěn)定度大幅提高,如圖2和圖3所示。

圖2 標稱控制參數(shù)下的姿態(tài)滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定度Fig.2 Attitude stability of roll under nominal control parameter

圖3 控制參數(shù)優(yōu)化后的姿態(tài)滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定度Fig.3 Attitude stability of roll under optimized control parameters

由圖2、圖3可以看出,使用標稱控制參數(shù)的衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定度(以滾轉(zhuǎn)通道為例)約為0.01(°)/s,優(yōu)化輪控參數(shù)后,姿態(tài)穩(wěn)定度達到了約0.000 3(°)/s。

4 結束語

針對HXMT衛(wèi)星特點,設計了HXMT衛(wèi)星數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)。在HXMT衛(wèi)星飛控過程中,數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)在衛(wèi)星狀態(tài)輔助判讀、數(shù)傳狀態(tài)預測、控制參數(shù)優(yōu)化等方面起到了重要作用。隨著航天任務復雜程度提升,數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)在飛控中的重要程度將越來越高。在后續(xù)任務中,通過對數(shù)字孿生伴飛系統(tǒng)的更新和完善,進一步擴充孿生體的功能,可對航天器任務提供更加強有力的支持。

參考文獻(References)

[1]Chien S,Jonsson A,Knight R,et al．Automated planning and scheduling for space mission operations[R]．Washington D．C．:NASA,2005

[2]Bresina J L,Jonsson A K,Morris P H,et al．Active planning for the Mars Exploration Rovers[C]//Workshop on Mixed-Initiative Planning and Scheduling,ICAPS05．Washington D．C．::AIAA,2005:40-49

[3]Bedrax Weiss Tania,Frank Jeremy,Jonsson Ari,et al．EUROPA2:plan database services for planning and scheduling applications[R]． Washington D．C．:NASA,2005

[4]Rosen R,Von Wichert G,Lo G,et al．About the importance of autonomy and digital twins for the future of manufacturing[J]．IFAC,2015,48(3):567-572

[5]Grieves M．Digital twin:manufacturing excellence through virtual factory replication[EB/OL]．[2016-12-20]．http://www．a(chǎn)priso．com/library/Whitepaper_Dr_Grieves_Digital Twin_Manufacturing Excellence．php

[6]Grieves M,Vickers J．Digital twin:mitigating unpredictable,undesirable emergent behavior in complex systems[M]//Berlin:Springer-Verlag,2017

[7]Glaeksgen E,Stargel D．The digital twin paradigm for future NASA and US Air Force vehicles[C]//Proceedings of the 53rd Structures,Structural Dynamics and Materials Conference．Washington D．C．:AIAA,2012:1-14