月球軌道器交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

唐 寧

北京控制工程研究所，北京100190

0 引言

月球軌道器的空間交會(huì)對(duì)接是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及控制方案復(fù)雜、新研設(shè)備多、精度指標(biāo)要求高等技術(shù)難點(diǎn)[1]。為了驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接的可行性，需在地面進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，九自由度半物理仿真試驗(yàn)就是其中最為有效的一種方式。美國(guó)、日本和歐空局等國(guó)家組建了多種半物理仿真系統(tǒng)，其中較為典型的有美國(guó)蘭利研究中心負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和研制的雙子星座飛船光學(xué)對(duì)接仿真系統(tǒng)，日本筑波空間中心建立的交會(huì)對(duì)接GNC系統(tǒng)靠攏段半物理仿真系統(tǒng)，歐空局和德國(guó)宇航院在德國(guó)航空航天試驗(yàn)院空間運(yùn)行中心組建的九自由度接近操作仿真器[1]。為了確保交會(huì)對(duì)接任務(wù)的順利實(shí)施，我國(guó)自行研制了一套月球軌道的九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，用于RVD敏感器部件級(jí)的性能驗(yàn)證和自控交會(huì)對(duì)接技術(shù)的仿真驗(yàn)證。

1 半物理仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

GNC分系統(tǒng)九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)模擬器模擬兩飛行器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(包括相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài))，將飛行器上與GNC系統(tǒng)有關(guān)的真實(shí)部件接入試驗(yàn)回路，由實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)完成交會(huì)對(duì)接過程中兩個(gè)飛行器共9個(gè)自由度的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，并實(shí)時(shí)控制運(yùn)動(dòng)模擬器等設(shè)備，半物理仿真系統(tǒng)由試驗(yàn)控制系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行管理和監(jiān)控，完成試驗(yàn)所需要的遙控模擬、遙測(cè)模擬、推進(jìn)系統(tǒng)的模擬等，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和仿真結(jié)果的可視化，完成仿真試驗(yàn)。

1.1 半物理仿真系統(tǒng)組成

半物理仿真系統(tǒng)由九自由度運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)、仿真計(jì)算機(jī)、光端機(jī)和試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成。

九自由度運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)由一個(gè)固定的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)和一個(gè)能做三維平動(dòng)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)2部分組成。九自由度運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)能模擬兩飛行器在一段距離內(nèi)的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

仿真計(jì)算機(jī)由高性能工作站組成。仿真計(jì)算機(jī)接收推進(jìn)模擬器的推力數(shù)據(jù)，計(jì)算兩飛行器的軌道和姿態(tài)信息，轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)臺(tái)的控制信息，實(shí)時(shí)控制九自由度運(yùn)動(dòng)模擬器，同時(shí)向敏感器模擬器發(fā)送激勵(lì)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中，仿真機(jī)和試驗(yàn)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)器之間通過實(shí)時(shí)反射內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將接收到的試驗(yàn)控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給仿真機(jī)，同時(shí)通過反射內(nèi)存接收仿真機(jī)生成的計(jì)算數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

試驗(yàn)控制系統(tǒng)采用的是前臺(tái)、后臺(tái)結(jié)構(gòu)，前臺(tái)系統(tǒng)主要采用CPCI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，建立外系統(tǒng)模擬等效子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，反饋狀態(tài)和發(fā)送指令給GNC系統(tǒng)；對(duì)于實(shí)時(shí)要求性高，反應(yīng)時(shí)間短的等效器，采用自行開發(fā)的通用智能接口子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。前臺(tái)系統(tǒng)的通用CPCI模塊和定制板卡安裝在同一個(gè)控制機(jī)箱內(nèi)，通過調(diào)理接口箱與GNC系統(tǒng)相連，同時(shí)將采集的數(shù)據(jù)傳遞到后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并且接收后臺(tái)控制指令計(jì)算機(jī)傳來的試驗(yàn)控制指令。

后臺(tái)系統(tǒng)主要實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行檢查，自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告、管理數(shù)據(jù)等。后臺(tái)是大大提高測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化程度的關(guān)鍵。

在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，后臺(tái)不與被測(cè)對(duì)象直接連接，被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)主要是通過前臺(tái)的外系統(tǒng)等效器進(jìn)行采集，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺(tái)的服務(wù)器。后臺(tái)主要用于設(shè)置工作模式，建立測(cè)試序列，控制測(cè)試過程的進(jìn)行；記錄各種事件，存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)；查詢、檢索、回放測(cè)試數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，判讀測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性并提供故障診斷和報(bào)警；在測(cè)試完成后自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告等功能。

后臺(tái)采用網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，硬件主要由通用計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等組成，包括試驗(yàn)控制顯示子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和指令控制臺(tái)，由軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試的自動(dòng)化。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

為了實(shí)現(xiàn)兩飛行器交會(huì)對(duì)接的測(cè)試功能，模擬太空環(huán)境下不同初始條件下的對(duì)接情況，九自由度半物理仿真地面測(cè)試系統(tǒng)需具備以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括：實(shí)時(shí)模擬技術(shù)，試驗(yàn)項(xiàng)目的自動(dòng)切換技術(shù)，信息鏈的多路數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，九自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的控制技術(shù)和基于光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)線傳輸技術(shù)。

2.1 實(shí)時(shí)模擬技術(shù)

利用九自由度運(yùn)動(dòng)模擬器，太陽模擬器真實(shí)模擬飛行器的飛行環(huán)境。在飛行控制系統(tǒng)半物理仿真試驗(yàn)中，通過接入交會(huì)對(duì)接敏感器、控制計(jì)算機(jī)和其他對(duì)象，獲得最大限度下的模擬真實(shí)情況下兩飛行器交會(huì)對(duì)接的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過增加各類環(huán)境擾動(dòng)和不同的對(duì)接初始條件，近似模擬實(shí)際的近距離交會(huì)對(duì)接過程。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目的自動(dòng)切換技術(shù)

交會(huì)對(duì)接九自由度半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行RVD敏感器性能驗(yàn)證試驗(yàn)和自控交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，不同的試驗(yàn)項(xiàng)目中參試的設(shè)備不同，敏感器數(shù)據(jù)采集的方式也不同，各參試設(shè)備間的電纜連線數(shù)量和走向也不相同，為了最大限度實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的自動(dòng)化，需要對(duì)各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的設(shè)備連線進(jìn)行全面整理，在隔離調(diào)理箱中做好各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的電纜連線切換方案。在控制指令計(jì)算機(jī)上選擇試驗(yàn)方案，隔離調(diào)理箱將根據(jù)選擇的試驗(yàn)項(xiàng)目，切換正確的電纜連線，從而減少人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試項(xiàng)目切換過程的自動(dòng)化。

2.3 信息鏈的多路數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)通訊基本上分為2種形式：1)器上部件(如控制計(jì)算機(jī)、交會(huì)對(duì)接敏感器等)之間及控制計(jì)算機(jī)和各模擬器的通訊，這些完全按照實(shí)際情況實(shí)時(shí)進(jìn)行；2)仿真設(shè)備之間數(shù)據(jù)通訊，這部分內(nèi)容又分為2種：一種對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，應(yīng)用了高速以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通訊，如數(shù)據(jù)服務(wù)器給數(shù)據(jù)顯示站提供數(shù)據(jù)，遙測(cè)模擬器得到遙測(cè)數(shù)據(jù)送給服務(wù)器等；另一種對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，應(yīng)用反射內(nèi)存高速實(shí)時(shí)網(wǎng)完成通訊，如仿真計(jì)算機(jī)分別和九自由度運(yùn)動(dòng)模擬器，仿真計(jì)算機(jī)分別和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬器、敏感器模擬器通訊。

圖1 九自由度仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.4 轉(zhuǎn)臺(tái)控制技術(shù)

依據(jù)兩飛行器軌道和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)的解算數(shù)據(jù)，計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)和追蹤轉(zhuǎn)臺(tái)各自的絕對(duì)控制量，控制兩轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)模擬兩飛行器在軌近距離交會(huì)的過程，轉(zhuǎn)臺(tái)控制的具體設(shè)計(jì)如下：

通過標(biāo)定數(shù)據(jù)可以得到目標(biāo)航天器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系與六軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制坐標(biāo)系之間的方向余弦陣C1和位置關(guān)系A(chǔ)1，通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算可以得到目標(biāo)航天器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系與追蹤航天器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系之間的方向余弦陣C2和位置關(guān)系A(chǔ)2，考慮到在最后的逼近階段，兩飛行器之間只有較小的姿態(tài)偏差，假設(shè)目標(biāo)器不動(dòng)，由此可以得到：

(1)

A20=A1+C1A2

(2)

由式(1)和(2)可得到六軸轉(zhuǎn)臺(tái)的6個(gè)絕對(duì)控制量。

2.5 基于光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)線傳輸技術(shù)

交會(huì)對(duì)接敏感器等設(shè)備安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)之上，與CPCI設(shè)備大概有100m左右的距離，所以調(diào)理箱要通過一些必要的設(shè)備才能夠傳輸如此遠(yuǎn)的距離。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，設(shè)計(jì)了一種基于光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)線傳輸方案，采用光端機(jī)將采集到的電信號(hào)耦合到光纖上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸(以下簡(jiǎn)稱光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)線傳輸方案)。

光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)線傳輸方案的基本原理是將轉(zhuǎn)臺(tái)上的各類設(shè)備的電信號(hào)和地面上行的各種電信號(hào)先通過光電轉(zhuǎn)換將電信號(hào)耦合到光纖上，再在對(duì)應(yīng)端用另一臺(tái)光端機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，變換為電信號(hào)，接入到調(diào)理箱或控制器。

九自由度試驗(yàn)需要長(zhǎng)線傳輸?shù)男盘?hào)主要包括RS-422的差分信號(hào)和集電極開路形式的遙控指令信號(hào)。光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)線傳輸方案的技術(shù)關(guān)鍵是串/并轉(zhuǎn)換造成時(shí)間延時(shí)的問題。因?yàn)樘焐袭a(chǎn)品傳輸過來的信號(hào)是并行的，光纖傳輸要求信號(hào)必須是串行輸入的，所以必須要做并/串轉(zhuǎn)換。

圖2 光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖

需要轉(zhuǎn)換的并行信號(hào)大概有以下特征：每根信號(hào)線的速率不超過500Kbit/s；每根信號(hào)線出現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間是隨機(jī)的并且可能以很快的速度連續(xù)出現(xiàn)，也可能是間隔很長(zhǎng)時(shí)間才能出現(xiàn)一次。光端機(jī)是模塊化的結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊將32路電信號(hào)耦合到一根光纖上。假如每一個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次并/串轉(zhuǎn)換，32路信號(hào)的第1路和第32路信號(hào)之間就相差32個(gè)時(shí)鐘周期，假如時(shí)鐘是以1GHz的振蕩周期運(yùn)行的話第1路信號(hào)與第32路信號(hào)之間時(shí)間上相差32ns。而TTL允許的最小延時(shí)是126ns。這與32ns相距甚遠(yuǎn)，所以完全符合時(shí)序要求。

另外從通信原理的角度來講，每一路信號(hào)最高的數(shù)據(jù)速率為500Kbit/s，32路為一個(gè)單位，所以線路上需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率是500Kbit/s×32=1.6M/s，而時(shí)鐘周期是1GHz，所以光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也是1Gbit/s，顯而易見光纖的數(shù)據(jù)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的數(shù)據(jù)容量，所以通過提高傳輸速率的辦法完全可以解決并/串轉(zhuǎn)換造成的時(shí)間延遲問題。

綜上所述采用光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)線傳輸方案優(yōu)點(diǎn)很明顯：1)多模光纖傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到多模光纖傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到2km，長(zhǎng)距離傳輸問題就迎刃而解了。2)每路光纖可以傳輸多路信號(hào)，所以轉(zhuǎn)臺(tái)上的設(shè)備與地面上的設(shè)備之間的連線就可以少很多，重量大大減輕，布線難度也大大降低。采用光電轉(zhuǎn)換和調(diào)理電路一體化的設(shè)計(jì)，安裝更簡(jiǎn)潔方便，可維護(hù)性更強(qiáng)。3)因?yàn)樗性O(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)都是通過光電轉(zhuǎn)換才進(jìn)入到地面安裝的設(shè)備上去的，所以使用了光電隔離方法，保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備出故障的時(shí)候，故障不會(huì)大面積擴(kuò)散。

3 仿真驗(yàn)證

為實(shí)現(xiàn)我國(guó)月球軌道的交會(huì)對(duì)接，根據(jù)月球軌道交會(huì)對(duì)接任務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了月球軌道交會(huì)對(duì)接方案，研制了新型的交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器。為了驗(yàn)證方案的正確性，考核交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器的性能，依據(jù)本文設(shè)計(jì)思路構(gòu)建了月球軌道的九自由度半物理仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)的仿真驗(yàn)證，圖3～6為一組典型的月球軌道近距離交會(huì)對(duì)接的仿真結(jié)果。

圖3 相對(duì)位置曲線

圖4 相對(duì)速度曲線

圖5 相對(duì)姿態(tài)角曲線

圖6 相對(duì)姿態(tài)角速度曲線

4 結(jié)論

空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)是航天領(lǐng)域發(fā)展的必備技術(shù)，利用九自由度半物理仿真系統(tǒng)，使用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和設(shè)備，較為真實(shí)地模擬近距離交會(huì)對(duì)接的全過程，是驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接敏感器性能和交會(huì)對(duì)接控制算法和策略最為有效的方式。

本文提出了一種基于千兆光纖以太網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，在月球軌道器的交會(huì)對(duì)接控制分系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證中得到了實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到了很好的效果，從其關(guān)鍵技術(shù)的分析和實(shí)現(xiàn)中可以看出，具有一定的先進(jìn)性和廣闊的應(yīng)用前景。