航天器飛行控制仿真與平行系統(tǒng)

袁 利，程 銘，王 磊

(北京控制工程研究所，北京 100094)

0 引 言

飛行控制是航天器全生命周期中的重要工作，是保證飛行任務順利完成的關鍵環(huán)節(jié)。飛行控制過程要求做到策略驗證充分、操作準確無誤，故障措施應對及時[1]。為了達到這一要求，地面的飛行控制仿真與平行技術受到了各國航天部門的充分重視。仿真與平行系統(tǒng)是對真實在軌航天器的再現式模擬，具有相同的輸入輸出和運行邏輯，離線運行時可以用于訓練飛控人員，并可以驗證控制策略的正確性及響應；在線運行時，使用在軌航天器下行的真實遙測數據進行驅動，可實現平行仿真，用于與在軌航天器運行狀態(tài)進行比較以判斷其穩(wěn)定性，并能預測安全性運行風險。飛行控制仿真與平行技術是確保航天器飛控無誤、提供決策支持的核心基礎。

歐美各國均重視航天器仿真與平行系統(tǒng)的研究和應用。歐空局(ESA)主導了SMP2航天仿真平臺的研發(fā)工作，并成為了歐洲航天仿真界事實上的標準，包括EuroSim、SimSAT等在內的航天仿真軟件，均采用SMP2標準[2]。丹麥TERMA公司為歐空局(ESA)研制了通用實時仿真系統(tǒng)SimSAT，能夠用于衛(wèi)星研制的地面驗證、人員訓練和飛控支持，應用于ExoMars2016、ENVISAT以及Huygens等項目；荷蘭宇航局研制了可配置的仿真系統(tǒng)框架工具EuroSim Framework，可通過構建可配置的模擬器以實現數字仿真，廣泛應用于ESA的衛(wèi)星項目如GAIA、Galileo等。美國國家航空航天局(NASA)的約翰遜研究中心主導了Trick通用仿真環(huán)境的研制，并采用開源方式，已經應用在獵戶座飛船、空間站機械臂等項目的飛控任務支持中[3]；而噴氣推進實驗室(JPL)則使用Dshell和Darts建立通用仿真環(huán)境，包含了通用撓性多體動力學計算庫Darts和部件模型庫，可以跨平臺使用，已應用在Cassini、Galileo等型號上[4]。另外，美國Integral Systems公司開發(fā)的仿真支持系統(tǒng)EPOCH 2000配有趨勢分析軟件EPOCH ABE，可支持飛行任務測控操作；NASA將物理系統(tǒng)與等效虛擬系統(tǒng)相結合，研究了基于數字平行的復雜系統(tǒng)故障預測與消除方法，并應用在航天器、運載火箭等飛行系統(tǒng)的健康管理中。國外航天器飛行控制仿真系統(tǒng)也都并不是孤立存在，而是與設計、測試一體開發(fā)，一體應用。

20世紀90年代末期，隨著載人航天與月球探測的全面實施，中國在基于飛行控制模擬器技術的基礎上開始了航天器飛行控制仿真與平行系統(tǒng)的研制，近年來隨著更多航天器型號投入使用，仿真平行系統(tǒng)逐漸成為一套以飛控事件的工作程序為核心，具備各層級仿真校驗、事件評價、任務規(guī)劃、故障診斷與預示，能夠支持飛控決策的系統(tǒng)總稱[5-7]。文獻[2-4]給出了若干仿真方法或工具說明，文獻[7-8]介紹了某型號專用飛控仿真與支持系統(tǒng)。中國飛控仿真與平行系統(tǒng)大致經歷了三個發(fā)展階段：第一階段是面向測控的航天器飛行控制仿真及遙測數據監(jiān)視，主要功能是對上行指令做出符合邏輯的“反映”并反饋在相應下行遙測數據中，用來驗證測控上下行數據的正確性;第二階段是面向全功能的型號專用飛行控制仿真與平行系統(tǒng)，以控制模擬器為核心，實現航天器控制系統(tǒng)具體功能性能的模擬，不僅可以驗證上行指令，還可以實現飛控程序的演練以訓練飛控隊伍，決策與支持功能也逐漸系統(tǒng)化，形成了數據處理與存儲、故障診斷與定位、性能評估與飛控決策支持幾大功能模塊;第三階段是面向航天器平臺的通用數字化飛控仿真與平行系統(tǒng)，以全數字化軟件形態(tài)運行，與真實衛(wèi)星的控制模式與參數保持一致，展示系統(tǒng)的工作情況[8]。

以空間站建設和深空探測為代表的一大批型號任務，其軌道和姿態(tài)機動復雜，各種對接與分離的組合工況多，同時要求高精度和高實時性，因此飛行風險相對高很多，必須根據航天器的實際運行狀態(tài)，以地面仿真校驗和在線平行預測的方式，確保關鍵飛控環(huán)節(jié)的準確實施。中國于2020年11月24日發(fā)射升空的嫦娥五號月球探測器是近期深空探測的代表型號，是探月工程“繞、落、回”三步走的收官階段。其飛行過程主要包括地月轉移、環(huán)月飛行、下降著陸、月面工作、起飛上升、交匯對接與樣品轉移、月地轉移、再入回收幾個階段，其中下降著陸、起飛上升等飛行階段由于具有過程不可逆特性，更加需要萬無一失的飛控保障。為此研制隊伍在探測器研制過程中同步策劃研制了面向重大任務、具有通用化基礎的航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)并順利投入使用。在嫦娥五號探測器飛控過程中成功實現了平行仿真、預示推演、決策支持等關鍵功能，為飛控工作的圓滿成功打下了堅實的基礎。本文第3節(jié)使用具體事例闡述了飛控仿真與平行系統(tǒng)在嫦娥五號探測器飛控工作中的具體應用情況。

目前，中國航天器飛控仿真與平行技術已經取得了長足進展，多個型號任務成功應用。本文面向航天器飛行控制仿真與平行技術需求，基于多個型號的飛控仿真與支持系統(tǒng)研制基礎，總結提煉了航天器飛行控制仿真與平行技術定義和架構，展望了未來技術的發(fā)展，對該系統(tǒng)的推廣應用及技術發(fā)展具有指導意義。

1 飛行控制仿真的需求分析與系統(tǒng)定義

航天器飛行控制工作的相關方是飛控操作人員和在軌真實運行的航天器，然而二者之間，隱含著操作人員對航天器設計狀態(tài)的清晰掌握，因此在地面，需要有一個能夠呈現航天器設計狀態(tài)的模擬系統(tǒng)，即能夠幫助訓練操作人員熟悉航天器，又能代表航天器顯示其運行狀況。

航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)是溝通人員操作、系統(tǒng)設計與實際系統(tǒng)運行之間的橋梁。其基本功能是用來驗證航天器的飛行程序和地面測控方案以及訓練操作人員；隨著空間任務復雜性的提升，操作人員往往會拓展仿真系統(tǒng)功能，兼容星地遙操作、天地大回路任務演練、故障模式推演等。此類仿真校驗可以對航天器在軌情況進行深度研判、風險預示或為決策提供參考。平行技術則利用在軌實時數據的驅動，通過在軌航天器與仿真系統(tǒng)之間的平行交互，為重大飛控事件提供可靠的解決方案[9]。其本質就是把在軌航天器中“虛”和“軟”的部分，通過可定量、可實施、可重復、可實時再現的仿真，幫助解決在軌航天器的穩(wěn)定性判斷并預示運行風險[10]。

飛控仿真與平行系統(tǒng)的任務及應用需求體現在圖1中的三個方面[11-13]：

1)演練。演練的對象包括飛控人員、測控用設備、飛行程序。和在軌航天器相比，除了上下行數據的地址不同以外，飛控仿真系統(tǒng)完全取代了在軌航天器，能夠用于檢驗測控用設備的功能性能、飛控人員的熟練程度以及飛行程序與故障預案的正確性。

2)驗證。真實飛控時，預計的飛控策略可以在飛控仿真系統(tǒng)上驗證其正確性，并進行系統(tǒng)推演，確認無誤后，再行操作在軌航天器。

3)預示。將在軌航天器的下行遙測接入飛控仿真系統(tǒng)并驅動其與在軌航天器平行運行，可以通過平行系統(tǒng)的運行狀況進行安全性風險預示，以提供決策支持。

圖1 飛控仿真與平行系統(tǒng)的任務應用需求Fig.1 Application requirements offlight control simulation and parallel systems

2 航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)架構

航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)架構分為兩個主要的組成部分：前端提供仿真與平行運行的仿真與驗證系統(tǒng)、后端提供綜合處理的決策與支持系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)間通過網絡總線連接并交換數據，組成一個平行工作的整體系統(tǒng)。飛控仿真與平行系統(tǒng)對外通過網絡接口與地面測控系統(tǒng)連接，可拓展外接口包括與協(xié)同設計平臺、集成測試平臺、AIT測試中心、航天器數據管理中心等外接口。

2.1 仿真與驗證系統(tǒng)

仿真與驗證系統(tǒng)負責提供仿真與驗證結果，為決策提供數據依據，是飛控仿真與平行系統(tǒng)的核心與基礎。實現形式包括：數字仿真校驗子系統(tǒng)、軟件實物仿真校驗子系統(tǒng)、物理仿真校驗子系統(tǒng)，分別面向算法、軟件和系統(tǒng)級仿真環(huán)境，每種實現形式可獨立完成仿真校驗功能，也可以平行同步仿真校驗并對仿真校驗結果進行比對。實際部署時可根據需要在3種形式中選擇1種或多種進行部署。

1)數字仿真校驗子系統(tǒng)。采用全數字環(huán)境，在全數字環(huán)境中嵌入器上軟件中的控制算法，實現與器上軟件方案部分邏輯一致。通過軟件實現航天器姿態(tài)與軌道動力學、制導、導航與控制分系統(tǒng)及有關部件的模擬，完成上下行遙控遙測通道的交互，通過對外部接口的事件級模擬實現外部事件驅動，可以對探測器真實飛行狀態(tài)或者假想飛行狀態(tài)進行數學仿真，對探測器的姿態(tài)、所受空間環(huán)境干擾、控制方式和結果加以模擬，達到預示和事后分析的目的。數字仿真校驗子系統(tǒng)具有加速與跳時仿真功能，以及控制系統(tǒng)性能打靶仿真校驗功能，故障模擬簡單靈活，具有高階攝動力動力學模型，可以實現高精度姿態(tài)與軌道耦合動力學仿真，能夠驅動三維顯示軟件。

2)軟件實物仿真校驗子系統(tǒng)。采用真實的航天器控制計算機以及相應的操作系統(tǒng)、軟件產品，通過軟件實現航天器姿態(tài)與軌道動力學、制導、導航與控制分系統(tǒng)及有關部件的模擬。與數字仿真校驗子系統(tǒng)不同的是，軟件實物仿真校驗子系統(tǒng)敏感器、執(zhí)行機構的接口仿真采用硬件的方式實現，用以和航天器控制計算機接口匹配。通過器上與地面的信號特定接口關系，建立動態(tài)閉環(huán)的仿真環(huán)境，檢驗或評估航天器工作狀態(tài)和結果。軟件實物仿真校驗子系統(tǒng)主要針對控制軟件，子系統(tǒng)具備與航天器控制計算機一致的硬軟件環(huán)境，運行狀態(tài)與航天器飛行狀態(tài)在時序、指令鏈方面完全一致，同時可以完整仿真航天器在軌維護功能。

圖2 航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)組成及信息流圖Fig.2 Composition and information flow diagram ofspacecraft flight control simulation and parallel systems

3)物理仿真校驗子系統(tǒng)。采用實物或半實物的試驗環(huán)境，控制系統(tǒng)各部件(含軟件)采用真實的器上產品。敏感器輸入采用數字信號激勵或環(huán)境模擬器模擬，執(zhí)行機構的執(zhí)行結果由地面檢測接口發(fā)送至動力學、外部環(huán)境仿真模塊。星體動力學由地面計算機進行仿真計算，由敏感器信號激勵反饋或由轉臺等運動模擬器、實物環(huán)境模擬，形成閉環(huán)實時系統(tǒng)。物理仿真校驗子系統(tǒng)主要針對控制系統(tǒng)運行實施半實物、實物仿真，系統(tǒng)運行狀態(tài)與航天器飛行狀態(tài)在時序、指令鏈和部件協(xié)調性等方面完全一致，可以全方位、1∶1地模擬器上狀態(tài)。由于采用真實部件，可以完整驗證控制系統(tǒng)各部件之間及控制系統(tǒng)與其它分系統(tǒng)之間的接口匹配、信息傳輸正確性。動力學、運動學、航天器外部環(huán)境具備故障設置接口，可對存在隨機噪聲、常值偏差、恒值等故障情況進行仿真校驗。

2.2 決策與支持系統(tǒng)

決策與支持系統(tǒng)負責綜合處理在軌航天器的遙測數據、指令計劃、定軌結果等數據，在仿真與驗證系統(tǒng)提供的仿真與驗證結果基礎上，結合航天器地面測試數據，經過故障診斷、性能評估過程，綜合給出供飛行控制人員參考的規(guī)范數字化的決策支持結果。包含三個組成模塊，數據處理與存儲模塊、故障診斷與定位模塊和評估與決策支持模塊，分別完成數據處理與存儲功能、故障診斷與定位功能和評估與決策支持功能，三個模塊功能相對獨立，根據需要可運行在不同的硬件平臺上，也可以集成運行在同一硬件平臺上。

1)數據處理與存儲模塊。包括外部數據復接處理、數據顯示、數據存儲、數據查詢與回放四個部分。數據復接處理作為模塊的數據中轉中樞，具有數據訂閱、接收和分發(fā)功能，可以同時接收并處理多個數據源的數據，數據的解析協(xié)議可以進行定制化配置。數據顯示完成數據與操作記錄的監(jiān)視，包括數據的表格化、曲線化監(jiān)視、圖像數據監(jiān)視或三維動態(tài)監(jiān)視等，顯示內容可以定制并支持顯示結果自主規(guī)范化。數據存儲和數據查詢配合完成驗證結果、在軌數據、操作記錄、圖像、文件等數據源碼、解析結果的存儲和查詢功能，數據采用冗余存儲方式確保存儲的可靠性?？梢愿鶕祿樵兘Y果進行數據回放，支持加、減速數據回放。

2)故障診斷與定位模塊。核心是故障診斷與定位軟件，用于對航天器在軌異常數據進行故障診斷與定位，根據系統(tǒng)的冗余模式給出部組件重構建議。模塊預先存儲了系統(tǒng)、部件故障樹，并支持故障樹的維護與自定義，可根據遙測數據與飛控指令快速匹配故障樹分支，完成故障的在線定位[14-15]。故障診斷、定位結果自主生成故障診斷報告，報告格式可由用戶預先設定。

3)評估與決策支持模塊。核心是一套系統(tǒng)評估與支持軟件，用于對航天器在軌關鍵動作與過程進行評估，特別是對完成各項任務的分系統(tǒng)、部件狀態(tài)進行評估，結合故障診斷與定位模塊給出的診斷、定位結果與系統(tǒng)重構建議，給出后續(xù)飛行控制的支持內容[16-17]。模塊可以對航天器在軌遙測、數傳數據進行統(tǒng)計分析，包括單個數據的數值分析、多數據關聯(lián)性分析、數據的邊界、趨勢統(tǒng)計等。評估與決策支持結果自主生成評估與決策支持報告，報告格式可由用戶預先設定，并可將決策支持結果自主生成上行指令、注入序列。

3 航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)在嫦娥五號的典型應用

2020年12月17日，嫦娥五號探測器成功完成了中國首次地外天體樣品采樣返回任務。嫦娥五號探測器采用了本文提出的面向全功能的飛控仿真與平行系統(tǒng)，完成了如下重要飛行控制工作：

1)對兩次環(huán)月軌道變軌和動力下降、起飛上升、四次遠程導引變軌等重大飛控事件的事前仿真校驗。正確地預示了在軌飛行過程中將會發(fā)生的現象和結果。

2)軌控、著陸和起飛上升策略的復核和復算。保證了軌道控制精準，著陸、起飛過程正確。

3)飛控實施指令和參數的檢驗。保證了飛控實施零差錯。

4)在軌測試階段平行飛行。為長期穩(wěn)定運行提供了仿真校驗基礎。

以動力下降和起飛上升過程為例說明如下:

1)著陸過程的平行仿真。2020年12月1日，嫦娥五號著陸上升組合體成功完成月面軟著陸。飛控仿真與平行系統(tǒng)對整個動力下降過程進行了平行仿真。其中轉慣性調姿時間、轉著陸準備時間、主發(fā)動機點火時間3個關鍵時間點的仿真結果與實際飛行結果對比情況見表1。

表1 動力下降姿態(tài)建立過程的仿真與飛行情況的對比結果Table 1 Compare results of simulation and flight situation of power drop attitude establishment process

可以看到，仿真結果很好的反映了關鍵飛行事件的時間點，誤差不大于1 s。

2)上升過程的預示推演。2020年12月3日，嫦娥五號上升器從月面起飛，準確進入目標環(huán)月軌道。仿真平行系統(tǒng)對起飛上升的控制策略和飛行參數進行了全面仿真，部分典型參數的仿真結果與實際飛行結果對比情況如圖3所示。

從對比情況可以看出，仿真結果真實反映了探測器實際飛行狀態(tài)，控制策略和飛行參數得到了很好的驗證。

3)上升策略的決策支持。由于燃料總量限制，上升器必須零起飛窗口上升。因此控制參數和策略的驗證至關重要。在月面起飛前，根據定姿結果給出了兩組起飛關鍵參數，修正起飛時刻上升器機械系相對起飛點的滾動、俯仰、偏航角。利用飛控仿真與支持系統(tǒng)對兩組數據進行了仿真校驗，得到在不同起飛姿態(tài)條件下，上升器入軌后預報近月點高度和相對月面速度。通過對兩組起飛參數的仿真結果分析，選擇第二組參數作為最終的起飛參數。

上升器入軌后2 h，根據地面精密定軌結果，滿足入軌指標要求。

4 航天器飛控仿真與平行技術的未來發(fā)展

近年來大量型號應用航天器飛控仿真與平行技術，同時航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)的應用場景也在不斷擴大，隨著建模技術、人工智能、計算能力等基礎技術的不斷發(fā)展，未來航天器飛控仿真與平行技術的發(fā)展呈現數字化和一體化的趨勢。

1)數字化。面向航天器的集成多物理、多尺度、概率模擬的數學模型是仿真再現的基礎，對航天器物理系統(tǒng)的準確建?？梢詫⒅D化到信息空間，以構建通過軟件實現的全數字航天器。基于多學科數字模型的航天器飛控仿真與平行技術將會以便捷、靈活、低成本的優(yōu)勢滲入到未來宇航系統(tǒng)制造與應用的每一個環(huán)節(jié)。

2)一體化。飛控仿真系統(tǒng)的設計是依從于航天器的設計狀態(tài)，而航天器的設計相對獨立。在平行運行時，是以在軌航天器為主，仿真系統(tǒng)為輔。未來航天器與地面仿真系統(tǒng)將會是天地一體化的設計，即通過航天器與平行系統(tǒng)的緊密交互,自主對之間的行為進行對比和分析,完成對各自未來的狀況的“借鑒”和“預估”，相應地調節(jié)各自的管理與控制方式。飛控用戶專注于使用決策，不再區(qū)分地面數字系統(tǒng)和在軌物理系統(tǒng)。

未來的航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)不僅僅是用于飛控的決策支持，而且能夠靈活方便的應用于航天器設計、生產、集成、測試、運行等全生命周期的各個環(huán)節(jié)，與航天器一體化設計，平行運行。

5 結 論

航天器飛控仿真與平行技術在嫦娥五號探測器飛控過程中發(fā)揮了重要作用，有力地推動了中國在航天器飛行控制仿真與平行技術方面的創(chuàng)新和探索，但該技術在數字化和一體化設計方面還有待進一步完善。通過對飛行控制仿真與平行技術的深入研究和不斷完善，必將使其在中國后續(xù)航天器飛行控制任務中發(fā)揮越來越大的作用。