數(shù)字空間站動力學與控制仿真建模與飛控應用

邢 濤， 孫樂豐， 王 為， 羅文成

1. 中國空間技術研究院總體設計部, 北京 100094

2. 南京航空航天大學, 南京 210000

0 引 言

自1998年11月第一個模塊發(fā)射升空，國際空間站(ISS)已成功在軌運行20余年，在軌運行管理積累了豐富經驗，將數(shù)字化仿真技術、人工智能技術在健康管理、任務規(guī)劃與調度、任務操作和人機交互過程等領域開展應用，針對噪聲控制、熱環(huán)境分析等專業(yè)開展了在軌運行任務仿真驗證[1].國際空間站機械臂SSRMS由加拿大研制，在地面測試和試驗數(shù)據(jù)及在軌飛行試驗數(shù)據(jù)的基礎上，建立了機械臂數(shù)字仿真模型，地面依靠機械臂數(shù)字仿真模型完成國際空間站機械臂任務分析與驗證.

我國空間站核心艙于2021年4月29日發(fā)射升空并穩(wěn)定運行，中國空間站組裝建造拉開序幕.中國空間站由核心艙、實驗艙I、實驗艙II三個艙段及載人飛船、貨運飛船組成組合體，是我國規(guī)模最龐大系統(tǒng)最復雜的超大型航天器系統(tǒng).空間站在軌演化構型繁多，能源、信息、載人環(huán)境控制、熱管理、姿軌控、推進、機械臂等系統(tǒng)工作模式復雜.空間站在軌運行時間長達十年以上，運行期間長期有人在軌照料，飛控操作任務復雜.空間站任務復雜性一方面為空間站研制驗證全面性帶來挑戰(zhàn)，另一方面也為后續(xù)空間站在軌運行控制提出了高要求.

面向空間站長期穩(wěn)定可靠在軌運行要求，在充分利用空間站數(shù)字化智能化建設成果的基礎上，依據(jù)基于模型的系統(tǒng)工程(model based system engineering, MBSE)思想，開展了數(shù)字空間站建設與應用，構建多學科集成的數(shù)字空間站仿真模型，實現(xiàn)對空間站能源、環(huán)熱控、信息、姿軌控、有效載荷支持、機械臂等任務的監(jiān)視、動態(tài)評估、動態(tài)管理，將數(shù)字空間站應用于空間站飛控，為空間站飛控任務提供有效支撐和技術保障.

1 數(shù)字空間站組成

1.1 數(shù)字空間站概述

在空間站研制階段，采用MBSE思想，在中國空間技術研究院航天器數(shù)字化研制流程下開展數(shù)字空間站建設，采取邊建設邊應用的模式，實現(xiàn)型號需求促數(shù)字化建設，數(shù)字化建設促空間站研制質量與效率提升的目標，確?？臻g站系統(tǒng)設計正確.

數(shù)字空間站建設遵循系統(tǒng)工程V字形過程，經歷了模型需求分析、系統(tǒng)設計、詳細設計、生產制造與軟件開發(fā)、系統(tǒng)集成、測試驗證、運行支持等7個步驟.

基于需求分析，數(shù)字空間站以基于功能模型的多學科仿真系統(tǒng)為核心，與產品信息查詢系統(tǒng)、三維場景構建與分析系統(tǒng)、在軌遙測信息接口等有機集成.

多學科仿真系統(tǒng)實現(xiàn)對空間站能源、環(huán)熱控、信息、姿軌控、推進等各專業(yè)領域實物產品的精細化建模和多學科集成仿真，能反映各個空間站專業(yè)領域之間的耦合.三維場景構建與分析系統(tǒng)是對產品三維構型、電纜管路三維布局等信息的綜合集成應用，支持開展全三維仿真場景演示、幾何干涉分析、視場仿真分析等工作.產品信息查詢系統(tǒng)對空間站各功能指標信息、IDS接口信息、產品數(shù)據(jù)包等產品研制信息進行綜合管理，實現(xiàn)面向在軌運行的研制信息快速查詢分析.在軌遙測信息接口軟件實現(xiàn)實時遙測、空間站在軌信息管控，支持空間站在軌狀態(tài)監(jiān)視、空間站在軌數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、平臺健康狀態(tài)評估、設備壽命預測等工作.

數(shù)字空間站是空間站研制數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的綜合集成.數(shù)字空間站作為真實空間站的數(shù)字化映像，為研制和在軌實時任務評估與規(guī)劃、故障快速處置、載荷資源綜合調配等全周期工作提供支持，具體任務包括：研制階段，數(shù)字空間站支持通過數(shù)字化仿真對系統(tǒng)設計和系統(tǒng)工作模式進行綜合驗證；飛行任務前開展系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)狀態(tài)預示；飛行任務中開展空間站狀態(tài)監(jiān)視、實時數(shù)字伴飛、在軌故障定位和故障預案驗證，飛行任務后評估任務效能.

圖1 數(shù)字空間站研制模式

1.2 多學科仿真系統(tǒng)

空間站屬于高度復雜系統(tǒng)，能源、環(huán)熱控、信息、動力學與控制等各專業(yè)領域相互耦合，如航天員出艙任務中機械臂運動與姿態(tài)控制耦合，也將導致能源系統(tǒng)帆板發(fā)電變化、環(huán)熱控系統(tǒng)外熱流及整艙散熱能力變化、控制系統(tǒng)CMG角動量積累、機械臂根部受力變化.單科學仿真難以模擬真實的仿真邊界條件和學科間耦合影響，開展多學科綜合集成仿真驗證，可以解決多學科耦合問題.

基于功能模型的空間站多學科仿真系統(tǒng)是數(shù)字空間站的核心，采用Modelica建模語言為主，結合C語言建模等其他建模方式設計開發(fā)，從系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機設備級等3個層級，建立能源、環(huán)熱控、信息、動力學與控制等專業(yè)功能層面的數(shù)字功能樣機模型，并以數(shù)字功能樣機模型為基礎，建立數(shù)字空間站多學科仿真系統(tǒng).

采用數(shù)字化技術[2-3]，數(shù)字功能樣機模型與空間站真實產品狀態(tài)一致，同步更新.4個專業(yè)功能層面的仿真模型是相互關聯(lián)的有機整體，既可開展各專業(yè)的獨立仿真驗證，也可開展多學科集成的綜合仿真驗證.

數(shù)字空間站基于Modelica建模語言和C語言建模開發(fā)，在MWorks軟件環(huán)境下進行集成與仿真應用.Modelica是面向對象、基于方程、采用層次化組件模型和具有可重用性的物理建模語言，支持多領域物理系統(tǒng)，提供連續(xù)域和離散域混合建模功能，并可適用于半物理仿真和嵌入式控制系統(tǒng)[4-5].

數(shù)字空間站多學科仿真系統(tǒng)采取邊建設邊應用的技術路線，建立核心艙正常模型建模，包括能源系統(tǒng)仿真模型、環(huán)熱控系統(tǒng)仿真模型、信息系統(tǒng)仿真模型、動力學與控制仿真模型.然后將能源、環(huán)熱控、動力學與控制、信息等專業(yè)層面模型進行綜合集成，建立各專業(yè)模型間的數(shù)據(jù)交互關系，如能源系統(tǒng)發(fā)電能力及能量平衡仿真與動力學與控制系統(tǒng)軌道姿態(tài)、飛行程序有數(shù)據(jù)交互，環(huán)熱控系統(tǒng)整艙散熱能力仿真根據(jù)飛行姿態(tài)和軌道實時計算.

數(shù)字空間站多學科仿真系統(tǒng)基于真實發(fā)射窗口、入軌軌道參數(shù)，按在軌飛行程序驅動開展空間站任務多學科綜合仿真，并驅動三維場景構建與分析系統(tǒng)進行空間站綜合仿真場景展示.多學科仿真系統(tǒng)模型示意如圖3所示.

2 數(shù)字空間站動力學與控制建模

動力學與控制仿真模型實現(xiàn)軌道仿真、姿態(tài)軌道控制仿真、機械臂運動仿真.

2.1 動力學與控制仿真模型構成

動力學與控制仿真模型包含姿態(tài)敏感器模型、姿態(tài)動力學及控制仿真、柔性動力學仿真模型、機械臂運動學與動力學仿真模型、軌道仿真模型、環(huán)境力矩仿真模型等：

1)測量敏感器，如地球敏感器、太陽敏感器、星敏感器、慣導組件等，重點對其測量過程進行數(shù)學建模；

2)執(zhí)行機構，如發(fā)動機、控制力矩陀螺、太陽翼驅動機構、推力器等，對其控制執(zhí)行過程進行數(shù)學建模，并在功能子模型中考慮機電類設備的機電耦合關系；

3)控制器，如GNC控制器，對其控制律進行數(shù)學建模；

4)活動部件，例如太陽翼、機械臂、轉位機構，對其運動特征進行數(shù)學建模；

5)外部環(huán)境，如軌道、干擾力矩等，集成已有高精度模型；

6)柔性部件，例如柔性太陽翼、機械臂、轉位機構等，集成已有高精度模型;

7)艙體，主要建立艙體動力學模型.

通過對各設備及部件功能分析，GNC敏感器、執(zhí)行機構、控制器等設備模型采用C語言建立，基于FMI接口標準進行封裝集成；外部環(huán)境模型、活動部件模型、艙體動力學模型、機械臂動力學模型等采用Modelica語言建模.

2.2 姿態(tài)軌道控制仿真建模

空間站姿態(tài)軌道控制仿真模型是基于C++語言開發(fā)，集成了敏感器、執(zhí)行機構、控制器模型及姿態(tài)軌道控制算法，功能及接口復雜，無法直接使用Modelica進行集成仿真，采用FMI接口標準[1-2]通過模型規(guī)范-模型封裝-模型測試-模型管理-模型應用-模型重用等方面規(guī)范化開展GNC仿真模型的系統(tǒng)建模工作，然后再與其他基于Modelica語言建立的模型進行集成仿真，實現(xiàn)仿真工具之間的交互仿真，實現(xiàn)數(shù)字空間站的數(shù)學仿真、半物理實時仿真、超實時仿真等不同場景應用.

基于FMI接口標準，空間站GNC仿真模型的封裝分為動態(tài)鏈接庫DLL封裝、FMU文件發(fā)布、FMU導入應用3個步驟.

2.2.1 動態(tài)鏈接庫封裝

FMI 標準化接口包括聯(lián)合仿真函數(shù)和狀態(tài)信息兩個部分.聯(lián)合仿真函數(shù)分控制器函數(shù)、子系統(tǒng)執(zhí)行函數(shù)、子系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)；聯(lián)合仿真狀態(tài)共有控制器執(zhí)行信息、子系統(tǒng)執(zhí)行信息、子系統(tǒng)狀態(tài)信息三類.仿真控制器函數(shù)包括實例化函數(shù)、初始化函數(shù)、終止函數(shù)、重置系統(tǒng)函數(shù)、釋放實例函數(shù)；子系統(tǒng)執(zhí)行函數(shù)包括仿真執(zhí)行函數(shù)、仿真中斷函數(shù)、輸入?yún)?shù)設置函數(shù)、輸出參數(shù)獲取函數(shù)[4-7].

基于FMI接口的GNC模型封裝過程如圖4所示.

圖4 GNC仿真模型動態(tài)鏈接庫封裝流程

2.2.2 FMU文件發(fā)布

FMU文件包含模型描述xml文件、模型接口實現(xiàn)等，模型接口實現(xiàn)為源文件形式或二進制文件形式，存儲在zip壓縮文件中，結構形式如下：

modelDescription.xml∥描述模型 (必須)

model.png∥模型圖標(可選)

documentation∥包含模型文檔的文件夾(可選)

_main.html∥文檔入口

<其他文件>

sources∥包含C源代碼的接口實現(xiàn)文件夾(可選)

∥編譯和連接模型所需的C源代碼和C頭文件

binaries∥包含二進制文件的接口實現(xiàn)文件夾(可選)

win32∥32位Windows平臺二進制文件(可選)

.dll∥模型接口實現(xiàn)的DLL文件

∥特定編譯器所需的庫文件(可選)

VisualStudio8∥Microsoft Visual Studio 8 (2005)

.lib∥庫文件

gcc3.1∥gcc 3.1.

…

win64∥64位Windows平臺二進制文件(可選)

…

linux32∥32位Linux平臺二進制文件(可選)

…

linux64∥64位Linux平臺二進制文件(可選)

…

resources∥模型所需的資源(可選)

<模型初始化時需讀取的數(shù)據(jù)文件>

FMI API定義存取聯(lián)合仿真從屬軟件的輸入輸出數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的C語言接口函數(shù)，用于FMU實例的創(chuàng)建、銷毀，模型的初始化，模型數(shù)據(jù)的交換和狀態(tài)信息的獲取等.FMI模型描述XML保存模型的變量屬性(如變量名、單位)等靜態(tài)數(shù)據(jù).

2.2.3 FMU導入應用

利用MWorks軟件實現(xiàn)FMU模型的導入，在MWorks仿真軟件中實現(xiàn)對FMU模型的調用和求解，其主要包括兩個方面：模型描述文件XML文件解析及模型動態(tài)鏈接庫DLL調用.

GNC仿真模式導入至MWorks軟件平臺后如圖5所示.

圖5 封裝完成后的GNC仿真模型

2.3 動力學模型建模

基于Modelica語言構建核心艙、實驗艙I、實驗艙II、載人飛船、貨運飛船艙體動力學模型，并通過不同飛行器的艙體動力學模型的靈活組裝構建不同空間站組合體構型下的艙體動力學模型.建立了各艙段的發(fā)動機推力模型，并按發(fā)動機在艙體上的實際安裝關系與艙體動力學模型進行集成.

圖6 艙體動力學模型

利用Mwork柔性動力學模型庫，導入柔性太陽翼模態(tài)中性文件，開展柔性太陽翼動力學建模工作.

基于Modelica語言建立機械臂動力學模型，基于路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)驅動進行機械臂動力學仿真，并將機械臂動力學模型與艙體動力學模型進行集成.

圖7 機械臂動力學模型

2.4 動力學與控制異構模型集成

將基于FMI接口標準的GNC仿真模型、基于Modelica語言建立的艙體動力學模型、機械臂動力學模型、柔性太陽翼模型、軌道模型、氣動力矩分析模型等在MWorks軟件平臺中導入和加載，按系統(tǒng)集成接口的輸入輸出關系進行拖拽連線式集成，見圖8.

圖8 動力學與控制系統(tǒng)集成模型

3 數(shù)字空間站應用

3.1 巡檢任務動力學與控制仿真

在機械臂巡檢任務過程中，核心艙姿態(tài)由CMG控制，太陽翼停止轉動，發(fā)動機禁止噴氣.任務前利用數(shù)字空間站開展了機械臂巡檢任務過程中動力學與控制綜合仿真，綜合判斷機械臂運動對姿態(tài)控制、CMG角動量、能源平衡、敏感器視場、天線視場的影響，為飛控任務實施提供決策支持.

(1)仿真工況設置

機械臂從適配器HB爬行至適配器HA并以HA為固定端巡檢.

核心艙姿態(tài)：慣性飛行姿態(tài)

推力器：無噴氣

(2)姿態(tài)及角動量仿真值與遙測值比對

姿態(tài)仿真預示曲線與實際遙測曲線見圖9，結果表明，姿態(tài)角預示仿真結果與遙測偏差較小，趨勢基本一致.

圖9 艙體姿態(tài)仿真值與遙測值比對(藍：遙測，紅：仿真)

CMG角動量仿真預示曲線與實際遙測曲線見圖10，可以看出，機械臂運動期間短時間內CMG角動量發(fā)生變化，角動量仿真預示趨勢與遙測值基本一致，數(shù)值比較接近.

圖10 CMG角動量仿真值與遙測值比對(藍：遙測，紅：仿真)

3.2 出艙任務動力學與控制仿真

在航天員出艙任務過程中，機械臂支持航天員運動，核心艙姿態(tài)由CMG控制，太陽翼停止轉動，發(fā)動機禁止噴氣.任務前利用數(shù)字空間站開展了航天員出艙任務全過程動力學與控制綜合仿真預示，綜合分析機械臂支持航天員出艙活動對姿態(tài)控制、CMG角動量、能源平衡、敏感器視場、天線視場、機械臂運動速度、機械臂根部受力的影響，為任務實施提供支持.

(1)仿真工況設置

核心艙飛行姿態(tài)為三軸穩(wěn)定姿態(tài).機械臂以適配器HA為固定端支持航天員出艙活動.推力器不工作.

(2)CMG角動量仿真值與遙測值比對

出艙活動期間CMG角動量仿真預示曲線與實際遙測曲線見圖11，可以看出，航天員出艙活動期間CMG角動量周期性波動，角動量仿真預示趨勢與遙測值基本一致，數(shù)值基本相當，數(shù)字空間站模型可以為飛控提供支撐，后續(xù)需結合飛行任務進行模型校核.

圖11 CMG角動量仿真值與遙測值比對(藍：遙測，紅：仿真)

4 結 論

面向空間站長期在軌飛行控制需求，采取MBSE思想進行了數(shù)字空間站建設.數(shù)字空間站按邊建設邊應用的思路開發(fā)建設，數(shù)字空間站在核心艙飛控過程中得到了全面應用和驗證，動力學與控制仿真模型已用于平臺在軌測試、機械臂任務、出艙活動任務等飛控工作，驗證了建模方法的正確性，可以有效支持空間站飛控.