空間站艙外設(shè)備視場動(dòng)態(tài)仿真方法

趙 鑠，蘇 亮，刁常堃，周 強(qiáng)，王 昊

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

中國空間站是我國規(guī)模最龐大、系統(tǒng)最復(fù)雜的超大型航天器，不同構(gòu)型的組合體需要通過多次組裝完成建造?？臻g站艙外配置有光學(xué)敏感器、測控天線、雷達(dá)、攝像機(jī)等設(shè)備，用于姿態(tài)測量、通信、測距、拍攝等，這些設(shè)備要求指定方向的一定角度范圍內(nèi)視場不能有遮擋，否則會(huì)影響空間站的正常工作。為滿足我國空間站長期運(yùn)行保障需求，必須根據(jù)其真實(shí)在軌狀態(tài)實(shí)時(shí)開展設(shè)備視場仿真分析。設(shè)備視場是天線波束、羽流、視場的統(tǒng)稱，檢查設(shè)備視場與航天器本體及其上其余設(shè)備之間相互關(guān)系的過程稱為視場分析[1]。

在航天器的構(gòu)型與布局設(shè)計(jì)階段，一般采用設(shè)備視場遮擋靜態(tài)分析方法[2]，即根據(jù)三維設(shè)計(jì)軟件中的構(gòu)型布局設(shè)計(jì)模型，手動(dòng)設(shè)置活動(dòng)部件的位置或者轉(zhuǎn)動(dòng)角度，遮擋結(jié)果依靠設(shè)計(jì)師的觀察和測量，人工判斷視場范圍與設(shè)備的遮擋情況。這種方法主要有以下缺點(diǎn)：

1）分析準(zhǔn)確性低。依靠設(shè)計(jì)師視覺判斷，得出設(shè)備的位置或轉(zhuǎn)動(dòng)角度精度很低（角度約為5°，位置約為20 mm），造成數(shù)據(jù)的差錯(cuò)率達(dá)到10%以上。

2）設(shè)計(jì)師手動(dòng)調(diào)整設(shè)備布局位置，然后視覺分析判斷遮擋、干涉和碰撞，分析效率很低。以空間站方案階段的分析為例，12 種組合體構(gòu)型、40 多個(gè)有視場分析需求的設(shè)備、3 個(gè)艙外大型運(yùn)動(dòng)設(shè)備，需要分析的次數(shù)為12×40×3，共計(jì)1440 個(gè)工況，需要3 個(gè)設(shè)計(jì)師耗時(shí)1 個(gè)月才能完成一次完整的分析。

綜上所述，對(duì)于視場、運(yùn)動(dòng)部件的分析特點(diǎn)，亟需新的方法與工具來滿足數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、碰撞檢測、第一視角的功能，并且提高分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、精度與效率。

本文針對(duì)空間站艙外設(shè)備視場動(dòng)態(tài)仿真分析需求，基于數(shù)字空間站孿生平臺(tái)[3-6]，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)艙外設(shè)備視場遮擋動(dòng)態(tài)仿真方法進(jìn)行研究：通過搭建整體輕量化可視模型，可視內(nèi)容涵蓋太空環(huán)境、艙外運(yùn)動(dòng)部件和艙外敏感器（天線），在此基礎(chǔ)上加入視場遮擋、中繼星跟蹤等量化后處理功能和敏感器的有效視場分析功能，最終集成開發(fā)為一套通用的可視化仿真分析系統(tǒng)。本文研究旨在為空間站飛行任務(wù)規(guī)劃和飛行程序推演過程中的動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證提供支持。

1 數(shù)字空間站動(dòng)態(tài)視場仿真軟件功能設(shè)計(jì)

1.1 功能需求

數(shù)字空間站作為真實(shí)空間站的數(shù)字化映像，其整體架構(gòu)是以基于功能模型的多學(xué)科仿真分析為核心，與產(chǎn)品信息查詢系統(tǒng)、三維場景構(gòu)建與分析系統(tǒng)、基礎(chǔ)支撐環(huán)境等有機(jī)集成，為空間站飛控任務(wù)提供技術(shù)支撐。

動(dòng)態(tài)視場仿真系統(tǒng)是依托數(shù)字空間站整體架構(gòu)，在設(shè)備視場遮擋靜態(tài)分析方法（分析流程見圖1，典型分析結(jié)果見圖2）的基礎(chǔ)上，利用研制階段建立的全三維工程制造模型，采用數(shù)字化、智能化等手段，利用在軌及系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)視場仿真分析。空間站艙外設(shè)備視場遮擋的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)需要具備以下功能：

圖1 設(shè)備視場遮擋靜態(tài)分析流程Fig.1 Static analysis flow of equipment view-field occlusion

圖2 典型的視場遮擋靜態(tài)分析結(jié)果Fig.2 Typical static analysis result of view-field occlusion

1）空間站艙外維修過程中，需要對(duì)各個(gè)攝像機(jī)的視場情況進(jìn)行詳細(xì)分析和確認(rèn)，為出艙活動(dòng)任務(wù)提供分析數(shù)據(jù)；

2）在航天員出艙過程中，需對(duì)航天員、機(jī)械臂對(duì)天線的視場遮擋情況進(jìn)行分析，為飛控預(yù)案提供數(shù)據(jù)支持；

3）在空間站在軌組裝任務(wù)中，需對(duì)設(shè)備視場、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)包絡(luò)、艙外運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，為擴(kuò)展構(gòu)型提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 軟件功能設(shè)計(jì)

數(shù)字空間站動(dòng)態(tài)視場仿真軟件包括環(huán)境模型管理、設(shè)備模型處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理、動(dòng)態(tài)視場分析、分析結(jié)果后處理、分析結(jié)果管理共6 個(gè)功能模塊；在綜合考慮遮擋、陽光和艙外照明影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)組合體飛行姿態(tài)角、太陽電池陣角度以及多項(xiàng)最短距離等各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，直接給出關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)情況。軟件功能分層描述見圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)視場仿真軟件功能分層描述Fig.3 Layered function description of dynamic view-field simulation software

1.2.1 環(huán)境模型管理

環(huán)境模型包括地球模型、月球模型、太陽模型、太空環(huán)境模型等內(nèi)容。在上述模型的基礎(chǔ)上，建立航天器軌道及姿態(tài)信息坐標(biāo)，模擬出航天器與中繼星等的相互位置關(guān)系。

1.2.2 設(shè)備模型處理

1）工程模型輕量化處理

根據(jù)Pro/E 導(dǎo)出的設(shè)備布局?jǐn)?shù)據(jù)，快速生成視場仿真場景，保持與Pro/E 布局模型狀態(tài)一致。因受制于三維設(shè)計(jì)軟件整體格式，視場分析無法直接使用三維設(shè)計(jì)模型格式，所以基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開發(fā)模型輕量化處理功能，快速導(dǎo)出艙體及設(shè)備的位置和位姿配置文件，再由視場仿真軟件讀取配置文件，并加載相應(yīng)的模型，最終實(shí)現(xiàn)視場仿真模型的快速構(gòu)建。該處理方式適用于空間站多種構(gòu)型組合的復(fù)雜仿真環(huán)境。模型輕量化處理的重點(diǎn)是：輕量化模型有較小的模型面片數(shù)，無碎面，輕量化模型格式為fbx；在建模過程中，為了實(shí)現(xiàn)更好的效果，將點(diǎn)線面進(jìn)行全方面的優(yōu)化，無空點(diǎn)，無無效面，部分打組，部分形成整體，并根據(jù)材質(zhì)類型進(jìn)行著色的選擇和貼圖材質(zhì)的再處理。工程模型輕量化處理流程見圖4。

圖4 模型輕量化處理流程Fig.4 Model lightweighting processing flow

2）運(yùn)動(dòng)參數(shù)定義和管理

該模塊的重點(diǎn)是：針對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，定義其運(yùn)動(dòng)范圍及關(guān)節(jié)位置坐標(biāo)系，為其數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)提供接口。例如建立機(jī)械臂各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，軟件通過物理學(xué)與慣性學(xué)模擬出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡。

3）視場模型定義

該模塊將典型視場模型定義為俯仰/方位角描述的視場、全錐描述的視場和扇錐描述的視場3 類，其視場參數(shù)如圖5 所示。視場模型進(jìn)行封口處理，椎體和柱體視場用多棱形式體現(xiàn)，兩側(cè)口用單面材質(zhì)進(jìn)行封裝[7]。

圖5 典型視場定義Fig.5 Typical view-field definitions

4）坐標(biāo)系管理

為保證仿真分析模型與三維設(shè)計(jì)模型一致，并且實(shí)時(shí)反應(yīng)布局的常態(tài)，視場分析軟件中按照設(shè)備安裝坐標(biāo)系重構(gòu)整個(gè)組合體的分析模型。通過三維設(shè)計(jì)軟件輸出當(dāng)前組合體所有設(shè)備的布局坐標(biāo)系信息，仿真分析軟件讀取坐標(biāo)系信息，在軟件內(nèi)部進(jìn)行設(shè)備重新構(gòu)建并統(tǒng)一管理，相關(guān)定義要與GB/T 42042—2022《空間站坐標(biāo)系》中的定義一致。

1.2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理

數(shù)據(jù)源包括在軌遙測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)和地面測試艙測試數(shù)據(jù)三類接口。

以仿真數(shù)據(jù)為例，面向空間站組裝、建造及在軌運(yùn)營任務(wù)階段關(guān)鍵飛行事件，采用數(shù)字空間站多學(xué)科仿真模型輸出的航天器的軌道、姿態(tài)、太陽電池陣以及機(jī)械臂等運(yùn)動(dòng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)，通過建立運(yùn)動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)可視模型的運(yùn)動(dòng)部件，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程的天線動(dòng)態(tài)遮擋仿真、測繪覆蓋率計(jì)算模擬等。

1.2.4 動(dòng)態(tài)視場分析

采用視場模型與不同設(shè)備碰撞檢測算法[8-11]實(shí)現(xiàn)視場的動(dòng)態(tài)分析。建立標(biāo)準(zhǔn)視場模型與非標(biāo)準(zhǔn)視場模型的碰撞檢測包圍盒，構(gòu)造BSP 樹層次結(jié)構(gòu)，以凸多面體邊界碰撞算法為基礎(chǔ)，開放三維模型之間的碰撞，并完成碰撞數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析?；谔摂M現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)視場與處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)設(shè)備的碰撞檢測，視場通過中心軸旋轉(zhuǎn)、長度拉伸和半徑變大等方式得出結(jié)果數(shù)據(jù)。以機(jī)械臂為例具體說明：

1）利用射線碰撞檢測算法或者計(jì)算機(jī)圖形算法，計(jì)算各敏感器的視場遮擋區(qū)域；

2）實(shí)時(shí)檢測機(jī)械臂與設(shè)備視場的碰撞信息，獲得碰撞時(shí)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)輔助規(guī)劃機(jī)械臂合理運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.2.5 分析結(jié)果后處理

1）射線碰撞檢測算法

從視場主點(diǎn)發(fā)射碰撞檢測射線，按照各視場設(shè)備的要求配置檢測射線投射的密度和區(qū)域，記錄射線的方位角度及碰撞檢測結(jié)果，射線碰撞為真的區(qū)域即為視場遮擋區(qū)域。典型的錐形視場碰撞示例見圖6[8]。

圖6 視場碰撞檢測射線投射及碰撞示例Fig.6 Examples of ray projection and collision in view-field collision detection

圖7 寬窄波束中繼動(dòng)態(tài)視場遮擋分析Fig.7 Dynamic view-field baffle analysis of wide and narrow beam relay

圖8 機(jī)械臂巡檢任務(wù)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of robotic arm inspection

2）動(dòng)態(tài)視場遮擋計(jì)算

若碰撞區(qū)域存在運(yùn)動(dòng)部件，則需要對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行細(xì)分，針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)角度，利用靜態(tài)視場遮擋計(jì)算方法分別計(jì)算并記錄。

1.2.6 分析結(jié)果管理

視場分析的結(jié)果為第一視角遮擋圖片、遮擋物的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和視場的遮擋參數(shù)。分析結(jié)果以圖片及數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行批量自動(dòng)分類存儲(chǔ)。分析結(jié)果可以動(dòng)態(tài)視頻形式輸出，使觀看者能直觀地了解各個(gè)天線、敏感器視場在軌實(shí)時(shí)遮擋情況，同時(shí)支持自由回放、自定義時(shí)間段瀏覽整個(gè)流程。

2 軟件開發(fā)與應(yīng)用

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了空間站動(dòng)態(tài)視場仿真系統(tǒng)，打通其與數(shù)字空間站多學(xué)科仿真系統(tǒng)、在軌遙測、地面測試艙之間的接口，可在仿真數(shù)據(jù)、在軌遙測數(shù)據(jù)、地面測試數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下開展全流程三維可視化、關(guān)鍵信息直觀構(gòu)建。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件平臺(tái)開發(fā)了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程以及太陽電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)GNC 敏感器和測控天線視場動(dòng)態(tài)分析功能，可加載機(jī)械臂路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)、太陽電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)及中繼天線轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，并進(jìn)行視場動(dòng)態(tài)分析。視場仿真軟件中物體的運(yùn)動(dòng)（包括地球自轉(zhuǎn)、月球公轉(zhuǎn)、太陽電池板轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、中繼天線轉(zhuǎn)動(dòng)）和攝像機(jī)拍攝角度調(diào)整等依靠外部數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。創(chuàng)建了設(shè)備視場的第一視角圖像，使用計(jì)算機(jī)圖形算法對(duì)第一視角的圖像進(jìn)行分析，給出遮擋計(jì)算結(jié)果。

2）以太陽電池陣辨識(shí)為例

太陽電池陣辨識(shí)期間，核心艙采用慣性偏航飛行姿態(tài)，太陽電池板固定伺服，機(jī)械臂爬行，并對(duì)載人飛船太陽電池陣進(jìn)行拍照辨識(shí)。對(duì)任務(wù)期間機(jī)械臂、太陽電池板對(duì)中繼天線的遮擋情況進(jìn)行分析（如圖9 所示），結(jié)果顯示：辨識(shí)期間中繼天線指向主要覆蓋大柱段方向，太陽電池板對(duì)中繼天線無遮擋；機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)位于節(jié)點(diǎn)艙方向，對(duì)天線無遮擋。任務(wù)期間在軌遙測數(shù)據(jù)顯示前向鏈路信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定無衰減，仿真結(jié)果正確。

圖9 太陽電池陣辨識(shí)期間太陽電池陣、機(jī)械臂和中繼天線的主要姿態(tài)Fig.9 Main postures of solar wings, robotic arms and relay antennas during solar wing identification

3 飛控應(yīng)用

在機(jī)械臂爬行、在軌辨識(shí)、機(jī)械臂巡檢和航天員出艙等任務(wù)前，基于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中中繼天線和敏感器的視場遮擋情況開展分析（如圖7 所示），為任務(wù)方案的制訂提供支持。

4 結(jié)束語

1）以機(jī)械臂巡檢為例

巡檢期間，核心艙為三軸對(duì)地偏航飛行姿態(tài)，太陽電池板固定伺服，機(jī)械臂爬行。對(duì)任務(wù)期間太陽電池板和機(jī)械臂對(duì)天線的遮擋情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見圖8。仿真結(jié)果顯示：機(jī)械臂巡檢期間太陽電池板對(duì)中繼天線無遮擋；機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)位于對(duì)地側(cè)，對(duì)天線無遮擋。任務(wù)期間在軌遙測數(shù)據(jù)顯示前向鏈路信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定無衰減，仿真結(jié)果正確。

采用虛擬現(xiàn)實(shí)圖像引擎技術(shù)構(gòu)建輕量化模型，可與多學(xué)科仿真系統(tǒng)聯(lián)合，具備全過程三維可視化、幾何干涉分析、天線及相機(jī)視場分析、相機(jī)第一視角仿真、航天員出艙可視化模擬等功能。

在空間站三維模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程對(duì)GNC 敏感器、測控天線視場動(dòng)態(tài)分析功能，可加載機(jī)械臂路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)和中繼天線轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，進(jìn)行視場動(dòng)態(tài)分析。相關(guān)分析功能可封裝成簡便易用的定制版桌面軟件，便于飛控應(yīng)用。在空間站在軌飛行任務(wù)中，視場動(dòng)態(tài)仿真方法已在制定機(jī)械臂爬行、巡檢任務(wù)和太陽電池陣在軌辨識(shí)飛行程序中得到應(yīng)用，驗(yàn)證了視場動(dòng)態(tài)仿真方法可以有效支撐空間站在軌飛行任務(wù)。