任 焜，李 彬，李志宇

(北京控制工程研究所，北京 100190)

“人在回路”的載人航天器控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

任 焜，李 彬，李志宇

(北京控制工程研究所，北京 100190)

針對(duì)載人航天器“人在回路”的特點(diǎn)，在評(píng)價(jià)現(xiàn)有人控交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)地面驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行歸納，提出一種載人航天器人工控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)方案.該方案在繼承以往航天器自動(dòng)控制系統(tǒng)地面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上將“人”納入控制閉環(huán)中，確保了載人航天器人工控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證真實(shí)性.最后對(duì)平臺(tái)的信息流回路、光學(xué)變換器等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述.

人工控制；交會(huì)對(duì)接；模擬座艙；視景；光學(xué)變換器

中國(guó)是世界上第3個(gè)成功發(fā)射載人航天器的國(guó)家.與非載人航天器相比，載人航天器除配備自動(dòng)控制系統(tǒng)外一般還配備了人工控制系統(tǒng)(以下稱(chēng)人控系統(tǒng))，可由人參與完成對(duì)航天器的控制，其典型應(yīng)用為人控交會(huì)對(duì)接，即航天員在航天器上對(duì)航天器的軌道和姿態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，并實(shí)施人工控制，完成兩航天器的交會(huì)對(duì)接[1].

由于人控系統(tǒng)中人處在控制閉環(huán)回路中，其地面驗(yàn)證試驗(yàn)需將人與設(shè)備共同納入控制回路，因此與自動(dòng)控制系統(tǒng)的地面測(cè)試系統(tǒng)相比需考慮更多環(huán)節(jié).以往航天器自動(dòng)控制系統(tǒng)的地面測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案研究較深入，已積累了較豐富的地面激勵(lì)源設(shè)計(jì)、信息流設(shè)計(jì)等經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案研究不多.

本文以人控交會(huì)對(duì)接為背景，提出了“人在回路”[2]的載人航天器控制系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)方法.

1 人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

1.1現(xiàn)有平臺(tái)特點(diǎn)分析

目前可用于人控交會(huì)對(duì)接的地面驗(yàn)證系統(tǒng)主要有兩種形式，分別為交會(huì)對(duì)接半物理仿真運(yùn)動(dòng)模擬器、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交會(huì)對(duì)接人機(jī)控制仿真系統(tǒng).

交會(huì)對(duì)接半物理仿真運(yùn)動(dòng)模擬器利用轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)追蹤器和目標(biāo)器的空間轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)的模擬，一般通過(guò)簡(jiǎn)化將兩航天器的12自由度運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為9自由度運(yùn)動(dòng).美國(guó)、歐洲、日本等均建立了此類(lèi)運(yùn)動(dòng)模擬器用于地面驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接技術(shù)，如圖1所示[3].該運(yùn)動(dòng)模擬器可同時(shí)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和人控系統(tǒng)的交會(huì)對(duì)接方案驗(yàn)證，但存在一定局限，主要體現(xiàn)為：

1)在試驗(yàn)距離、試驗(yàn)轉(zhuǎn)角等方面受試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備限制較大；

2)受室內(nèi)背景限制，難以提供模擬太空環(huán)境的背景.

受上述條件限制，該系統(tǒng)一般僅用于人控交會(huì)對(duì)接方案驗(yàn)證及典型工況下的交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)驗(yàn)證，難以達(dá)到工程研制階段測(cè)試覆蓋性要求.

交會(huì)對(duì)接人機(jī)控制仿真系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的人控交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示[4].它通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將交會(huì)對(duì)接場(chǎng)景進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，為操作者提供了真實(shí)的對(duì)接圖像.操作者通過(guò)控制手柄向主控機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型施加激勵(lì)，由主控機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)及航天器模擬顯示數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)生成圖像和模擬顯示參數(shù).該仿真系統(tǒng)完全基于PC機(jī)和仿真軟件開(kāi)發(fā)，缺乏對(duì)實(shí)際載人航天器信息流、敏感器的模擬，適于進(jìn)行人控交會(huì)對(duì)接技術(shù)原理性研究及初步人機(jī)功效設(shè)計(jì)研究，但與實(shí)際工程驗(yàn)證要求存在差距.

圖1 交會(huì)對(duì)接運(yùn)動(dòng)模擬器示意圖

圖2 交會(huì)對(duì)接人機(jī)控制仿真系統(tǒng)

1.2平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

為滿(mǎn)足載人航天器工程研制階段的地面驗(yàn)證需求，達(dá)到對(duì)人控系統(tǒng)性能進(jìn)行全面驗(yàn)證的目的，需按照人控系統(tǒng)特點(diǎn)研制地面試驗(yàn)平臺(tái)，滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)原則：

1)平臺(tái)應(yīng)接入航天器真實(shí)設(shè)備.作為載人航天器工程研制階段的地面驗(yàn)證平臺(tái)，其主要功能之一為驗(yàn)證真實(shí)設(shè)備在系統(tǒng)中的功能、性能是否滿(mǎn)足要求，因此需按照航天器實(shí)際狀態(tài)將真實(shí)設(shè)備接入平臺(tái)，并且要求平臺(tái)具備對(duì)單機(jī)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證的能力.

2)平臺(tái)需具備真實(shí)的人機(jī)界面.人作為人控系統(tǒng)的主體，其狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)試驗(yàn)的結(jié)果影響較大，而人的發(fā)揮與環(huán)境、自身熟練程度等因素關(guān)系密切.為保證試驗(yàn)有效性，需確保人能夠按照在軌實(shí)際狀態(tài)進(jìn)入控制回路，因此需提供一套接近真實(shí)的人機(jī)界面，排除不真實(shí)環(huán)境對(duì)人的影響.

3)平臺(tái)應(yīng)具備與航天器在軌狀態(tài)一致的信息流.為驗(yàn)證航天器設(shè)備間的匹配性能及分系統(tǒng)整體性能，需設(shè)計(jì)與航天器一致的系統(tǒng)信息流體系，保證設(shè)備間硬件接口、協(xié)議、時(shí)延等與真實(shí)航天器一致.同時(shí)，要求人、機(jī)信息鏈路，包括供人觀察使用的圖像信息和數(shù)據(jù)信息等也保持與真實(shí)在軌環(huán)境一致.

4)利用仿真運(yùn)動(dòng)代替真實(shí)物理運(yùn)動(dòng).航天器工程研制階段的工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)為技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠性及設(shè)備間匹配性等方面.為確保測(cè)試覆蓋性，要求測(cè)試平臺(tái)能夠設(shè)置人控系統(tǒng)的全部任務(wù)工況(含正常、邊界和故障工況).半物理仿真運(yùn)動(dòng)模擬器無(wú)法滿(mǎn)足上述要求，而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的仿真運(yùn)動(dòng)環(huán)境不受上述工況設(shè)置限制，能夠滿(mǎn)足測(cè)試覆蓋性要求.并且，仿真運(yùn)動(dòng)環(huán)境具有使用效率高、試驗(yàn)開(kāi)銷(xiāo)小等優(yōu)勢(shì).

2 人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

按照上述設(shè)計(jì)原則，提出圖3所示的載人航天器人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)方案.系統(tǒng)主要由3部分組成，分別為模擬座艙、視景仿真系統(tǒng)和地面綜合閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng).

模擬座艙參照載人航天器狀態(tài)設(shè)計(jì)，為實(shí)施人工控制提供接近真實(shí)載人航天器環(huán)境的人機(jī)操作界面.艙內(nèi)設(shè)置儀表面板、控制手柄等載人航天器真實(shí)設(shè)備，同時(shí)配備了模擬舷窗、模擬操作座椅及其他試驗(yàn)輔助裝置.設(shè)備間相對(duì)位置關(guān)系也與真實(shí)航天器狀態(tài)一致.

視景仿真系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)，它實(shí)時(shí)接收動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)視景仿真軟件生成模擬太空?qǐng)D像、交會(huì)對(duì)接模擬目標(biāo)圖像以及模擬地球圖像，同時(shí)根據(jù)在軌環(huán)境下各種圖像的視線角特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的光學(xué)變換器，將各種圖像通過(guò)光學(xué)變換器變換為接近真實(shí)的模擬太空?qǐng)D像，供人眼或人控系統(tǒng)專(zhuān)用設(shè)備觀察、采集.

地面綜合閉環(huán)系統(tǒng)參照星/船自動(dòng)控制系統(tǒng)的地面試驗(yàn)系統(tǒng)[5]設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包含動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算機(jī)、各種敏感器激勵(lì)源以及各種外系統(tǒng)的等效模擬器，具備完整的控制系統(tǒng)測(cè)試功能和完整的信息流體系.該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)級(jí)仿真模擬，確保對(duì)人控系統(tǒng)設(shè)備及系統(tǒng)功能的測(cè)試有效性.

試驗(yàn)時(shí)地面綜合閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)各種敏感器、模擬器及視景仿真系統(tǒng)，視景仿真系統(tǒng)生成各種模擬圖像后按相應(yīng)通道送出，并最終顯示在艙內(nèi)儀表面板，操作者根據(jù)各種模擬圖像及狀態(tài)參數(shù)判斷航天器姿態(tài)和位置，并操縱控制手柄以及儀表面板對(duì)航天器實(shí)施控制，系統(tǒng)控制器接收各種敏感器信號(hào)以及操作者的控制指令，進(jìn)行計(jì)算并輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制指令及各種狀態(tài)參數(shù).

圖3 人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)組成框圖

3 人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1基于“人”的信息體系

以往星/船自動(dòng)控制系統(tǒng)地面測(cè)試平臺(tái)對(duì)象為控制系統(tǒng)產(chǎn)品，信息鏈路設(shè)計(jì)主要針對(duì)信號(hào)接口、軟件協(xié)議等開(kāi)展，設(shè)計(jì)方法相對(duì)成熟.載人航天器人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)在繼承了上述信息鏈路設(shè)計(jì)特點(diǎn)的同時(shí)還需將“人”引入控制回路，構(gòu)建以人為中心的信息體系.系統(tǒng)具有以下難點(diǎn)：

1)人機(jī)界面復(fù)現(xiàn)程度要求高.在自動(dòng)控制系統(tǒng)地面測(cè)試中，對(duì)接地、電磁兼容、隔離等測(cè)試環(huán)境進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，不需對(duì)設(shè)備布局、安裝狀態(tài)等嚴(yán)格要求，而人控系統(tǒng)地面測(cè)試為保證人以真實(shí)狀態(tài)參與閉環(huán)控制，對(duì)人機(jī)界面提出了較高要求，對(duì)設(shè)備布局、操作方式、信號(hào)特征等均要求與真實(shí)航天器保持一致.

2)信號(hào)模擬方式要求多樣.在自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試中，信號(hào)形式主要有光、電、電磁波等.而人控系統(tǒng)除上述信號(hào)形式外，還需為人和航天器設(shè)備輸出圖像信號(hào)，真實(shí)獲得太空?qǐng)D像的難度很大，需借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)視景模擬太空?qǐng)D像的技術(shù)已日益成熟.圖4是視景仿真系統(tǒng)的組成框圖.圖中4臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)中3臺(tái)分別作為舷窗、對(duì)地觀測(cè)以及交會(huì)對(duì)接的視景圖像生成設(shè)備，剩下1臺(tái)作為3臺(tái)計(jì)算機(jī)的調(diào)度計(jì)算機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)3臺(tái)計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程軟件設(shè)置、加斷電操作及數(shù)據(jù)保存等.各計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)生成圖像并傳送至相應(yīng)的顯示通道.

圖4 視景仿真系統(tǒng)框圖

3.2光學(xué)變換器

人控系統(tǒng)交會(huì)對(duì)接觀測(cè)設(shè)備和對(duì)地觀測(cè)設(shè)備等專(zhuān)用設(shè)備的輸入信號(hào)均為可見(jiàn)光圖像，為在系統(tǒng)閉環(huán)回路中引入上述設(shè)備，模擬激勵(lì)源需滿(mǎn)足以下要求：

1)激勵(lì)源為閉環(huán)動(dòng)態(tài)圖像信號(hào)；

2)激勵(lì)源光學(xué)特性滿(mǎn)足航天器設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)要求.

光學(xué)變換器接收視景生成計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)變換為航天器設(shè)備所需的光學(xué)圖像，如圖5所示.航天器設(shè)備與光學(xué)變換器通過(guò)精確裝調(diào)安裝成一體，保證模擬器光學(xué)系統(tǒng)與航天器設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)對(duì)接.

上述光學(xué)變換器還具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)光強(qiáng)控制能力強(qiáng).太空環(huán)境由于缺少空氣、塵埃等反射作用，光強(qiáng)變化范圍巨大，因此航天器設(shè)備的背景光調(diào)節(jié)(以下稱(chēng)調(diào)光)能力是地面需進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證的項(xiàng)目.而在實(shí)物成像試驗(yàn)中，由于缺乏手段模擬極端宇宙背景光強(qiáng)變化，因此難以對(duì)設(shè)備的調(diào)光能力進(jìn)行全面驗(yàn)證.而模擬器光路與設(shè)備光路完全對(duì)接，作用距離短，背景封閉，從而容易實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入設(shè)備的光強(qiáng)的調(diào)節(jié)，到達(dá)驗(yàn)證設(shè)備調(diào)光能力的要求；

2)試驗(yàn)場(chǎng)地要求低.以交會(huì)對(duì)接成像設(shè)備為例，若采用實(shí)物成像，則要求試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)度至少上百米才可完成設(shè)備的測(cè)量范圍檢查.與實(shí)物成像相比，利用光學(xué)變換器光路將圖像變換為虛像，依靠虛擬手段控制設(shè)備的成像距離，就能使普通試驗(yàn)室環(huán)境下的動(dòng)態(tài)成像測(cè)試成為可能.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)“人在回路”的載人航天器人工控制系統(tǒng)特點(diǎn)，總結(jié)了工程研制階段人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)原則，提出了具有針對(duì)性的地面驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案在繼承以往航天器自動(dòng)控制系統(tǒng)地面試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上將“人”納入控制閉環(huán)中，確保了人控系統(tǒng)地面驗(yàn)證的真實(shí)性，能夠?qū)d人航天器人工控制系統(tǒng)的工程研制起到重要作用.

[1] 蔣自成.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的航天器手控交會(huì)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008

[2] Wigbert F.Automated rendezous and docking of spacecraft[M].Cambridge:Cambridge University，2003

[3] 張新邦,劉良棟,劉慎釗.航天器交會(huì)仿真試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)模擬器[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2009，35(2)：51-55

[4] 曲戰(zhàn)勝，王春慧.交會(huì)對(duì)接人機(jī)控制仿真系統(tǒng)的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2006，25(增刊)：403-405

[5] 屠善澄.衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)與控制[M].北京:中國(guó)宇航出版社，1998

“Man-in-the-Loop”DesignofVerificationPlatformfortheMannedSpacecraftControlSystem

REN Kun，LI Bin，LI Zhiyu

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China)

The existing test systems for manual-control rendezvous and docking technique are reviewed.Based on the characteristics of man-in-the-loop for a manned spacecraft,the design principle of ground verification system is thoroughly studied.As a result,a general design scheme is established.In this design,the essential elements of the conventional ground verification system for spacecraft autocontrol systems are kept,and man is included in the control loop as well.Finally key techniques such as man-based data link,optical converter and so on are described.

manual-control；rendezvous and docking；simulation cabin；virtual vision；optical converter

2010-06-12

任焜(1978—)，男，貴州人，工程師，研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)(e-mail:rengreat@sina.com).

V448

A

1674-1579(2010)04-0050-04