胡海霞，湯 亮，石 恒，董文強

(1.北京控制工程研究所，北京100190; 2.空間智能控制技術(shù)重點實驗室，北京100190)

專家約稿

航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

胡海霞1，2，湯 亮1，2，石 恒1，2，董文強1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190; 2.空間智能控制技術(shù)重點實驗室，北京100190)

總結(jié)航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)現(xiàn)狀，給出控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真所需具備的4個能力:復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模、多學(xué)科協(xié)同仿真、高性能計算和數(shù)學(xué)仿真平臺.對這四個方面未來的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望.

航天器;數(shù)學(xué)仿真;GNC系統(tǒng);發(fā)展研究

0 引言

航天器最顯著的特點是:復(fù)雜、昂貴、環(huán)境嚴(yán)酷，要求極高的成功率，任何疏忽都會產(chǎn)生不可挽回的嚴(yán)重后果.仿真試驗在航天器研制中的重要地位不言而喻，貫穿航天器論證、設(shè)計、研制和在軌運行的全壽命周期各個階段.正是仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，降低了研制成本，提高了航天器發(fā)射與運行的可靠性，加快了航天技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程［1］.

制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)作為航天器的核心分系統(tǒng)，是決定航天器任務(wù)成敗的關(guān)鍵之一.數(shù)學(xué)仿真技術(shù)在完成航天器GNC系統(tǒng)設(shè)計重任中發(fā)揮著不可或缺的作用，檢驗方案設(shè)計和控制算法是否滿足用戶提出的功能和技術(shù)指標(biāo)要求，以及在反復(fù)迭代和優(yōu)化過程中最終確定姿態(tài)軌道控制算法均離不開數(shù)學(xué)仿真技術(shù).

數(shù)學(xué)仿真技術(shù)水平主要體現(xiàn)在4個方面:a)復(fù)雜系統(tǒng)建模的能力:重點包括多體系統(tǒng)動力學(xué)建模和仿真方法、航天器擾動動力學(xué)建模及仿真、復(fù)雜撓性附件耦合建模及仿真等;b)多學(xué)科協(xié)同仿真的能力:航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真應(yīng)當(dāng)盡量完整地反映航天器不同層次、不同部件的多學(xué)科特性，在提高各子系統(tǒng)模型精度的基礎(chǔ)上，考慮系統(tǒng)非線性和時變特性的影響，最終實現(xiàn)各子系統(tǒng)間耦合的準(zhǔn)確、高效仿真.如液體晃動的姿態(tài)控制閉環(huán)仿真、光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)集成建模仿真與綜合評估等;c)高性能計算能力:通過計算機集群等硬件環(huán)境和并行算法相關(guān)軟件完成復(fù)雜控制系統(tǒng)的快速仿真，將仿真任務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)分配至多個任務(wù)節(jié)點，計算能力和效率的大幅提高;d)仿真平臺的能力:具備模型管理、方案設(shè)計、仿真程序自動生成、仿真報告自動生成的能力，可以實現(xiàn)對復(fù)雜控制系統(tǒng)任務(wù)的快速仿真驗證.

1 航天器控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

隨著空間系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的仿真系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，仿真技術(shù)正在受到越來越多的重視.

一方面，MATLAB、SCT(spacecraft control toolbox)、STK(satellite toolkit)等通用仿真計算工具不斷拓展，廣泛應(yīng)用于航天器研制過程的理論分析和工程實施中.另一方面，美、俄、歐洲等的宇航部門和企業(yè)投入了大量資源用于航天器系統(tǒng)仿真技術(shù)方面的基礎(chǔ)性研究，所建立的仿真系統(tǒng)在航天器GNC系統(tǒng)研制的各個階段發(fā)揮著重要作用.美國NASA A-mes研究中心開發(fā)了為支持多任務(wù)平臺而設(shè)計的集成仿真工具M(jìn)SF［2］，用戶可以根據(jù)自己任務(wù)需求選擇適合的組件.MSF的特點包括:(1)提供不同水平自主性和可靠性的研發(fā)框架;(2)易于集成仿真中的自主模型和工具;(3)易于擴展到多個機器人平臺及環(huán)境;(4)允許真實硬件與仿真組件互換;(5)采用了HLA(high level architecture)技術(shù)，支持分布式仿真［3］.

XMM-Newton任務(wù)是歐空局下一代科學(xué)研究項目的基石［4］.XMM任務(wù)的復(fù)雜性及其任務(wù)需求意味著所有接口與組件系統(tǒng)在集成前必須進(jìn)行測試，不但要保證航天器平臺正常工作，而且需要盡量增加有效的載荷觀測時間.XMM仿真系統(tǒng)GNC仿真特點:(1)為不同觀測場景生成真實的仿真數(shù)據(jù); (2)通過不同載荷和組件的全物理描述完成仿真數(shù)據(jù)生成;(3)可以基于載荷成像的仿真分析，規(guī)劃、監(jiān)視和評估各分系統(tǒng)精度;(4)具備全部圖形用戶仿真界面.

伽利略系統(tǒng)仿真程序GSSF能再現(xiàn)伽利略航天器導(dǎo)航系統(tǒng)的功能和性能運轉(zhuǎn)狀態(tài)，支持伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)的定義、集成、確認(rèn)、驗證及運行的完整階段［5］.GSSF的仿真特點包括:(1)姿軌控與導(dǎo)航服務(wù)耦合仿真、聯(lián)合分析;(2)地面段控制策略-空間段自主運行策略-環(huán)境模型聯(lián)合仿真;(3)兼顧考慮星座全周期構(gòu)型設(shè)計、在軌運行維護(hù)的需求;(4)強大的導(dǎo)航數(shù)據(jù)模擬生成功能;(5)提供豐富的仿真和可視化接口.

針對編隊飛行，姿軌控耦合系統(tǒng)的控制存在的困難.NASA噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)開發(fā)了FAST平臺［6］以提供高可靠的工程仿真，其特點包括:(1)仿真系統(tǒng)可升級、可適應(yīng)、可配置，以匹配飛行器隊形組成的快速改變與演化，滿足不同可靠性要求; (2)可以專門研究編隊飛行航天器的同步、數(shù)據(jù)融合、星間通信、星間感知、編隊構(gòu)型魯棒性等問題; (3)具備多航天器并行仿真能力;(4)可以設(shè)計驗證多航天器端到端的運行狀況與編隊飛行精度.

EuroSim是荷蘭航天機構(gòu)研發(fā)的可配置仿真工具［7］，通過人在回路或者硬件在回路中的實時仿真，在可行性、工程化、樣機、轉(zhuǎn)移測試以及操作培訓(xùn)的每個階段都能發(fā)揮作用，具有以下特點:(1)軟件移植性和替換性強，可實現(xiàn)代碼實時、并行化運行; (2)具有客戶/服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu);(3)支持動態(tài)實時規(guī)劃仿真資源;(4)軟硬件接口豐富，也可以方便實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)仿真;(5)在UNIX和Wintel平臺上都能運行.

總結(jié)多個國外實際案例，可以看出，當(dāng)前國外的數(shù)學(xué)仿真工具普遍具有跨平臺/跨語言支持、多學(xué)科協(xié)同、跨流程覆蓋、分布式/并行計算、實時/交互計算、代碼自動生成、虛擬現(xiàn)實演示以及圖形化建模等技術(shù)特點，如表1所示.

表1 國外航天器GNC領(lǐng)域典型仿真工具的特點Tab.1 Recent spacecraft GNC simulation systems and their featuring techniques

綜上所述，近年來航天技術(shù)應(yīng)用需求迅速擴展，航天器及其控制系統(tǒng)的狀態(tài)越來越復(fù)雜，仿真試驗的范圍和深度迅速提升，航天器控制系統(tǒng)仿真試驗方法也同時取得了長足進(jìn)步.未來的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在:1)在完善仿真模型的基礎(chǔ)上，滿足多工況、大規(guī)模、多學(xué)科、跨流程仿真分析的需要;2)基于富有彈性的綜合仿真系統(tǒng)框架，建立圍繞控制系統(tǒng)設(shè)計的集成仿真和綜合評估環(huán)境;3)應(yīng)用高性能計算、協(xié)同互操作和動態(tài)化調(diào)度等技術(shù)，支持分布式、跨平臺協(xié)同設(shè)計、仿真和試驗驗證;4)按照規(guī)范化研制流程和現(xiàn)代工程管理方法，建立通用化數(shù)學(xué)仿真平臺，提升仿真技術(shù)集成以及質(zhì)量控制能力.

2 復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模技術(shù)

模型是實際系統(tǒng)與仿真試驗之間的紐帶，隨著對仿真精度和全面性要求的提高，準(zhǔn)確、合理、規(guī)范的建模已成為仿真工作的基礎(chǔ)和必然要求.現(xiàn)代航天器規(guī)模正變得龐大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，往往帶有多個大型柔性附件、運動部件，同時具有多級控制和變結(jié)構(gòu)的特征.其動力學(xué)特性的復(fù)雜性和高精高穩(wěn)、超靜平臺的要求是早期簡單的航天器無法比擬的.在這樣的背景下，采用精細(xì)化模型的控制系統(tǒng)仿真是較為突出的需求之一.另外，通過有效的建模工作，采取適當(dāng)?shù)哪Ｐ妥兞?，有助于在提高仿真精度、保證數(shù)值穩(wěn)定和提高計算效率之間取得平衡.

2.1 多體系統(tǒng)動力學(xué)建模

為了更為真實地模擬機構(gòu)的實際工作狀態(tài)，在多剛體系統(tǒng)建模理論已經(jīng)成熟的情況下，剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動力學(xué)建模成為了多體動力學(xué)建模的重點，主要研究柔性體的變形與其大范圍空間運動之間的相互作用或相互耦合，以及這種耦合所導(dǎo)致的動力學(xué)效應(yīng).

迅速而正確地建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，尤其是建立便于計算機進(jìn)行數(shù)值求解的通用性較強的動力學(xué)方程非常重要.多體系統(tǒng)動力學(xué)建模大致分為分析方法和矢量力學(xué)方法［8］，目前已形成了Kane方程、變分方法、旋盤矩陣方法及單向遞推組集方法等多種方法.上述方法成為廣泛應(yīng)用的航天器建模理論的同時，還促使人們更加重視對高效建模方法的研究.提高建模效率的方法包括［9］:(1)選取高效的描述變量;(2)計算量與系統(tǒng)自由度數(shù)成正比的建模方法，即O(n)算法;(3)基于計算機自動的組集系統(tǒng)動力學(xué)方程方法(ADAMS正是自動組集方程的代表);(4)符號推導(dǎo)方法.

數(shù)值計算是建立和分析多體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的有效途徑.目前，流行的以多體動力學(xué)為主要算法的CAE軟件有ADAMS、SIMPACK和RecurDyn等.根據(jù)自身任務(wù)需求特點，國外航空航天機構(gòu)也開發(fā)了專用的動力學(xué)軟件，主要的動力學(xué)軟件信息匯總?cè)绫?［9］.

表2 國外主要機構(gòu)多體系統(tǒng)動力學(xué)軟件Tab.2 Multibody dynamics software developed bymain foreign research institutes

2.2 航天器擾動動力學(xué)建模

為了實現(xiàn)復(fù)雜航天器甚高精度姿態(tài)控制指標(biāo)，航天器擾動動力學(xué)建模非常重要.國外對星上微振動擾動已進(jìn)行了深入的研究，“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)在軌擾動引起的顫振響應(yīng)頻率范圍包括0～10 Hz的低頻顫振和10～500 Hz的高頻顫振［10］;日本的ALOS衛(wèi)星專門安裝了ADS和加速度計用于在軌測量高頻抖動，實現(xiàn)了10－6度量級抖動角度的在軌測量［11］.通過微振動在軌實驗和大量地面實驗，高精度航天器典型微振動擾動歸納如表3所示［12］.

表3 高精度航天器典型微振動擾動列表Tab.3 Typical micro vibration sources of high precision spacecraft

通過分析星上微振動擾動源，擾動建模具有以下特點:

(1)擾動模型要準(zhǔn)確描述擾動的實際情況，確保系統(tǒng)性能評估和設(shè)計正確.

(2)擾動描述的三要素:頻率范圍確定結(jié)構(gòu)可能激振的模態(tài)以及控制系統(tǒng)的帶寬;幅值級別確定進(jìn)入結(jié)構(gòu)的能量多少;位置和方向確定頻率范圍內(nèi)可激勵的模態(tài)區(qū)域.

(3)擾動包括確定性擾動和隨機擾動兩種類型.伺服機構(gòu)可產(chǎn)生確定性擾動.而由于機電系統(tǒng)的噪聲會產(chǎn)生隨機分量，從而產(chǎn)生隨機擾動.

(4)大部分外擾動會造成內(nèi)擾動，而且外擾動通常表現(xiàn)為力矩形式.姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)在抵消這些外部擾動時，也會產(chǎn)生附加的不期望的力和力矩，通常在高頻段.

(5)外擾動產(chǎn)生的內(nèi)擾動完整模型很難建立，如忽略外擾動，則需根據(jù)實驗數(shù)據(jù)假設(shè)內(nèi)擾動典型時間歷程.如果擾動本質(zhì)上是隨機的，則可考慮采用隨機過程理論來建模和分析這類干擾.

帆板驅(qū)動、帆板振動、天線驅(qū)動、熱-結(jié)構(gòu)耦合等因素對航天器姿態(tài)運動具有不可忽略的影響，而且此類問題具有普遍性.從哈勃望遠(yuǎn)鏡、UARS衛(wèi)星等相關(guān)研究經(jīng)驗來看［13］，以太陽帆板為代表的復(fù)雜撓性附件耦合動力學(xué)仿真面臨的難點包括:剛?cè)狁詈?、?結(jié)構(gòu)耦合和機電耦合動力學(xué)及分析.該類問題可以歸結(jié)為多物理場耦合作用下的復(fù)雜多體動力學(xué)系統(tǒng)的同步求解問題.問題的解決需要通過數(shù)學(xué)建模來刻畫復(fù)雜系統(tǒng)在“剛體運動-柔性振動-機電驅(qū)動-熱環(huán)境”的耦合關(guān)系，并對其數(shù)值求解以模擬其動力學(xué)行為，為航天器控制系統(tǒng)分析和設(shè)計提供參考.

目前很多商業(yè)軟件都能夠提供附件在多物理場耦合作用下的動力學(xué)建模和仿真解決方案，且各有優(yōu)勢，如:ADMAS應(yīng)用成熟、市場份額最大，Recur-Dyn求解速度最快，COMSOL在多物理場耦合具有優(yōu)勢，SAMCEF Mecano可以同時考慮非線性有限元、接觸、摩擦、熱、機構(gòu)運動和控制等因素，實現(xiàn)非線性剛?cè)狁詈戏治?，如圖1所示［14］.如果清楚了解多物理場耦合動力學(xué)模型，并且掌握有效的解算方法，也可以自行開發(fā)適合特殊需求的仿真環(huán)境.

3 多學(xué)科協(xié)同仿真技術(shù)

上世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外相繼推出多種支持復(fù)雜航天器動力學(xué)分析的軟件系統(tǒng)，如NASTRAN、DYTRAN、DISCOS和ADAMS等，開展了專門的多學(xué)科仿真分析.步入90年代以后，出現(xiàn)了在航天器動力學(xué)分析中分別建立不同部件、不同學(xué)科模型，通過模型間的集成，構(gòu)建復(fù)雜航天器多學(xué)科仿真平臺的仿真方法.其中，以“液體-撓性-控制”和“光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)”兩大類多學(xué)科集成仿真需求最為突出.

圖1 SAMCEF Mecano分析太陽帆板展開熱-結(jié)構(gòu)耦合Fig.1 Application of SAMCEF Mecano to solar panel deployment thermal-structural analysis

3.1 液體晃動建模及其與姿態(tài)控制集成仿真

對于同時具有超穩(wěn)定和敏捷機動兩方面要求的航天器平臺來說，考慮微重力條件下液體晃動的航天器閉環(huán)姿態(tài)仿真已成為高性能航天器的必要需求［15］.如有些低軌敏捷航天器要求機動過程中成像，需要采用計算流體力學(xué)方法將液體推進(jìn)劑劃分為大量網(wǎng)格進(jìn)行離散求解，或采用有限點集方法進(jìn)行計算，同時完成計算流體力學(xué)軟件與姿態(tài)控制系統(tǒng)的聯(lián)合閉環(huán)仿真，旨在獲取航天器在軌動力學(xué)特性和驗證控制性能.

具體實施從提高液體晃動動力學(xué)建模的認(rèn)識水平和精度開始，進(jìn)而在控制系統(tǒng)仿真件設(shè)計層面進(jìn)行控制器調(diào)整，詳細(xì)分析液體晃動對執(zhí)行機構(gòu)控制能力、視線指向和穩(wěn)定性的影響，同時在整星系統(tǒng)層面分析貯箱技術(shù)、安裝位置和執(zhí)行機構(gòu)種類的選型設(shè)計.如圖2所示，模型耦合仿真在聯(lián)合仿真框架下進(jìn)行［15］，目標(biāo)是實現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真和流體力學(xué)(FD)間的耦合仿真.這種數(shù)值耦合仿真對于新工況的控制器設(shè)計驗證十分有用.控制系統(tǒng)和液體力學(xué)之間的是耦合仿真經(jīng)常采用文件交換的實施方式，這樣做的好處是可以將整個計算系統(tǒng)分成兩個相對獨立的部分.兩者之間的通信數(shù)據(jù)率是預(yù)設(shè)的，而內(nèi)部的應(yīng)用具有較高的計算頻率.

圖2 控制系統(tǒng)與流體力學(xué)的聯(lián)合仿真Fig.2 Integrated simulation of spacecraft control system with fluid dynamics

3.2 光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)集成建模與綜合評估

年青的姑娘們，她們?nèi)齼沙呻p，坐著馬車，去選擇衣料去了，因為就要換春裝了。她們熱心地弄著剪刀，打著衣樣，想裝成自己心中想得出的那么好，她們白天黑夜地忙著，不久春裝換起來了，只是不見載著翠姨的馬車來。

大型高精度遙感航天器、航天器超靜平臺的設(shè)計任務(wù)需要對數(shù)百萬自由度的整星級有限元模型進(jìn)行寬頻結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，以確定星上微振動源引起的圖像質(zhì)量下降情況.以往的姿態(tài)控制性能指標(biāo)主要包括控制精度、穩(wěn)定度等，但空間相機所關(guān)心的指標(biāo)，如抖動引起的調(diào)制傳遞函數(shù)下降量、曝光時間內(nèi)的像移量等很難與控制精度、穩(wěn)定度等指標(biāo)建立起直接的聯(lián)系.從保證圖像質(zhì)量出發(fā)，應(yīng)以光學(xué)相機關(guān)心的性能指標(biāo)作為最終評價標(biāo)準(zhǔn)，從星上活動部件到圖像的傳遞鏈路分析，涉及到航天器整個系統(tǒng)設(shè)計分析及驗證的全過程.

光機系統(tǒng)集成分析方法就是在這種背景下提出的.它是基于光機系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析和自動控制系統(tǒng)設(shè)計三大基本模塊的常用軟件，建立各自相對獨立的模型，由計算機程序?qū)⑷哂袡C地聯(lián)系起來，構(gòu)成一個擾動-光學(xué)-控制-結(jié)構(gòu)(dynamics optics controls structures，DOCS)集成模型，用以對各模塊之間的相互作用及接口進(jìn)行校驗、工作性能分析和優(yōu)化設(shè)計.

3.2.1 國外應(yīng)用實例

NASA“起源計劃”中，由于Nexus、SIM、JWST和TPF等航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且光學(xué)分辨率要求很高，NASA委托麻省理工學(xué)院(MIT)為此建立了一套DOCS綜合建模和綜合評估分析軟件［16］.該軟件完全用MATLAB開發(fā)，實質(zhì)上是MATLAB的一個工具箱(Toolbox).為了相似的目的，噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)開發(fā)了光學(xué)系統(tǒng)綜合建模工具箱 IMOS(integrated modeling of optical systems)，并已用于 SIM建模［17］.近年來，綜合建模技術(shù)還廣泛應(yīng)用于地面高分辨率望遠(yuǎn)鏡建模分析，如ESA的30 m望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)TMT(thirty meter telescope)和超大望遠(yuǎn)鏡干涉儀VLTI(very large telescope interferometer).

MIT的SSL開發(fā)的DOCS基本流程為［16］:

(1)建立并集成各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光學(xué)、擾動和控制模型，根據(jù)模型調(diào)整控制系統(tǒng)設(shè)計;

(2)進(jìn)行綜合模型預(yù)處理和擾動分析，得到標(biāo)稱的系統(tǒng)性能指標(biāo);

(3)進(jìn)行標(biāo)稱性能指標(biāo)參數(shù)化，得到描述這些性能指標(biāo)的函數(shù)模型;

(4)根據(jù)性能指標(biāo)函數(shù)模型進(jìn)行不確定性分析、性能分析、敏感度分析和參數(shù)優(yōu)化分析等.

通過以上步驟，建立整個系統(tǒng)的動力學(xué)模型，進(jìn)行性能綜合分析和相應(yīng)設(shè)計改進(jìn)，實現(xiàn)整體系統(tǒng)性能最優(yōu).DOCS方法應(yīng)用到JWST性能分析和設(shè)計，具體方法參見文獻(xiàn)［10］和［16］.

3.2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

在遙感航天器性能評估技術(shù)研究方面，國內(nèi)的主要差距在于缺乏系統(tǒng)級的全面綜合分析評估和設(shè)計手段.近年來，在相關(guān)技術(shù)突破和任務(wù)牽引下，情況有所改觀.

2002年底，北京空間機電研究所與北京理工大學(xué)合作開發(fā)了“航天光學(xué)遙感器仿真系統(tǒng)”，該軟件逐漸發(fā)展成為“空間光學(xué)遙感器集成分析設(shè)計工程化軟件”(SORSA).SORSA提供一個基于統(tǒng)一平臺的光-機-熱集成仿真環(huán)境，實現(xiàn)遙感器設(shè)計與分析過程的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化管理，打通各個設(shè)計階段的不同專業(yè)間的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同研制，SORSA涵蓋的各種核心技術(shù)已在“資源一號”紅外相機、“環(huán)境一號”CCD相機等型號中得到驗證和較為廣泛深入的應(yīng)用［17］.

北京控制工程研究所針對任務(wù)需求開發(fā)了擾振源-結(jié)構(gòu)-控制-光學(xué)一體化分析軟件.該軟件集成了擾振源模型、結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型、控制系統(tǒng)模型以及光學(xué)系統(tǒng)模型，能夠通過閉環(huán)仿真分析得出相機的視線抖動量，實現(xiàn)了擾振源、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和時域分析等的預(yù)處理、數(shù)據(jù)讀取和仿真參數(shù)設(shè)定等功能.

4 高性能計算

4.1 高性能仿真任務(wù)需求

伴隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，不同于傳統(tǒng)的采用低階模型進(jìn)行的姿態(tài)動力學(xué)與控制仿真，目前出現(xiàn)了需要將計算流體力學(xué)、柔性多體動力學(xué)、有限元分析、實時圖像處理等大規(guī)模計算和數(shù)值計算商業(yè)軟件引入控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真，對仿真計算速度提出了很高要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1)考慮液體晃動的航天器閉環(huán)姿態(tài)仿真.傳統(tǒng)姿態(tài)控制系統(tǒng)仿真中采用的低階航天器液體晃動等效力學(xué)模型無法滿足在微重力條件下高性能航天器的仿真需求，如要求機動過程中成像，需要采用計算流體力學(xué)方法將液體推進(jìn)劑劃分為大量網(wǎng)格進(jìn)行離散求解或采用有限點集方法進(jìn)行計算，同時完成與姿態(tài)控制系統(tǒng)的聯(lián)合閉環(huán)仿真，獲取航天器在軌動力學(xué)特性和驗證控制性能.如 FPM(finite particle method)等計算流體力學(xué)軟件嵌入控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真.

2)航天器超靜平臺分析驗證.航天器超靜平臺設(shè)計任務(wù)需要對數(shù)百萬自由度的整星級有限元模型進(jìn)行寬頻結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，以確定星上微振動源引起的圖像質(zhì)量下降情況，其中需要完成大規(guī)模結(jié)構(gòu)特征值求解運算、控制-結(jié)構(gòu)-光學(xué)一體化聯(lián)合仿真分析等.

3)大型展開附件的動力學(xué)與控制仿真.未來高性能航天器的有效載荷包含超大口徑可展開天線、空間桁架結(jié)構(gòu)等大柔性附件，控制穩(wěn)定度要求高，控制系統(tǒng)方案設(shè)計時需要進(jìn)行柔性多體動力學(xué)與控制的聯(lián)合仿真，以確定展開過程、正常模式的控制性能.

4)三維仿真驗證.未來空間操作機器人控制系統(tǒng)方案的設(shè)計中需要進(jìn)行多目視覺、多臂協(xié)同的動力學(xué)與控制仿真，其中包含了大量的圖像處理和特征識別、聯(lián)合體動力學(xué)仿真、防碰撞軌跡規(guī)劃等，需要三維數(shù)字化的仿真結(jié)果輸出.

4.2 高性能計算仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1)體系架構(gòu).作為高性能計算硬件設(shè)施的核心，現(xiàn)代高性能計算機的發(fā)展從20世紀(jì)70年代的向量計算機開始，先后出現(xiàn)過MPP大規(guī)模并行處理機、Cluster集群系統(tǒng)等多種主體的體系架構(gòu).其中，計算機集群(簡稱集群、Cluster)是一種計算機系統(tǒng)，它通過一組松散的計算機軟件和/或硬件連接起來高度緊密地協(xié)作完成計算工作.集群系統(tǒng)中的單個計算機通常稱為節(jié)點，通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接.高性能計算集群采用將計算任務(wù)分配到集群的不同計算節(jié)點而提高計算能力.相比于MPP等一些專有高性能計算系統(tǒng)，集群系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，包括:集群的標(biāo)準(zhǔn)化程度高、可擴展性好、性價比高.

2)處理器及操作系統(tǒng).處理器是高性能計算機的核心，很大程度上決定了高性能計算機的計算性能.隨著 GPU、Intel MIC等加速器/協(xié)處理器的出現(xiàn)，CPU不再是高性能計算領(lǐng)域計算單元的唯一選擇.相比于CPU，這些協(xié)處理器的浮點運算能力更強、任務(wù)處理模式更簡單，非常適合部分高性能計算應(yīng)用.隨著開放標(biāo)準(zhǔn)的集群架構(gòu)逐漸興起，Linux操作系統(tǒng)被逐漸成為高性能計算機的主流.Linux的操作系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠、高效率、多用戶、開源等特征，尤其它的多用戶特征，非常適合高性能計算機的使用模式.Linux操作系統(tǒng)已占到高性能計算90%以上的市場份額.

3)并行計算.為使仿真系統(tǒng)能夠最大限度的支持并行化運算，需要利用并行化編程的思想，建立支持并行計算的仿真模型及仿真程序.從進(jìn)程或線程的交互方式角度劃分，并行編程模型主要有共享內(nèi)存編程模型(share memory)和消息傳遞編程模型(message passing).共享內(nèi)存編程模型一般應(yīng)用在共享內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)上，用于節(jié)點內(nèi)部并行計算;消息傳遞編程模型主要應(yīng)用在分布式內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)下，用于多節(jié)點間的并行計算.當(dāng)前高性能集群都是多層次結(jié)構(gòu)，使得集群系統(tǒng)同時具備了共享內(nèi)存和分布式共享內(nèi)存兩種體系結(jié)構(gòu)的特點.因此，目前進(jìn)行并行化編程建模時多采用融合了兩種架構(gòu)體系的MPI+OpenMP的混合編程模型.

5 數(shù)學(xué)仿真平臺

航天器GNC系統(tǒng)仿真需求的不斷的發(fā)展，一方面需要針對復(fù)雜航天器建立更加精確、可靠的動力學(xué)模型與控制算法，另一方面也對航天器數(shù)學(xué)仿真平臺提出了新的挑戰(zhàn).國際上目前流行基于仿真模型的設(shè)計理念，采用代碼自動生成技術(shù)，從而建立可以快速、準(zhǔn)確進(jìn)行仿真驗證的通用平臺，為航天器設(shè)計提供強有力的支持.

本文給出歐洲航天局(ESA)的SMP2仿真系統(tǒng)和中國航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)AOCS的研制情況.他們均以仿真模型規(guī)范化和仿真接口標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，采用了系統(tǒng)仿真軟件自動生成技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)學(xué)仿真軟件的自動化，改變了原有的仿真軟件人工編程的模式，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用目的和不同用戶需求，實現(xiàn)仿真的重新配置和快速組合.

5.1 SMP2仿真系統(tǒng)

2004年，ESA建立了仿真模型可移植性標(biāo)準(zhǔn)(simulation model portability standards 2.0，SMP2)，現(xiàn)已成為 ESA的仿真模型建設(shè)規(guī)范，很多仿真平臺例如 EuroSim、SimSat、Rose等都已經(jīng)支持 SMP2標(biāo)準(zhǔn)［18］.

SMP2仿真系統(tǒng)開發(fā)分為4個階段:設(shè)計、開發(fā)、集成與運行.設(shè)計階段基于對研究系統(tǒng)的分析設(shè)計出相應(yīng)的SMP2模型設(shè)計文檔(Catalogue);開發(fā)階段在由Catalogue生成的框架代碼的基礎(chǔ)上，填充相應(yīng)的算法;集成階段基于裝配文件(Assembly)和調(diào)度文件(Schedule)實現(xiàn)模型實例的生成和集成;運行階段將生成代碼編譯成 DLL文件，與 Assembly、Schedule等一起由仿真器調(diào)度運行，SMP2仿真系統(tǒng)開發(fā)流程如圖3所示.

圖3 SMP2仿真系統(tǒng)開發(fā)過程Fig.3 Procedure of SMP2 simulation system

5.2 AOCS數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)

復(fù)雜多體航天器的任務(wù)需求越來越多，難度越來越大.為了提高仿真基礎(chǔ)能力，北京控制工程研究所充分利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，經(jīng)過多年的努力研制出具有通用性、使用方便、高效的航天器姿態(tài)軌道控制數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)AOCS.

該系統(tǒng)在仿真模型規(guī)范化和仿真接口標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，突破了系統(tǒng)仿真軟件自動生成技術(shù)，具有可視化組態(tài)建模、系統(tǒng)仿真軟件自動生成、仿真結(jié)果三維可視化演示等功能，模型和接口標(biāo)準(zhǔn)化，顯著提高了航天器控制系統(tǒng)工程設(shè)計與仿真驗證的基礎(chǔ)能力.

AOCS仿真系統(tǒng)包括服務(wù)器和客戶端，服務(wù)器上運行航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)仿真模型庫、仿真模型描述文件編輯器;客戶端上運行航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)建模平臺.AOCS仿真系統(tǒng)的主要功能是利用規(guī)范化的地面仿真模型，在客戶端通過可視化的建模方式對航天器的系統(tǒng)組成進(jìn)行配置，配置完成后仿真系統(tǒng)自動匹配各模型的輸入輸出關(guān)系，快速建立仿真框架自動生成VC仿真程序源代碼.

客戶端的仿真程序開發(fā)環(huán)境如圖4所示，當(dāng)用戶在視圖中進(jìn)行操作時，如選中視圖中的根目錄或者視圖中點擊鼠標(biāo)，將模型從模型庫窗口拖放到主視圖中，軟件獲取被拖放模型的服務(wù)器路徑，將模型的描述文件下載到本地臨時目錄，然后解析模型描述文件，創(chuàng)建一個列表的項目表示模型的一個新實例.

圖4 航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)仿真建模平臺示意圖Fig.4 The spacecraft attitude＆orbit control system simulation platform(AOCS)

該系統(tǒng)不但實現(xiàn)了現(xiàn)有航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)仿真模型的規(guī)范化和統(tǒng)一管理，確保仿真模型的正確無誤、質(zhì)量可靠，而且實現(xiàn)了數(shù)學(xué)仿真過程的規(guī)范化、數(shù)學(xué)仿真技術(shù)狀態(tài)受控可追溯和數(shù)學(xué)仿真輸出結(jié)果的規(guī)范化，提高了航天器研制的產(chǎn)業(yè)化程度，使航天器姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)方案設(shè)計和數(shù)學(xué)仿真驗證能力跨上了一個新臺階.

6 結(jié)論

隨著空間任務(wù)需求的不斷變化和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，航天器技術(shù)經(jīng)歷了從試驗到應(yīng)用、從結(jié)構(gòu)簡單到結(jié)構(gòu)復(fù)雜、從任務(wù)單一到任務(wù)多樣的發(fā)展過程，對平臺的控制精度、敏捷性、自主能力、強適應(yīng)性、性價比等提出了更高的要求.航天器控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真技術(shù)作為系統(tǒng)方案驗證的重要手段在過去十多年里有了長足的發(fā)展，但是為了滿足空間任務(wù)仿真驗證更高的需求，我們必須加快航天器數(shù)學(xué)仿真技術(shù)的研究步伐.需要從提高仿真模型的精細(xì)度、保真度、規(guī)范化等多個方面來推動高精度數(shù)學(xué)仿真模型的建立和完善，圍繞仿真建模和多學(xué)科協(xié)同仿真，以高性能計算技術(shù)為提升手段，打造數(shù)字化仿真平臺，提高航天器GNC系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真的基礎(chǔ)能力，更好地為航天器研制任務(wù)服務(wù).

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Research and Development of Numerical Simulation Techniques for Spacecraft GNC System

HU Haixia1，2，TANG Liang1，2，SHI Heng1，2，DONG Wenqiang1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

A survey on the research and development state of numerical simulation techniques for spacecraft GNC system is presented.Four essential abilities of numerical simulation are proposed:complex simulation system modeling，multi-discipline simulation，high performance computing and simulation platform.Future prospects on the numerical simulation techniques are highlighted based on the four aspects.

spacecraft;numerical simulation;guidance navigation and control;development

V448

A

1674-1579(2016)03-0001-08

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.03.001

胡海霞(1977—)，女，研究員，研究方向為航天器控制與仿真;湯 亮(1976—)，男，研究員，研究方向為航天器動力學(xué)與控制;石 恒(1985—)，男，工程師，研究方向為航天器控制與仿真;董文強(1982—)，男，高工，研究方向為航天器控制與仿真.

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2013CB733100).

2015-05-03