張?zhí)煜?，李皖玲，?釗

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094）

1 引言

艙內(nèi)照明系統(tǒng)是空間站一個(gè)重要的子系統(tǒng)，良好的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)可提高“人-機(jī)-環(huán)”適應(yīng)性，對空間站工程具有重要意義［1］。白光LED照明技術(shù)以其高效率、高可靠性用于對能耗和可靠性要求高的航天器照明系統(tǒng)（包括艙內(nèi)照明系統(tǒng)）［1-2］。

目前國際空間站因設(shè)計(jì)建造時(shí)間早，采用以熒光燈為主的照明系統(tǒng)，我國目前中短期載人航天器，已經(jīng)使用了LED照明系統(tǒng)［2-3］。然而，LED照明技術(shù)作為空間站艙內(nèi)照明還存在一些急需解決的問題。其中較為突出的是，現(xiàn)階段以LED技術(shù)為基礎(chǔ)的航天照明系統(tǒng)主要以解決航天任務(wù)的基本工作照明需求為目的，并未從航天員長期在軌的生理和心理特征角度解決其人性化和個(gè)性化需求。航天員在空間站長期生活和工作，首先面臨微重力和晝夜循環(huán)周期的改變，其次還有居住空間狹小、強(qiáng)制工作負(fù)荷、經(jīng)常無獨(dú)處空間、脫離家人和朋友等問題，這在生理和心理方面都給航天員帶來了巨大的挑戰(zhàn)［4］，也是載人航天長期駐留需要解決的問題?，F(xiàn)階段以任務(wù)功能為主的航天照明系統(tǒng)一般獨(dú)立于飛行器的信息與控制系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和調(diào)光，僅支持航天員手動(dòng)開關(guān)和控制［3］，給航天員長期在軌工作增加了負(fù)擔(dān)。并且這種照明系統(tǒng)不具備光色場景變化的功能，無法營造可變的、溫馨舒適的氛圍以降低和解決航天員在軌生理和心理問題。

鑒于此，本文對航天器通用照明任務(wù)需求和航天員長期在軌的情景照明需求進(jìn)行分析對比，設(shè)計(jì)一種基于LED的情景照明系統(tǒng)方案，并構(gòu)建出原型系統(tǒng)進(jìn)行初步驗(yàn)證。

2 大型載人航天器照明需求

2.1 通用照明任務(wù)要求

參考國際空間站的要求［5-6］，空間站太空艙的照明必須滿足所有太空活動(dòng)包括人員和攝像機(jī)等的觀察條件。這些條件主要包括粗視覺要求（大目標(biāo)發(fā)現(xiàn)）到精細(xì)作業(yè)（醫(yī)療和維修）、區(qū)分顏色、閱讀、觀察精細(xì)儀表等功能要求。

參考國際空間站照明標(biāo)準(zhǔn)［5］及國際照明委員會(huì)關(guān)于室內(nèi)工作場所照明標(biāo)準(zhǔn)，空間站艙內(nèi)照明的指標(biāo)主要應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：照度水平、布局要求（均勻性、投光方向、眩光約束）、光色特性要求（色溫和顯色指數(shù)）、功耗和效率要求、照明系統(tǒng)的控制要求。

在這些指標(biāo)中，照度水平、光源布局和光色特性指標(biāo)對人體感官影響較大。其中，光源布局具有與具體艙內(nèi)空間大小、形狀和航天員工作姿態(tài)等結(jié)合緊密以及燈具安裝位置固定的特性。照度水平和光色特性指標(biāo)具有可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，尤為重要。

1）照度水平

照明系統(tǒng)最重要的指標(biāo)是照度水平要求，照度雖與照明的方式、艙內(nèi)空間的大小形狀以及被照表面的材料特性有一定關(guān)系［5］，但主要取決于總照明功率指標(biāo)。根據(jù)國際空間站不同區(qū)域或任務(wù)照度水平要求，航天員在軌工作生活的照明需要滿足工作、就餐、維修、閱讀、夜間睡眠等任務(wù)，照度水平覆蓋21 lx～538 lx［5］，因此要求艙內(nèi)照明系統(tǒng)功率具有較大的動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍。

2）色溫和顯色指數(shù)

色溫主要指光源的表觀顏色。色表的選擇主要取決于需要營造的環(huán)境：一般的含紅光成分較多的暖色低色溫照明，更能營造輕松的氣氛，適用于休息和生活?yuàn)蕵穲鏊惠^高色溫的可以緩解緊張、精神振奮等情緒，適用于工作照明［1］。

光源的一般顯色指數(shù)Ra反映了光源的顯色特性，Ra越小，顏色的顯現(xiàn)質(zhì)量越低，長期工作生活空間一般Ra要求不小于80［1］。

2.2 情景照明需求

航天器產(chǎn)品研制投入大、成本高，因此包括國際空間站在內(nèi)的航天器照明系統(tǒng)主要采用統(tǒng)一色溫、統(tǒng)一規(guī)格的照明產(chǎn)品［1，3］。 但是在空間站狹小的空間內(nèi)，這種統(tǒng)一規(guī)格的照明產(chǎn)品難以理想地解決諸如就餐、工作、維修、閱讀、鍛煉等所有照明任務(wù)，需要一種多情景的照明系統(tǒng)來滿足不同航天任務(wù)的動(dòng)態(tài)照明功能需求。

另外，除了從航天任務(wù)功能角度考慮照明需求之外，還需要從人的生理和心理角度考慮照明需求。照明的光色和照度水平對人感受、認(rèn)知、生理節(jié)律具有重要影響［7-9］，其中典型的地面晝夜節(jié)律對人體的影響如圖1所示，可見人體褪黑素和皮質(zhì)醇的分泌水平很大程度與光照有關(guān)［10］。

圖1 正常晝夜節(jié)律影響［10］Fig．1 Normal circadian rhythm effects［10］

載人航天軌道約90 min／圈，艙內(nèi)密閉環(huán)境晝夜節(jié)律被打亂，容易造成航天員生理性晝夜節(jié)律紊亂，降低工作效率，工作失誤增多。若可在密閉空間站內(nèi)通過照明環(huán)境光模擬晝夜節(jié)律變化，有助于改善航天員在空間站生理和心理狀態(tài)，提高航天員在軌工效。因此根據(jù)不同的任務(wù)需求時(shí)刻動(dòng)態(tài)調(diào)整適合的照明環(huán)境場景，對長期處于狹小幽閉環(huán)境中的航天員具有重要意義。

為了最大限度地提高航天員在軌舒適度和工效，滿足所有功能任務(wù)的最佳照度和色溫需求，根據(jù)照明的功能需求和航天員生理心理需求，考慮設(shè)計(jì)色溫覆蓋2700 K～6000 K范圍的可變色溫，調(diào)光性能覆蓋0～100%調(diào)光照明系統(tǒng)，能夠?yàn)楹教靻T在不同任務(wù)功能和需求下提供最佳的照明環(huán)境。并使用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)替代原有機(jī)械按鍵開關(guān)和旋鈕，通過智能終端調(diào)用本地照明場景模式配置項(xiàng)，可一鍵切換照明場景，方便航天員在軌使用。

3 LED情景照明系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)方案

本文提出的未來可用于空間站的情景照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，主要分為照明終端（含光源）、通信網(wǎng)絡(luò)和控制終端三部分，如圖2所示。其中照明控制器作為最基礎(chǔ)的控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)情景照明燈（包括主照明燈和生活氛圍照明燈）的驅(qū)動(dòng)和控制，各照明控制器具備0～100%調(diào)光、多路驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)色溫和顏色變化的能力，無線通信接口用于與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)字調(diào)光控制?？臻g站各艙室艙內(nèi)所有照明控制器通過無線通信系統(tǒng)（可采用WIFI網(wǎng)絡(luò)）和無線網(wǎng)關(guān)接入飛行器總線系統(tǒng)，通過飛行器的總線連接站上和地面的控制終端，實(shí)現(xiàn)各終端照明狀態(tài)信息的搜集和對終端控制。航天員可以通過終端進(jìn)行照明系統(tǒng)的控制，控制的內(nèi)容包括整個(gè)照明系統(tǒng)模式的選擇、局部區(qū)域照明場景切換、場景模式設(shè)置等。另外通過天地網(wǎng)絡(luò)，地面飛控管理人員也可以根據(jù)在軌任務(wù)安排進(jìn)行照明場景模式設(shè)置等。

圖2 空間站情景照明系統(tǒng)Fig．2 Scene illumination system in space station

3.2 典型照明場景模式設(shè)計(jì)

為了最大限度地提高航天員在軌生活工作的舒適度、降低航天員在幽閉空間的焦慮感，情景照明系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可控、靈活配置，還需要根據(jù)航天員在軌工作和生活具體狀況設(shè)計(jì)相應(yīng)的照明場景和模式。其中典型的情景模式如下：

1）模擬晝夜節(jié)律

參考地面北京時(shí)，進(jìn)行晝夜環(huán)境模擬。典型地，早晨在北京時(shí)6：30開始緩慢增加照明系統(tǒng)亮度，同時(shí)增加照明系統(tǒng)中高色溫分量，在8：00以后進(jìn)入正常工作照明（中性白色溫約4300 K），中午14：00左右達(dá)到工作照明狀態(tài)的最高照度和色溫水平，之后緩慢增加低色溫分量，在22：30以后環(huán)境光漸漸調(diào)整至夜間休息模式，各照明燈具維持微弱的亮度。

2）工作照明模式

照度水平：工作區(qū)域不小于350 lx，臨近區(qū)域不小于200 lx；

色溫：4500 K。

3）精細(xì)操作模式

照度水平：工作區(qū)域不小于500 lx，臨近區(qū)域不小于300 lx；

色溫：5800 K。

4）就餐模式

照度水平：就餐區(qū)不小于300 lx；

色溫：3000 K。

5）夜間睡眠模式

照度水平：整艙22 lx；

色溫：2700 K。

以上是典型的照明場景模式，使用時(shí)可以根據(jù)航天員的具體需求，通過遠(yuǎn)程配置進(jìn)行照明場景模式的設(shè)計(jì)和更新，甚至也可以由航天員根據(jù)自身需求自行設(shè)計(jì)照明場景模式。

3.3 光源及驅(qū)動(dòng)

3.3.1 情景照明光源

實(shí)現(xiàn)色溫可變的LED照明光源主要有LED直接混光和燈具間接混光兩種方式［11-12］，其主要特點(diǎn)如下：

LED直接混光：將不同的LED集成為一個(gè)可調(diào)色溫LED芯片的芯片級(jí)混光。常用的有RGB型和WRGB型兩種LED芯片形式，WRGB型相比RGB增加了白光LED，通過電流控制不同顏色分量的比例混合出不同的色溫、色度。這種通過RGB方式混合出的白光具備較高的顯色指數(shù)［11］，并可以取得更多的色彩變化，非常適用于作為生活?yuàn)蕵贩諊彰?，如圖2中的生活氛圍照明燈。但由于RGB三色混光效率低，不適合航天器的能源高效要求，因此不適宜作為航天器主照明系統(tǒng)。

燈具間接混光：采用低色溫白光LED（例如2700 K）與高色溫白光LED（例如6000 K）間隔排布，通過燈具二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行均勻混光，并通過外部電流控制高低色溫兩種光源的分量比例實(shí)現(xiàn)色溫的連續(xù)可調(diào)［13］。發(fā)光效率超過110 lm／W的低色溫（2700 K）和高色溫（6000 K）白光LED顯色性較好，顯色指數(shù)Ra一般在82～85，可以作為空間站主照明光源使用，如圖2中的主照明燈。

3.3.2 照明控制驅(qū)動(dòng)

照明控制器作為情景照明光源的控制驅(qū)動(dòng)模塊，主要解決各路LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)光控制，需要采用高質(zhì)量的數(shù)控調(diào)光模塊，滿足0～100%穩(wěn)定可調(diào)的恒流輸出。另外，為方便照明控制器的部署和與上位機(jī)通信，一般采用WIFI無線通信接口［14］，用于接收上位機(jī)對所帶負(fù)載的數(shù)字調(diào)光控制信號(hào)。

3.4 通信及應(yīng)用軟件框架

應(yīng)用于空間站的情景照明系統(tǒng)通信應(yīng)用模式不同于一般的點(diǎn)對點(diǎn)通信控制或者單服務(wù)器對多個(gè)終端控制的通信應(yīng)用模式，其屬于多終端、多用戶控制的復(fù)雜應(yīng)用模式。為了滿足應(yīng)用模式需求，需要進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。另外，站上的飛行器總線系統(tǒng)和天地網(wǎng)絡(luò)作為專用網(wǎng)絡(luò)可以通過協(xié)議轉(zhuǎn)換完成，本文不進(jìn)行針對性討論。

3.4.1 照明控制器軟件流程

1）照明控制器啟動(dòng)初始化后，首先申請加入指定的網(wǎng)絡(luò)；

2）成功加入網(wǎng)絡(luò)后，監(jiān)聽用于照明的通信端口；

3）根據(jù)端口接收的數(shù)據(jù)幀類型進(jìn)行相應(yīng)和回復(fù)，一般先收到查詢幀，上報(bào)照明控制器存在的ID和狀態(tài)，完成后繼續(xù)監(jiān)聽端口，接收到命令幀后，根據(jù)命令內(nèi)容執(zhí)行對控制情景照明光源的控制和調(diào)節(jié)，執(zhí)行完畢回復(fù)后繼續(xù)監(jiān)聽端口。

控制器軟件工作流程如圖3所示。

圖3 照明控制器軟件工作流程Fig．3 Flowchart of illumination controller software

3.4.2 控制終端軟件流程

1）控制終端運(yùn)行照明軟件后，進(jìn)行軟件初始化，首先在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播查詢網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的照明控制器；

2）根據(jù)在線的各控制器反饋信息，顯示各控制器狀態(tài)信息；

3）在人機(jī)交互界面等待操作輸入，根據(jù)操作類型，發(fā)送廣播查詢各照明控制器狀態(tài)；發(fā)送命令幀控制照明控制器切換工作模式，由此控制照明場景。

控制終端軟件工作流程如圖4所示。

圖4 控制終端軟件工作流程Fig．4 Flowchart of control terminal software

3.5 測試驗(yàn)證

根據(jù)技術(shù)方案，我們設(shè)計(jì)定制了一批樣品，開發(fā)了基于智能手機(jī)的安卓APP應(yīng)用demo，并采用該情景照明系統(tǒng)與機(jī)械調(diào)光中性白光源照明系統(tǒng)在同一個(gè)密閉房間交替進(jìn)行用戶測試。選取16名性別和年齡分布接近航天員的健康受試者進(jìn)行主觀感受測試，年齡：30歲～45歲，男12名，女4名。受試者分別從照明光色滿意度、燈光控制方式滿意度、工作和休息等不同場景滿意度，以及照明效果整體滿意度進(jìn)行了評估打分。結(jié)果顯示，受試者均對利用手機(jī)等終端控制的情景照明系統(tǒng)表示出明顯的喜好偏向。

受試者進(jìn)一步對生活氛圍照明選擇個(gè)人喜好的光色場景，結(jié)果表明，不同的受試者對照明光色場景的偏好不同，這說明個(gè)體對照明的需求具有不一致性。而本系統(tǒng)可以隨時(shí)調(diào)整光強(qiáng)和配色參數(shù)以滿足使用者的個(gè)性化需求。

4 結(jié)論

根據(jù)航天器照明任務(wù)需求和航天員生理及心理需求，分別從系統(tǒng)方案、典型場景模式、光源及驅(qū)動(dòng)、通信及應(yīng)用軟件框架等方面設(shè)計(jì)了空間站艙內(nèi)的LED情景照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)可覆蓋2700 K～6000 K的可變色溫，具有0～100%的調(diào)光性能，能夠滿足航天員在不同任務(wù)和場景下最佳的照明環(huán)境要求。之后構(gòu)建出情景照明原型系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該情景照明系統(tǒng)與機(jī)械調(diào)光的中性白照明系統(tǒng)相比，具有更高的滿意度。預(yù)期該系統(tǒng)可以改善航天員在軌生理和心理狀態(tài)，提高人員工效和系統(tǒng)工效。為了進(jìn)一步地推進(jìn)該系統(tǒng)的應(yīng)用，我們后續(xù)應(yīng)根據(jù)具體的艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)行具體的照明場景設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并在可靠性和環(huán)境適應(yīng)性方面做進(jìn)一步的研究。

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