交會對接任務兩目標協同控制技術研究

鄒雪梅，陳險峰，邢錦江，劉 勇，趙煥洲

（北京航天飛行控制中心，北京100094）

交會對接任務兩目標協同控制技術研究

鄒雪梅，陳險峰，邢錦江，劉 勇，趙煥洲

（北京航天飛行控制中心，北京100094）

在載人航天工程交會對接任務階段，北京航天飛行控制中心首次實現了真正意義上的兩目標協同控制，完成了協同體系構建、協同模式研究、協同技術攻關、協同方案設計、協同系統研制的完整技術演進過程。本文主要目標是對交會對接任務北京中心的兩目標協同控制技術研究成果進行總結，主要涉及在交會對接任務協同控制技術體系構建、兩目標關聯計劃工作模式、兩目標注入安排協同設計與實施的經驗與不足，通過對協同系統在交會對接任務中的實戰應用情況，分析交會對接任務在協同自動化手段方面的成果和后續改進完善方向，為后續空間站任務設計和實現更復雜的多目標協同控制體系積累經驗和教訓。

載人航天工程；交會對接；協同；控制

1 引言

空間交會對接技術是當今航天領域最為復雜的技術之一，也是空間站建造必須突破的關鍵技術，交會對接地面飛行控制的重點和難點在于天地協同配合控制更加復雜：一是兩目標高時效性精確協同控制比單目標控制更加復雜；二是航天員在軌重大任務天地協同更加復雜［1?3］。

國外交會對接地面飛行控制技術經過四十余載發展、數百次交會對接任務實踐，已經形成了適應國際空間站多國合作、長期運營管理的分布式協同控制體系，以及分層任務規劃、航天器故障診斷與健康管理等飛行控制技術。

本文立足于北京航天飛控中心交會對接飛控實踐，總結了交會對接飛行控制系列關鍵技術，文章從空間兩目標強約束情況下協同飛控體系建立，獨立控制、分層協同的協同飛控模式設計出發，介紹了基于動態組裝、應急重構的兩目標關聯規劃技術；基于狀態的兩目標協同上行控制及數據注入動態規劃技術；以及基于專家規則生成、基于實時狀態流更新的協同工作程序生成、更新技術。最后根據三次交會對接任務實際應用情況，指出了不足及后續改進完善方向［4］。

2 協同飛控體系及模式設計

2.1 協同飛控體系

協同飛控技術體系按層次化的結構設計，共包括天地基測控資源綜合配置（Integrated Tracking Resource Configuration Layer）、跨平臺飛控數據綜合處理（Integrated Data Processing Layer）、兩目標關聯飛行控制（Coorunated Mission Control Layer）、兩目標飛行控制協同實施（Coodinated Operation Collaborating Layer）四個層次［5，6］。

層次化的飛控體系在不同的飛控平臺之間進行數據交互處理，對不同的目標建立關聯控制機制。既能夠為單任務單目標提供獨立飛控支持，又滿足多任務多目標的協同飛控需要。

2.2 協同飛控模式設計

交會對接協同飛控模式以單目標控制作為基礎，在多目標并行控制的情況下，從任務規劃、測控資源、上行控制、數據處理、狀態判斷、在軌關鍵控制六個方面分別研究協同控制機制。

在任務實施過程中，根據協同飛控機制，飛行控制既能夠保持相對獨立、密切配合，又保證決策指揮集中統一，各系統各崗位間監視、判斷、報告、處置快速高效。

圖1 協同工作體系圖Fig.1 Structure of coordination operation

3 協同飛控技術研究

3.1 兩目標關聯規劃技術

3.1.1 兩目標關聯計劃工作模式

兩目標關聯計劃工作模式的基本原則是兩目標計劃統一設計、統一生成、分類輸出、獨立實施。

在交會對接過程中，載人飛船與目標飛行器之間存在著狀態相關和時序相關的關聯控制，我們將兩目標的飛行程序分解為彼此獨立的飛控過程，每一個飛控過程由兩目標具體的程控指令、GNC指令、遙控指令、航天員手控指令和航天員關鍵平臺操作構成，在統一的時間軸上，面向飛控過程，利用自身的約束條件，也可利用對方的約束條件，合理安排各個飛控過程，給出其實施的約束條件和關聯關系，形成兩目標統一標稱計劃［7，8］。

任務實施過程中，根據兩目標統一標稱計劃，結合軌道預報、控制參數、測控網配置等，統一生成兩目標計劃，得到兩目標各類指令序列和操作序列，按照目標屬性分類輸出后，由兩個飛控系統分別面向各自的目標進行實時控制。

這種設計方式確保了各類指令之間、指令與航天員操作之間、兩目標之間控制動作和狀態的協調和匹配，有利于計劃沖突的發現與消解，解決了不同發射窗口使用共同的標稱計劃問題，解決了以往任務中“標稱計劃海洋”問題，有效提高了任務準備和實施的效率和可靠性。

3.1.2 兩目標計劃動態組裝技術

按照兩目標飛控實施的需求將交會對接任務過程按照任務階段（Phase Layer）、控制過程（Process Layer）、指令模塊（Module Layer）、單指令（Dictate Layer）逐層分解，面向飛控階段和控制過程設計若干標稱計劃模塊和指令模塊，任務實施過程中根據實際的需求進行動態組裝，實現了正常和應急交會對接和撤離兩目標測控計劃面向任務實時狀態的快速設計與實施，實現了各天返回主副場、緊急返回和手控半自動返回測控計劃的標準化設計與實施，在確保可靠性的前提下提升了面向復雜飛控過程計劃設計與實施的靈活性。

3.1.3 兩目標計劃應急在軌重構技術

針對遠距離導引軌控應急、推遲對接、推遲撤離、手控對接、手控撤離、在軌試驗調整等各類型的應急控制分支，設計了基于飛控狀態判斷的應急測控計劃分支。

圖2 計劃動態組裝示意圖Fig.2 Dynamic assemble of mission planning

針對自主控制段5 km、400 m和140 m停泊點保持時間累計延長不超過5分40秒，仍在當圈對接的需求，設計了基于實時狀態調整當前計劃的策略，實現了根據實時狀態調整當前控制指令序列，并解決了動態的對接指令序列與靜態的入出測控區指令序列的沖突問題，能夠在12分鐘以內完成狀態判斷、計劃調整、注入數據生成、確認與實施，確保飛船在當圈完成對接。

通過在任務實施過程中快速引入應急分支和實時調整策略，構建了滿足應急狀態的兩目標測控計劃，實現了兩目標計劃應急在軌快速重構。3.1.4 兩目標測控資源綜合規劃技術

根據兩個目標對測控資源的需求，按照控制目標分階段綜合配置測控資源的使用計劃和模式（單目標跟蹤、分時跟蹤、分別跟蹤、雙目標跟蹤），在優先使用默認的資源配置的基礎上，根據跟蹤弧段的實際分布和飛控需求變化動態配置各個目標的測控資源。

根據兩目標在入出地基測控區、中繼測控區和天地聯合測控區時不同的控制需求，整合零散的地基和天基測控弧段，綜合規劃跟蹤弧段，實現了天地基測控資源的一體化使用，在確保兩個目標配置可靠的測控資源使用的前提下，最大程度的優化測控資源使用效率。

由于兩目標在任務各階段有著不同的測控網配置，且難以保障全網參與任務，測控資源配置存在不確定性。為確保地基測控網上行控制弧段的連續性，最大程度的優化地基測控資源，實現了測控點頻動態調整技術，在優先使用測控總體規定的點頻基礎上，任務中可根據跟蹤弧段的實際分布動態調整各測控站的點頻。

3.2 兩目標同步關聯上行控制技術

3.2.1 數據注入動態規劃技術

遠距離導引段飛船每隔3到5圈進行一次控制，為確保軌道精度，每次控制后都必須進行2圈左右的測軌，留給地面軌道確定、控制參數計算與復核比對、飛控計劃和注入數據生成會簽及注入實施的時間極其有限。同時，這個時段圍繞軌道控制還存在108種應急控制分支，每種應急分支中軌道控制的頻度與正常相同。針對這些需求，我們通過兩種方式來解決。

（1）注入數據動態規劃

圍繞遠距離導引段以軌道控制為核心的控制需求，設計了注入數據的動態規劃算法，對飛行程序注入內容覆蓋區間、注入弧段選擇、注入實施周期、注入支持資源的規劃設計規則和調整策略進行量化描述，通過該算法對兩個目標的數據注入進行動態的規劃和設計，同時在任務實施過程中根據實際需求變化進行統一的優化和調整，實現了注入實施所需的定軌資源和注入資源的同步和最優使用，解決了遠距離導引段高頻度軌道控制情況下兩類資源高度競爭的工程難題。

（2）應急注入規則化技術

在注入數據動態規劃算法的基礎上，研究這種將工程任務定量化、規則化描述和實施的技術進行擴展和提升，使其能夠在任務全程特別是在復雜的應急分之情況下實現應用，即：將交會對接任務全程的應急控制分支按照其注入需求進行分類，按照各分支類型注入需求和測控支持條件分析、提煉注入實施規則，實現了使用簡單規則對復雜應急分支中注入數據需求和實施要求的完整描述。在覆蓋各分支注入需求和實施要求的基礎上，分析各個應急分支間的嵌套和交叉覆蓋邏輯關系，設計適用多個應急分支子階段的子規則進行復用，使注入規則在保證適用性的前提下最大限度的提高靈活性，任務中根據實際情況進行動態調整。

3.2.2 基于狀態的兩目標協同上行控制

飛船自主控制段，地面需在極短的時間內準確判斷飛船和目標飛行器當前狀態，并實施遙控發令。140米接近過程中，當兩飛行器質心相對距離在280～260 m時，須先判發天宮TK41（目標空空通信切換小功率）指令，后向飛船發送K353（空空通信機切小功率）指令。

為此，我們將實時狀態信息引入到上行控制中來，形成一個完整的狀態反饋控制系統。通過在兩個目標上行控制平臺間建立上行控制信息流和控制流協同機制（Upward Control Coordinating）（信息流（Coordination Information）完成上行控制的前提條件和執行效果判斷，控制流決定控制走向，信息流和控制流可由軟件自動和人為干預兩種方式進行調整），實現基于狀態的兩目標協同上行控制［8］。

圖3 基于狀態的兩目標協同上行控制示意圖Fig.3 State?based coordination control of two spacecraft

3.3 兩目標狀態綜合監測與故障診斷

3.3.1 兩目標多源遙測數據實時綜合選優

基于對測控網跟蹤計劃的獲取和識別，同時引入部分成熟的經驗規律，對兩目標的多源遙測數據進行綜合選優處理，有效避免了實時任務中進出站、過頂等情況下遙測跳變對狀態監視的影響。通過大量遙測數據的時延分析和精確的抖動補償模型設計，解決了延時或事后數據綜合選優過程中數據時序的精確匹配難題［9］。

3.3.2 關聯故障聯合診斷與同步處置

對于涉及飛船和目標飛行器兩個目標狀態和處置需求的關聯故障模式，對此類關聯故障設計了“聯合診斷、同步處置”的飛控模式，即分別在兩個目標故障診斷平臺上引入兩目標實時狀態信息進行診斷，按照事先確定的協同關系進行同步的故障處置，使關聯故障的診斷和處置流程在規避沖突的前提下達到效率最優。

3.4 兩目標動態協同工作程序技術

3.4.1 基于專家規則的協同程序生成技術

交會對接任務中，我們實現了兩目標動態協同程序設計，用以指導控制中心、調度指揮、飛控專家、載荷專家以及航天員、飛船以及測控站（船）乃至測控網的協同工作關系。

由專家制定規則，形成協同工作規劃所需的規則庫（Specialist Rule Library）。其中，每條規則都帶有一組可填參數。規則的一些參數指定了“可能發生什么”，而另一些參數指定了“如何處理”。

依據這些參數來定義飛控協同策略，通過輸入飛控模式狀態和任務狀態信息（Actual Mission States），協同自動化系統服務器（Collaborating Procedure Server）計算并更新協同程序事件序列，實現了基于專家規則的協同程序的快速生成和快速更新（Releasing）。

3.4.2 基于狀態流的協同程序實時更新技術

根據對時間的敏感性的不同，可將任務的狀態轉移分為靜態和動態兩種形式。

按照離散馬爾科夫模型，靜態形式有局限性，它難以描述更復雜的任務狀態和關聯關系，特別是關于時間連續變化的任務狀態變量（如軌道參數），因其假定主要特征不隨時間變化，不適合狀態隨時間連續變化的航天任務。因此，我們制定了動態的狀態轉移形式。

同靜態形式相比，狀態流中狀態變量的連續變化會引發顯著的特征變化，并進而導致飛控指令隨其變化。同樣，任務狀態與飛控活動共同決定了各轉移發生的概率，首要的飛控目標是最優終態F的達成。動態形式可比靜態形式涵蓋更為廣泛和復雜的任務狀態，適用于更復雜的任務，如短期載人飛行以及交會對接等。動態形式強調了時間相關變量所可能導致的任務狀態變化，它繼承于離散馬爾科夫模型，是靜態形式的推廣。

基于狀態流制定兩目標協同策略，引入兩目標程控指令計劃、遙控指令計劃、航天員手控指令計劃、測控條件以及故障模式等，作為協同程序設計的基本要素，以這些基礎要素為核心設計約束在其上的流程化協同操作內容。

圖4 協同自動化生成示意圖Fig.4 State?based coordination control of two spacecraft

3.4.3 基于專業支持模式的手控對接天地協同機制

在航天員手控對接、手控撤離的操作控制過程中，航天員需發送近40條手控指令，地面需對20個關鍵狀態進行確認，對接實施過程中關鍵節點的評估放行、對航天員的專業支持以及故障情況下的應急處置，都需要航天員、飛船和地面飛控等多個系統密切協同配合，協同匹配的時間精度要求在10秒量級。

設計了“集中指揮、會商決策、分布支持”的手控對接專業支持模式，在此基礎之上，結合測控條件和確認時間等多種因素設置多個關鍵確認點，按照確認點時間約束的方式設計協同程序關鍵事件、確認節點和協同流程，實現了基于兩目標狀態的手控對接天地協同實施。

4 應用情況及不足

前述協同飛控體系、協同飛控模式及協同飛控技術在神舟八號、神舟九號、神舟十號與天宮一號交會對接任務準備及任務實施過程中得到了充分應用，很好的解決了兩目標強約束下協同飛行控制問題，確保了兩目標及天地復雜協同的精準實施。

隨著任務周期增長，尤其是空間站任務長期運營管理，現有的任務規劃人工設計工作量大、故障診斷缺乏飛行器全面健康狀態管理等矛盾將會凸顯。后續需要在基于規則和狀態的任務規劃技術、結合了在軌維修、健康管理的故障診斷技術方面進行進一步深入研究［10，11］。

5 結論

1）采用兩目標相對獨立控制下的協同飛控模式，有力保障了任務實施與任務準備并行情況下，天宮一號飛行控制、飛船飛控平臺的適應性改造、各階段聯調聯試的正常實施。

2）兩目標關聯任務規劃采用“統一規劃，獨立實施”的工作模式，支持飛行計劃功能模塊在軌動態組裝及飛行程序指令級的在軌應急重構，確保了兩目標控制的協調性，并具有較強的應急能力。

3）同步關聯上行控制技術、狀態綜合檢測與故障診斷技術滿足了高時效性要求下兩目標同步上行控制、綜合狀態監測的要求。

4）協同自動化方面采用基于專家規則生成及基于任務狀態流更新的技術，減少了70%協同程序人工編排工作量，并實現了實時更新、決策支持。

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Study on Coordination Control Technology in Rendezvous and Docking of Two Spacecrafts

ZOU Xuemei1，CHEN Xianfeng1，XING Jinjiang1，LIU Yong1，ZHAO Huanzhou1
（1.Beijing Aerospace Control Center，Beijing 100094，China）

In the manned Rendezvous and Docking（RVD）mission，Beijing Aerospace Control Center realized coordination control for the first time and the technical evolution was accomplished，including coordination system constructing，mode research，key technology breakthrough，solution design and software and hardware development.This paper focused on the coordination control technology of RVD mission，and summarized the deficiency of coordination system，mission planning system and data upload solution.By reviewing back the implementation of the technology in three RVD missions，experience was accumulated and technical prospect was proposed，which was useful for China′s space station project.

manned space project；rendezvous and docking；coordination；control

V526；V556

A

1674?5825（2014）01?0026?06

2013?10?25；

2013?12?29

鄒雪梅（1974?），女，碩士，高級工程師，研究方向為航天測控總體技術。E?mail：zouxuemei＠org.bacc.cn