航天器半物理仿真應用研究

張新邦

北京控制工程研究所， 北京 100190

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航天器半物理仿真應用研究

張新邦

北京控制工程研究所， 北京 100190

介紹了航天器半物理仿真的特點，總結了航天器控制系統半物理仿真的3種基本表現形式和應用范圍。指出在沒有特殊說明時，傳統意義上的控制系統半物理仿真是指以敏感器/控制器在回路為主要框架的仿真試驗，其特點是有復雜昂貴的運動模擬器等仿真專用設備，其關鍵技術之一是運動模擬器的設計應用技術，具體可分為基于運動學直接物理模型和基于運動學數學模型變換2種方法，并在仿真應用舉例中對此作了進一步說明。

航天器；控制系統；半物理仿真；運動模擬器

系統仿真是通過對系統模型進行試驗來研究系統的技術。航天器仿真一般分為3類：數學仿真、半物理仿真和全物理仿真。

數學仿真又稱計算機仿真，是全部用數學模型代替實際系統進行的系統仿真。其他的仿真則有硬件/實物在回路中，它們又分為半物理和全物理仿真，2者的區別在于仿真試驗中應用的航天器動力學模型種類不同。應用數學模型則是半物理仿真，應用物理模型(又稱物理效應模型)則是全物理仿真。由于動力學數學模型必須在仿真計算機上進行解算，所以也可以用仿真系統中是否有仿真計算機來區別：有仿真計算機的是半物理仿真，沒有仿真計算機的是全物理仿真。

半物理仿真是航天器仿真領域中一個重要內容，其應用廣泛，內容豐富。航天器控制系統半物理仿真的應用可總結為3種基本形式：計算機在回路仿真、控制系統電性能綜合測試、敏感器/控制器在回路仿真。

1 航天器控制系統半物理仿真應用的3種基本形式

航天器控制系統半物理仿真就是動力學應用數學模型的非數學仿真。對于不同應用目的，半物理仿真有不同的試驗規模和表現形式，基本上可分為計算機在回路仿真、控制系統電性能綜合測試和敏感器/控制器在回路仿真3種。

1.1 計算機在回路仿真

只有航天器控制系統內控制計算機實物接入試驗回路的半物理仿真簡稱為計算機(或控制器)在回路仿真，特點是控制系統其余內容應用數學模型，仿真系統簡單，而應用面廣泛，主要應用于以下方面。

1.1.1 控制計算機應用軟件測試

航天器控制軟件對實時性要求高，與計算機硬件結構聯系緊密，其軟件的研制測試離不開計算機在回路仿真。隨著技術進步，控制軟件的規模越來越大，功能越來越強，許多設計思想和核心技術多反映在軟件中，因此對軟件的測試越顯重要。于是仿真界提出了對于嵌入式系統的“軟件在回路仿真”這一術語。對于航天器控制系統仿真來說，“計算機在回路仿真”是“軟件在回路仿真”的一個主要表現形式。“軟件在回路仿真”有多種方法，可以是數學、半物理和全物理仿真。數學仿真方法簡便快速，適合于軟件的初步測試，但逼真度差。軟件工作者對軟件進行全面系統測試驗證時主要應用“計算機在回路仿真”方法。

1.1.2 控制系統故障診斷和對策研究

故障仿真是航天器系統仿真的一個重要內容。一個良好的航天器控制系統故障仿真系統應能方便地實現/復現控制專家提出的各種故障模式，能方便地試驗/驗證控制專家提出的各種故障對策，這對模型提出了很高的要求。由于控制計算機的內容復雜，硬件結構具有多種中斷能力，運行的是實時控制程序等，所有這些很難用精確的數學模型去表達。當控制系統其他部件通過技術的提高和經驗的積累得到成熟準確的數學模型后，計算機在回路仿真系統既能滿足逼真度要求，而且各部件模型的靈活性高。當在軌運行航天器的控制系統出現故障時，計算機在回路仿真以其突出的優點，成為故障診斷和對策研究驗證的重要手段。

1.1.3 控制系統方案/技術設計演示驗證

虛擬技術已成為當前的一個研究熱點。虛擬技術本質上屬于仿真技術，是數學仿真技術的延伸。對于控制系統，其數學模型就是控制系統虛擬樣機的基礎。考慮到控制計算機難以有滿足要求的數學模型，所以以計算機在回路仿真系統為基礎，配以計算機實時圖形和VR(虛擬現實)技術，得到控制系統的準虛擬樣機，可以作為方案設計/技術設計的演示驗證。如俄羅斯能源聯合體的交會試驗室內主要應用計算機在回路仿真方法驗證交會GNC系統的技術設計。

1.1.4 航天器飛行過程中的地面伴隨仿真

對于深空探測等一類航天器飛行距離長、環境未知性強、飛行過程復雜，需要有飛控支持系統以保障飛行任務順利進行[1]。而計算機在回路仿真系統簡單實用、逼真度好、模型靈活性高。以計算機在回路仿真系統為基礎，在航天器飛行過程中進行地面伴隨仿真，是飛控支持系統的重要組成部分。

1.2 控制系統電性能綜合測試

控制系統是航天器的一個重要分系統。控制系統電性能綜合測試是控制系統集成、調試的主要內容和系統驗收前的主要測試內容，是系統研制過程中的重要階段。綜合測試包括部件級測試和系統級測試，系統級的閉路動態測試用于系統運行中的各項功能測試，是對任務書中系統運行性能指標和對系統能否完成其擔當的任務能力的測試。該閉路動態測試就是半物理仿真試驗。

在整個航天器系統驗收測試中，同樣要進行航天器系統電性能綜合測試[2]，這時控制系統作為航天器的一個主要分系統參與其中。航天器系統電性能綜合測試內容中的閉路動態測試也是半物理仿真，當然此時的規模要大得多。

電性能綜合測試中一般不使用復雜的運動模擬器和目標模擬器等仿真專用設備。

目前電性能綜合測試中，仿真與測試一體化的研究是其技術發展的重要內容。

1.3 敏感器/控制器在回路仿真

當敏感器沒有成熟準確的數學模型時，需要將敏感器實物接入試驗回路(一般此時控制器實物也接入回路)，其余部分按計劃要求可應用實物或數學模型。此時稱為敏感器/控制器在回路仿真，特點是：

1)需要復雜昂貴的運動模擬器和目標模擬器等仿真專用設備；

2)是系統方案設計/技術設計驗證的主要方法。

早期的控制系統半物理仿真技術起始于系統方案驗證的需求，以敏感器/控制器在回路仿真為主要框架的試驗形式實現，至今此方法仍然是提高系統方案技術成熟度的主要手段。如精確制導武器研制中，由于制導敏感器的數學模型不夠成熟準確，必需將敏感器實物接入回路進行仿真試驗，雖然各種仿真專用設備(運動模擬器和目標模擬器等)的花費往往非常昂貴，但這是值得的。

以上介紹了半物理仿真的3種基本形式，在沒有特殊說明時，傳統意義上的半物理仿真是指以敏感器/控制器在回路仿真為主要框架的仿真試驗，其特點是仿真系統內有復雜昂貴的運動模擬器等仿真專用設備，其關鍵技術之一是運動模擬器的設計、應用技術。

運動模擬器是對象運動學模型的具體實現，模擬器的設計和應用方法一般有2種：

1)基于運動學直接物理模型

從宏觀角度研究，對實際系統(天體和航天器)直接縮比可得到運動學直接物理模型，以此來設計運動模擬器結構。如高軌道衛星姿態控制系統半物理仿真中，衛星的姿態運動可用一個三軸轉臺來模擬，地球用轉臺旁邊一個固定的小型熱圓盤來模擬。

當情況復雜，或應用運動學直接物理模型難以解決實際困難時，需應用下面方法。

2)基于運動學數學模型變換

從敏感器的角度研究，并對實際系統運動學的數學模型進行變換計算，以此再設計運動模擬器。這樣可以充分應用數學模型變換這一強大功能，簡化運動模擬器的結構或解決一些原來難以解決的困難。

2 航天器半物理仿真應用舉例

下面介紹航天器半物理仿真應用例子，結合仿真方法和運動模擬器設計應用等內容，了解對象運動學直接物理模型和運動學數學模型變換等技術的應用。

2.1 衛星姿態控制系統單轉臺半物理仿真

地球靜止軌道三軸穩定衛星姿態控制系統半物理仿真一般用一個三軸轉臺[3]，試驗系統結構框圖見圖1。

圖1 地球靜止軌道衛星半物理仿真系統試驗框圖

圖中地球模擬器是一個固定在三軸轉臺邊的小熱圓盤。地球敏感器安裝于轉臺的轉動中心，轉臺上還安裝有陀螺和太陽敏感器。轉臺模擬衛星在太空中的姿態運動，該方法是應用實際系統(衛星、地球、太陽)縮比后的運動學直接物理模型得到的。

我國“東方紅三號”衛星研制過程中，其姿態控制系統半物理仿真試驗應用了圖1所示的框圖。試驗全面驗證了控制系統方案，仿真試驗技術達到國際先進水平。

2.2 衛星姿態控制系統多轉臺半物理仿真

中低軌道衛星姿態控制系統半物理仿真中一般應用多個轉臺[3- 4]。

中低軌道三軸穩定衛星有2個特點：

1)地球對衛星的張角很大，如軌道高度為800km時地球張角約126°。相比之下地球靜止軌道衛星的地球張角僅為17.4°；

2)軌道角速度大(約0.06(°)/s)，比地球靜止軌道衛星的軌道角速度大一個多量級。

中低軌道衛星半物理仿真中一般應用多轉臺并聯仿真方法。如日本宇宙開發事業團(NASDA)在研制日本海事衛星(MOS)半物理仿真中使用3個三軸轉臺，其中1個安裝陀螺和太陽敏感器，其余2個在轉動中心各安裝一個地球敏感器，并各自對應一個地球模擬器(十分巨大的熱圓盤)，此方法也是應用了運動學直接物理模型。每個轉臺的坐標系根據各自需求來選擇，但試驗時需要用運動學數學模型去協調各轉臺的工作。

我國在某中低軌道地球觀察衛星半物理仿真試驗中也應用多轉臺方法(見圖2)，并應用了基于運動學數學模型變換技術，有效地簡化了仿真系統。圖中應用2個單軸轉臺各安裝一個地球敏感器，地球模擬器應用平板平移方式，試驗中需要應用地球敏感器全天球掃描的數學模型協調單軸轉臺和地球模擬器的運動。此仿真系統可以對衛星飛行的全過程包括全姿態捕獲等模式進行仿真試驗。

圖2 我國中低軌道衛星半物理仿真試驗框圖

2.3 航天器GNC系統交會半物理仿真

航天器GNC系統內設有專門用于交會對接的敏感器，如CCD光學成像敏感器、激光交會雷達、微波交會雷達和電視攝像機等，可以測量追蹤航天器和目標航天器之間的相對位置和相對姿態。交會半物理仿真需要模擬兩航天器相對位置和相對姿態專用的運動模擬器(交會運動模擬器)，要求：1)交會用敏感器以實際尺寸1:1安裝于交會運動模擬器；2)交會運動模擬器能準確模擬兩航天器在物理空間內的相對位置和相對姿態。

圖3 GNC系統交會半物理仿真試驗框圖

圖4 9自由度交會運動模擬器運動結構示意圖

GNC系統交會半物理仿真試驗框圖見圖3。圖中應用了典型的9自由度交會運動模擬器，其結構示意圖見圖4。

圖4內左邊固定于地面的3軸轉臺模擬目標航天器姿態運動；右邊的3軸轉臺安裝于3自由度平動機構上，模擬追蹤航天器的姿態和軌道運動，一起組成9自由度交會運動模擬器。顯然此9自由度運動模擬器應用了運動學直接物理模型，物理概念直觀清楚。

實際試驗中有2個難點，應用運動學數學模型變換技術后都得到了解決。1)航天器的長度較大(設追蹤飛船長度為10m)，其質心到交會敏感器的距離約5m，而9自由度運動模擬器中三軸轉臺的內軸臂長(轉臺轉動中心到負載臺面的距離)不大于1m。試驗中希望用轉臺的轉動中心模擬航天器質心，這要求轉臺內軸臂長也為5m，在工程上難以完成。可應用運動學數學模型變換技術，試驗中先應用一個虛擬的5m臂長的轉臺，求出其負載盤位置/姿態，再進行運動學計算并控制真實的1m臂長轉臺移動/轉動，使其負載盤到完全相同地方即可；2)9自由度運動模擬器橫向(Y方向)和豎向(Z方向)的平動運動范圍不大，如需要大的運動范圍，只能應用運動學數學模型變換技術，得到簡約型6自由度運動模擬器后解決困難。

下面先從運動學觀點討論相對位置和相對姿態運動模擬器結構種類，較實用的有如下3類：

1)經典的9自由度運動模擬器(見圖4)

設備是基于運動學直接物理模型方法得到，由3個長度自由度和6個角度自由度的機構組成，適用于交會運動模擬器。

2)并聯6自由度運動模擬器

或稱為Stewart機構，由6根可伸縮桿組成，可以得到3個平動自由度和3個轉動自由度。此機構的剛性好，適用于對接運動模擬器。

3)簡約型6自由度運動模擬器[5]

運動學在描述相對位置時可用距離、方位角和仰角來表示，描述相對姿態用3個歐拉角表示，以上6個參數中1個為長度、5個為角度。于是推演出運動模擬器結構可由1個固定的二軸轉臺和1個能作一維(縱向)平動的三軸轉臺組成，這就是簡約型6自由度運動模擬器(見圖5)。

圖5 簡約型6自由度運動模擬器示意圖

此模擬器優點是：

1)工作范圍大，是目前唯一能實現大運動范圍的相對位置和相對姿態運動模擬器；

2)可提高試驗精度。由于平動機構對精度影響較大，減少平動自由度有利于提高精度。

實際工作中可將圖4的9自由度模擬器和圖5的簡約型6自由度模擬器2個方案結合，即建造一個縱向平動范圍較大的9自由度運動模擬器，一般情況下以9自由度形式使用，當模擬器的橫向/豎向平動范圍不夠，則改為以簡約型6自由度模擬器形式使用。如圖4所示的一個小型精密9自由度運動模擬器，Y軸(橫向)和Z軸(豎向)平動范圍為±1m，當試驗條件為：XR=3.4641m；ZR=2m；其他各自由度的值全部為0(見表1內狀態1的數據)，由于Z向平動已超出運動范圍而無法進行試驗，于是改為簡約型6自由度方案，得到表1內狀態2的數據，2組數據具有完全相同的相對位置和相對姿態，但Z向平動不超出運動范圍，使試驗可以順利進行。

表1 相對位置和相對姿態完全相同的2組狀態數據

表內φa，θa，ψa和φb，θb，ψb為圖4中轉臺A和B的內軸(滾動)、中軸(俯仰)、外軸(偏航)轉角(單位為(°))，xR，yR，zR為ob點在坐標系oaxRyRzR內的三維空間位置(單位為m)。

2.4 具有力矩反饋裝置運動模擬器的應用

目前控制系統半物理仿真試驗中，執行機構不安裝于運動模擬器上，由數學模型得到其輸出值并送仿真計算機。若應用具有力矩反饋裝置的運動模擬器，可不需要執行機構的數學模型，將執行機構安裝于運動模擬器上，其產生的力矩由力矩測量裝置測量后實時反饋到仿真計算機。在不需要執行機構數學模型這一點上，此方法和全物理仿真十分相似。

以一個應用陀螺為敏感器、控制力矩陀螺為執行機構的姿態控制系統半物理仿真為例，試驗框圖見圖6。

圖6 應用具有力矩反饋裝置運動模擬器的半物理仿真框圖

要求執行機構(控制力矩陀螺)和運動模擬器之間的力矩測量裝置能準確實時測量出控制力矩，盡量減少測量中的干擾信息，尤其是地面重力帶來的干擾。此類試驗中的運動模擬器一般應用并聯6自由度機構以增強模擬器的剛度。

當力矩測量裝置達到足夠的精度，此仿真系統就有足夠的可信度。此方法的優點是容易修改試驗中的各種參數(如轉動慣量等)。

2.5 航天器對接半物理仿真

2.5.1 概述

航天器空間對接離不開對接裝置，對接裝置中用于緩沖、補償初始偏差、捕獲、校正、拉緊的機構稱為對接機構。對接過程可分為強沖擊對接(硬對接)和弱沖擊對接(軟對接)2種。硬對接的特點是依靠航天器之間的撞擊實現捕獲，然后使用緩沖器將剩余能量吸收。本文討論的是硬對接過程。

對接機構的動態測試方法可分為半物理和全物理仿真。對接半物理仿真試驗有以下幾個特點：

1)機械系統的半物理仿真

以前幾乎所有的航天器半物理仿真都是控制系統的半物理仿真，為控制系統的測試驗證服務。對接半物理仿真是機械系統(對接機構)仿真，為對接機構的測試驗證服務。

2)應用具有力/力矩反饋裝置的運動模擬器

是航天器半物理仿真中成功應用了具有力/力矩反饋裝置運動模擬器的仿真試驗。

3)應用運動學數學模型變換技術有效地簡化了運動模擬器結構。

2.5.2 基于運動學直接物理模型的對接運動模擬器

一般對接前目標航天器靜止(無軌道機動)，追蹤航天器以某速度向目標航天器運動，碰撞對接后的組合體會以一定的速度運動。所以對接運動模擬器需要12個自由度，可以應用雙Stewart機構組成對接運動模擬器(見圖7)。

圖7 雙Stewart機構的對接運動模擬器示意圖

圖中對接機構通過力/力矩測量裝置安裝在運動模擬器的負載盤上，設模擬器A模擬目標航天器，模擬器B模擬追蹤航天器。開始時刻A靜止，B以給定的初速度向左運動，并和A發生碰撞，使2對接機構聯結在一起以一定速度向左運動。

應用運動學直接物理模型的雙Stewart運動模擬器可模擬空間對接實際運動狀態，原理上直觀，對接機構的慣性力也不用處理。

2.5.3 基于運動學數學模型變換的對接運動模擬器

應用運動學數學模型變換技術，對接運動模擬器可以只要6個自由度，大大簡化了模擬器結構。

考慮到對接機構間碰撞力只是由對接機構間相對位置/速度和相對姿態/速度決定，于是通過運動學數學變換將對接運動模擬器簡化成單Stewart機構，另一邊的負載盤是固定的(見圖8)。此時要注意：

圖8 單Stewart機構的對接運動模擬器示意圖

1)仿真計算機計算得到兩航天器在軌道系的各自位置和姿態信息后，對于圖8方式需要進一步求出追蹤器對于目標器的相對位置和相對姿態，并控制運動模擬器，使兩對接機構得到所要求的相對位置/速度和姿態/速度，保證由對接機構內彈簧和阻尼緩沖裝置等產生的相互作用力和圖7或者和空間實際對接情況一樣；

2)圖8需要增加對接機構慣性力的處理，并在仿真計算機內進行補償。

2.5.4 對接半物理仿真運動模擬器實例介紹

圖9 前蘇聯對接機構半物理仿真試驗設備

圖10 法國空間研究中心的對接動力學試驗設施(DDTF)

圖9所示是前蘇聯的對接機構半物理仿真試驗設備[6]，能進行熱控條件下的動力學仿真試驗。

圖10是法國空間研究中心(CNES)的對接動力學試驗設施(DDTF)。其結構是將一個Stewart機構安裝在一個一維平動裝置上組成，共7個自由度。

圖11 我國的對接機構半物理仿真設備示意圖

圖12 我國的對接機構半物理仿真設備實物

圖11是我國的對接機構半物理仿真試驗設備示意圖[7]，設備也能進行熱控條件下的動力學仿真試驗。圖12是設備實物。

對接機構的動態試驗也可以應用全物理仿真技術，由于全物理仿真應用了動力學的物理模型，試驗的逼真度高。但其不足之處主要是設備龐大，改變某些參數時困難復雜，再現的自由度和作用力受到限制，也難以同時進行溫控試驗。隨著運動模擬器上的測力/力矩裝置技術日益成熟，且空間站等航天器的質量和體積又越來越大，俄羅斯與美國在以后研制對接綜合試驗臺時基本上都應用半物理仿真方案。

3 結論

航天器控制系統半物理仿真的應用可總結為3種基本形式：計算機在回路仿真、控制系統電性能綜合測試和敏感器/控制器在回路仿真。在沒有特殊說明時，傳統意義上的半物理仿真是指以敏感器/控制器在回路仿真為主要框架的仿真試驗，其特點是仿真系統內有復雜昂貴的運動模擬器等仿真專用設備，其關鍵技術之一是運動模擬器的設計和應用技術。可以應用運動學直接物理模型設計和應用運動模擬器，此方法簡單直觀，但模擬器的結構可能較為復雜，或存在某些難以克服的困難。也可以對運動學數學模型進行變換后，再設計應用運動模擬器，這樣可以充分應用數學模型變換功能來簡化運動模擬器的結構和解決一些原來難以解決的困難。

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The Research on Application of Hardware in the Loop Simulation for Spacecraft

ZHANG Xinbang

Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China

Thecharacteristicofhardwareintheloopsimulationforspacecraftcontrolsystemisdescribedinthispaper,andthreeformsofitsapplicationaresummarized.Usually,hardwareintheloopsimulationisthoughtofasthesimulationtestwhichusessensorandcontrollerasthemainframeintheloopsimulation.Itscharacteristicshowsthatthereiscomplexexpensivemotionsimulatorspeciallyforsimulation.Oneofthekeytechniquesisthedesignandapplicationofmotionsimulatoranditcanbedividedintothemethodbasedonthedirectkinematicsphysicalmodelandthemethodbasedonthekinematicsmathematicmodeltransform,whichisdiscussedwithsomeexamples.

Spacecraft;Controlsystem;Hardwareintheloopsimulation;Motionsimulator

2014-09-28

張新邦 (1946-)，男，上海青浦縣人，研究員，主要研究方向為航天器控制系統仿真。

V448.25+3

A

1006-3242(2015)01-0077-07