月球軌道器交會對接九自由度半物理仿真系統設計及驗證

唐 寧

北京控制工程研究所，北京100190

0 引言

月球軌道器的空間交會對接是一個非常復雜的過程，涉及控制方案復雜、新研設備多、精度指標要求高等技術難點[1]。為了驗證交會對接的可行性，需在地面進行大量的試驗驗證，九自由度半物理仿真試驗就是其中最為有效的一種方式。美國、日本和歐空局等國家組建了多種半物理仿真系統，其中較為典型的有美國蘭利研究中心負責設計和研制的雙子星座飛船光學對接仿真系統，日本筑波空間中心建立的交會對接GNC系統靠攏段半物理仿真系統，歐空局和德國宇航院在德國航空航天試驗院空間運行中心組建的九自由度接近操作仿真器[1]。為了確保交會對接任務的順利實施，我國自行研制了一套月球軌道的九自由度半物理仿真試驗系統，用于RVD敏感器部件級的性能驗證和自控交會對接技術的仿真驗證。

1 半物理仿真系統的總體設計

GNC分系統九自由度半物理仿真試驗系統應用運動模擬器模擬兩飛行器的相對運動(包括相對位置和相對姿態)，將飛行器上與GNC系統有關的真實部件接入試驗回路，由實時仿真計算機完成交會對接過程中兩個飛行器共9個自由度的動力學和運動學計算，并實時控制運動模擬器等設備，半物理仿真系統由試驗控制系統對試驗過程進行管理和監控，完成試驗所需要的遙控模擬、遙測模擬、推進系統的模擬等，同時對試驗數據進行采集、處理、存儲和仿真結果的可視化，完成仿真試驗。

1.1 半物理仿真系統組成

半物理仿真系統由九自由度運動模擬系統、仿真計算機、光端機和試驗控制系統組成。

九自由度運動模擬系統由一個固定的三軸轉臺和一個能做三維平動的三軸轉臺2部分組成。九自由度運動模擬系統能模擬兩飛行器在一段距離內的相對位置和相對姿態運動。

仿真計算機由高性能工作站組成。仿真計算機接收推進模擬器的推力數據，計算兩飛行器的軌道和姿態信息，轉換成轉臺的控制信息，實時控制九自由度運動模擬器，同時向敏感器模擬器發送激勵數據。在試驗過程中，仿真機和試驗控制系統中的數據服務器之間通過實時反射內存交換數據。數據庫服務器將接收到的試驗控制指令轉發給仿真機，同時通過反射內存接收仿真機生成的計算數據，存儲到數據庫。

試驗控制系統采用的是前臺、后臺結構，前臺系統主要采用CPCI系統實現，建立外系統模擬等效子系統，實時采集數據，反饋狀態和發送指令給GNC系統；對于實時要求性高，反應時間短的等效器，采用自行開發的通用智能接口子系統實現。前臺系統的通用CPCI模塊和定制板卡安裝在同一個控制機箱內，通過調理接口箱與GNC系統相連，同時將采集的數據傳遞到后臺的數據庫服務器，并且接收后臺控制指令計算機傳來的試驗控制指令。

后臺系統主要實時顯示測試數據，對數據的正確性進行檢查，自動生成測試報告、管理數據等。后臺是大大提高測試系統自動化程度的關鍵。

在整個測試系統中，后臺不與被測對象直接連接，被測對象的數據主要是通過前臺的外系統等效器進行采集，通過網絡發送給后臺的服務器。后臺主要用于設置工作模式，建立測試序列，控制測試過程的進行；記錄各種事件，存儲與轉發測試數據；查詢、檢索、回放測試數據；實時顯示測試數據，判讀測試數據的正確性并提供故障診斷和報警；在測試完成后自動生成測試報告等功能。

后臺采用網絡化結構，硬件主要由通用計算機、服務器等組成，包括試驗控制顯示子系統、數據服務器和指令控制臺，由軟件實現系統測試的自動化。

2 關鍵技術分析

為了實現兩飛行器交會對接的測試功能，模擬太空環境下不同初始條件下的對接情況，九自由度半物理仿真地面測試系統需具備以下幾個關鍵技術，包括：實時模擬技術，試驗項目的自動切換技術，信息鏈的多路數據傳輸技術，九自由度轉臺的控制技術和基于光纖網絡的長線傳輸技術。

2.1 實時模擬技術

利用九自由度運動模擬器，太陽模擬器真實模擬飛行器的飛行環境。在飛行控制系統半物理仿真試驗中，通過接入交會對接敏感器、控制計算機和其他對象，獲得最大限度下的模擬真實情況下兩飛行器交會對接的運動數據，通過增加各類環境擾動和不同的對接初始條件，近似模擬實際的近距離交會對接過程。

2.2 試驗項目的自動切換技術

交會對接九自由度半物理仿真試驗系統可以進行RVD敏感器性能驗證試驗和自控交會對接試驗，不同的試驗項目中參試的設備不同，敏感器數據采集的方式也不同，各參試設備間的電纜連線數量和走向也不相同，為了最大限度實現試驗的自動化，需要對各個測試項目的設備連線進行全面整理，在隔離調理箱中做好各個測試項目的電纜連線切換方案。在控制指令計算機上選擇試驗方案，隔離調理箱將根據選擇的試驗項目，切換正確的電纜連線，從而減少人工干預，實現測試項目切換過程的自動化。

2.3 信息鏈的多路數據傳輸技術

試驗系統內數據通訊基本上分為2種形式：1)器上部件(如控制計算機、交會對接敏感器等)之間及控制計算機和各模擬器的通訊，這些完全按照實際情況實時進行；2)仿真設備之間數據通訊，這部分內容又分為2種：一種對實時性要求不高，應用了高速以太網完成數據通訊，如數據服務器給數據顯示站提供數據，遙測模擬器得到遙測數據送給服務器等；另一種對實時性要求高，應用反射內存高速實時網完成通訊，如仿真計算機分別和九自由度運動模擬器，仿真計算機分別和執行機構模擬器、敏感器模擬器通訊。

圖1 九自由度仿真系統組成結構圖

2.4 轉臺控制技術

依據兩飛行器軌道和姿態動力學的解算數據，計算目標轉臺和追蹤轉臺各自的絕對控制量，控制兩轉臺的運動，實時模擬兩飛行器在軌近距離交會的過程，轉臺控制的具體設計如下：

通過標定數據可以得到目標航天器動力學坐標系與六軸轉臺控制坐標系之間的方向余弦陣C1和位置關系A1，通過動力學計算可以得到目標航天器動力學坐標系與追蹤航天器動力學坐標系之間的方向余弦陣C2和位置關系A2，考慮到在最后的逼近階段，兩飛行器之間只有較小的姿態偏差，假設目標器不動，由此可以得到：

(1)

A20=A1+C1A2

(2)

由式(1)和(2)可得到六軸轉臺的6個絕對控制量。

2.5 基于光纖網絡的長線傳輸技術

交會對接敏感器等設備安裝在轉臺之上，與CPCI設備大概有100m左右的距離，所以調理箱要通過一些必要的設備才能夠傳輸如此遠的距離。為了實現這個功能，設計了一種基于光纖網絡的長線傳輸方案，采用光端機將采集到的電信號耦合到光纖上實現遠距離傳輸(以下簡稱光纖網絡的長線傳輸方案)。

光纖網絡的長線傳輸方案的基本原理是將轉臺上的各類設備的電信號和地面上行的各種電信號先通過光電轉換將電信號耦合到光纖上，再在對應端用另一臺光端機進行光電轉換，變換為電信號，接入到調理箱或控制器。

九自由度試驗需要長線傳輸的信號主要包括RS-422的差分信號和集電極開路形式的遙控指令信號。光纖網絡的長線傳輸方案的技術關鍵是串/并轉換造成時間延時的問題。因為天上產品傳輸過來的信號是并行的，光纖傳輸要求信號必須是串行輸入的，所以必須要做并/串轉換。

圖2 光電轉換結構框圖

需要轉換的并行信號大概有以下特征：每根信號線的速率不超過500Kbit/s；每根信號線出現信號的時間是隨機的并且可能以很快的速度連續出現，也可能是間隔很長時間才能出現一次。光端機是模塊化的結構，每個模塊將32路電信號耦合到一根光纖上。假如每一個時鐘周期進行一次并/串轉換，32路信號的第1路和第32路信號之間就相差32個時鐘周期，假如時鐘是以1GHz的振蕩周期運行的話第1路信號與第32路信號之間時間上相差32ns。而TTL允許的最小延時是126ns。這與32ns相距甚遠，所以完全符合時序要求。

另外從通信原理的角度來講，每一路信號最高的數據速率為500Kbit/s，32路為一個單位，所以線路上需要傳輸的數據速率是500Kbit/s×32=1.6M/s，而時鐘周期是1GHz，所以光纖傳輸的數據量也是1Gbit/s，顯而易見光纖的數據容量遠遠大于實際的數據容量，所以通過提高傳輸速率的辦法完全可以解決并/串轉換造成的時間延遲問題。

綜上所述采用光纖網絡的長線傳輸方案優點很明顯：1)多模光纖傳輸的距離可以達到多模光纖傳輸的距離可以達到2km，長距離傳輸問題就迎刃而解了。2)每路光纖可以傳輸多路信號，所以轉臺上的設備與地面上的設備之間的連線就可以少很多，重量大大減輕，布線難度也大大降低。采用光電轉換和調理電路一體化的設計，安裝更簡潔方便，可維護性更強。3)因為所有設備產生的信號都是通過光電轉換才進入到地面安裝的設備上去的，所以使用了光電隔離方法，保證實驗設備出故障的時候，故障不會大面積擴散。

3 仿真驗證

為實現我國月球軌道的交會對接，根據月球軌道交會對接任務的特點，設計了月球軌道交會對接方案，研制了新型的交會對接光學成像敏感器。為了驗證方案的正確性，考核交會對接光學成像敏感器的性能，依據本文設計思路構建了月球軌道的九自由度半物理仿真系統，進行了相關的仿真驗證，圖3～6為一組典型的月球軌道近距離交會對接的仿真結果。

圖3 相對位置曲線

圖4 相對速度曲線

圖5 相對姿態角曲線

圖6 相對姿態角速度曲線

4 結論

空間交會對接技術是航天領域發展的必備技術，利用九自由度半物理仿真系統，使用先進的測試技術和設備，較為真實地模擬近距離交會對接的全過程，是驗證交會對接敏感器性能和交會對接控制算法和策略最為有效的方式。

本文提出了一種基于千兆光纖以太網絡的測試系統設計方法，在月球軌道器的交會對接控制分系統的仿真驗證中得到了實際應用，達到了很好的效果，從其關鍵技術的分析和實現中可以看出，具有一定的先進性和廣闊的應用前景。