空間站艙外設備視場動態仿真方法

趙 鑠，蘇 亮，刁常堃，周 強，王 昊

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

中國空間站是我國規模最龐大、系統最復雜的超大型航天器，不同構型的組合體需要通過多次組裝完成建造。空間站艙外配置有光學敏感器、測控天線、雷達、攝像機等設備，用于姿態測量、通信、測距、拍攝等，這些設備要求指定方向的一定角度范圍內視場不能有遮擋，否則會影響空間站的正常工作。為滿足我國空間站長期運行保障需求，必須根據其真實在軌狀態實時開展設備視場仿真分析。設備視場是天線波束、羽流、視場的統稱，檢查設備視場與航天器本體及其上其余設備之間相互關系的過程稱為視場分析[1]。

在航天器的構型與布局設計階段，一般采用設備視場遮擋靜態分析方法[2]，即根據三維設計軟件中的構型布局設計模型，手動設置活動部件的位置或者轉動角度，遮擋結果依靠設計師的觀察和測量，人工判斷視場范圍與設備的遮擋情況。這種方法主要有以下缺點：

1）分析準確性低。依靠設計師視覺判斷，得出設備的位置或轉動角度精度很低（角度約為5°，位置約為20 mm），造成數據的差錯率達到10%以上。

2）設計師手動調整設備布局位置，然后視覺分析判斷遮擋、干涉和碰撞，分析效率很低。以空間站方案階段的分析為例，12 種組合體構型、40 多個有視場分析需求的設備、3 個艙外大型運動設備，需要分析的次數為12×40×3，共計1440 個工況，需要3 個設計師耗時1 個月才能完成一次完整的分析。

綜上所述，對于視場、運動部件的分析特點，亟需新的方法與工具來滿足數據驅動、碰撞檢測、第一視角的功能，并且提高分析數據的準確性、精度與效率。

本文針對空間站艙外設備視場動態仿真分析需求，基于數字空間站孿生平臺[3-6]，采用虛擬現實技術，對艙外設備視場遮擋動態仿真方法進行研究：通過搭建整體輕量化可視模型，可視內容涵蓋太空環境、艙外運動部件和艙外敏感器（天線），在此基礎上加入視場遮擋、中繼星跟蹤等量化后處理功能和敏感器的有效視場分析功能，最終集成開發為一套通用的可視化仿真分析系統。本文研究旨在為空間站飛行任務規劃和飛行程序推演過程中的動態仿真驗證提供支持。

1 數字空間站動態視場仿真軟件功能設計

1.1 功能需求

數字空間站作為真實空間站的數字化映像，其整體架構是以基于功能模型的多學科仿真分析為核心，與產品信息查詢系統、三維場景構建與分析系統、基礎支撐環境等有機集成，為空間站飛控任務提供技術支撐。

動態視場仿真系統是依托數字空間站整體架構，在設備視場遮擋靜態分析方法（分析流程見圖1，典型分析結果見圖2）的基礎上，利用研制階段建立的全三維工程制造模型，采用數字化、智能化等手段，利用在軌及系統仿真數據，實現動態視場仿真分析。空間站艙外設備視場遮擋的動態仿真系統需要具備以下功能：

圖1 設備視場遮擋靜態分析流程Fig.1 Static analysis flow of equipment view-field occlusion

圖2 典型的視場遮擋靜態分析結果Fig.2 Typical static analysis result of view-field occlusion

1）空間站艙外維修過程中，需要對各個攝像機的視場情況進行詳細分析和確認，為出艙活動任務提供分析數據；

2）在航天員出艙過程中，需對航天員、機械臂對天線的視場遮擋情況進行分析，為飛控預案提供數據支持；

3）在空間站在軌組裝任務中，需對設備視場、機械臂運動包絡、艙外運動部件運動情況進行分析，為擴展構型提供數據支持。

1.2 軟件功能設計

數字空間站動態視場仿真軟件包括環境模型管理、設備模型處理、數據驅動管理、動態視場分析、分析結果后處理、分析結果管理共6 個功能模塊；在綜合考慮遮擋、陽光和艙外照明影響的基礎上，根據組合體飛行姿態角、太陽電池陣角度以及多項最短距離等各項數據指標，直接給出關鍵功能的實現情況。軟件功能分層描述見圖3。

圖3 動態視場仿真軟件功能分層描述Fig.3 Layered function description of dynamic view-field simulation software

1.2.1 環境模型管理

環境模型包括地球模型、月球模型、太陽模型、太空環境模型等內容。在上述模型的基礎上，建立航天器軌道及姿態信息坐標，模擬出航天器與中繼星等的相互位置關系。

1.2.2 設備模型處理

1）工程模型輕量化處理

根據Pro/E 導出的設備布局數據，快速生成視場仿真場景，保持與Pro/E 布局模型狀態一致。因受制于三維設計軟件整體格式，視場分析無法直接使用三維設計模型格式，所以基于虛擬現實平臺開發模型輕量化處理功能，快速導出艙體及設備的位置和位姿配置文件，再由視場仿真軟件讀取配置文件，并加載相應的模型，最終實現視場仿真模型的快速構建。該處理方式適用于空間站多種構型組合的復雜仿真環境。模型輕量化處理的重點是：輕量化模型有較小的模型面片數，無碎面，輕量化模型格式為fbx；在建模過程中，為了實現更好的效果，將點線面進行全方面的優化，無空點，無無效面，部分打組，部分形成整體，并根據材質類型進行著色的選擇和貼圖材質的再處理。工程模型輕量化處理流程見圖4。

圖4 模型輕量化處理流程Fig.4 Model lightweighting processing flow

2）運動參數定義和管理

該模塊的重點是：針對運動部件，定義其運動范圍及關節位置坐標系，為其數據驅動提供接口。例如建立機械臂各個節點坐標信息，軟件通過物理學與慣性學模擬出機械臂運動軌跡。

3）視場模型定義

該模塊將典型視場模型定義為俯仰/方位角描述的視場、全錐描述的視場和扇錐描述的視場3 類，其視場參數如圖5 所示。視場模型進行封口處理，椎體和柱體視場用多棱形式體現，兩側口用單面材質進行封裝[7]。

圖5 典型視場定義Fig.5 Typical view-field definitions

4）坐標系管理

為保證仿真分析模型與三維設計模型一致，并且實時反應布局的常態，視場分析軟件中按照設備安裝坐標系重構整個組合體的分析模型。通過三維設計軟件輸出當前組合體所有設備的布局坐標系信息，仿真分析軟件讀取坐標系信息，在軟件內部進行設備重新構建并統一管理，相關定義要與GB/T 42042—2022《空間站坐標系》中的定義一致。

1.2.3 數據驅動管理

數據源包括在軌遙測數據、系統仿真數據和地面測試艙測試數據三類接口。

以仿真數據為例，面向空間站組裝、建造及在軌運營任務階段關鍵飛行事件，采用數字空間站多學科仿真模型輸出的航天器的軌道、姿態、太陽電池陣以及機械臂等運動設備的動態仿真數據，通過建立運動設備數據驅動模塊驅動可視模型的運動部件，可實現機械臂運動過程的天線動態遮擋仿真、測繪覆蓋率計算模擬等。

1.2.4 動態視場分析

采用視場模型與不同設備碰撞檢測算法[8-11]實現視場的動態分析。建立標準視場模型與非標準視場模型的碰撞檢測包圍盒，構造BSP 樹層次結構，以凸多面體邊界碰撞算法為基礎，開放三維模型之間的碰撞，并完成碰撞數據的存儲與分析。基于虛擬現實平臺，實現視場與處于運動狀態的運動設備的碰撞檢測，視場通過中心軸旋轉、長度拉伸和半徑變大等方式得出結果數據。以機械臂為例具體說明：

1）利用射線碰撞檢測算法或者計算機圖形算法，計算各敏感器的視場遮擋區域；

2）實時檢測機械臂與設備視場的碰撞信息，獲得碰撞時機械臂的運動坐標，實現輔助規劃機械臂合理運動軌跡。

1.2.5 分析結果后處理

1）射線碰撞檢測算法

從視場主點發射碰撞檢測射線，按照各視場設備的要求配置檢測射線投射的密度和區域，記錄射線的方位角度及碰撞檢測結果，射線碰撞為真的區域即為視場遮擋區域。典型的錐形視場碰撞示例見圖6[8]。

圖6 視場碰撞檢測射線投射及碰撞示例Fig.6 Examples of ray projection and collision in view-field collision detection

圖7 寬窄波束中繼動態視場遮擋分析Fig.7 Dynamic view-field baffle analysis of wide and narrow beam relay

圖8 機械臂巡檢任務仿真結果Fig.8 Simulation results of robotic arm inspection

2）動態視場遮擋計算

若碰撞區域存在運動部件，則需要對運動部件的運動角度進行細分，針對不同運動角度，利用靜態視場遮擋計算方法分別計算并記錄。

1.2.6 分析結果管理

視場分析的結果為第一視角遮擋圖片、遮擋物的運動數據和視場的遮擋參數。分析結果以圖片及數據的方式進行批量自動分類存儲。分析結果可以動態視頻形式輸出，使觀看者能直觀地了解各個天線、敏感器視場在軌實時遮擋情況，同時支持自由回放、自定義時間段瀏覽整個流程。

2 軟件開發與應用

基于虛擬現實技術構建了空間站動態視場仿真系統，打通其與數字空間站多學科仿真系統、在軌遙測、地面測試艙之間的接口，可在仿真數據、在軌遙測數據、地面測試數據的驅動下開展全流程三維可視化、關鍵信息直觀構建。

基于虛擬現實軟件平臺開發了機械臂運動過程以及太陽電池陣轉動對GNC 敏感器和測控天線視場動態分析功能，可加載機械臂路徑規劃數據、太陽電池陣轉動數據及中繼天線轉角數據，并進行視場動態分析。視場仿真軟件中物體的運動（包括地球自轉、月球公轉、太陽電池板轉動、機械臂運動、中繼天線轉動）和攝像機拍攝角度調整等依靠外部數據驅動。創建了設備視場的第一視角圖像，使用計算機圖形算法對第一視角的圖像進行分析，給出遮擋計算結果。

2）以太陽電池陣辨識為例

太陽電池陣辨識期間，核心艙采用慣性偏航飛行姿態，太陽電池板固定伺服，機械臂爬行，并對載人飛船太陽電池陣進行拍照辨識。對任務期間機械臂、太陽電池板對中繼天線的遮擋情況進行分析（如圖9 所示），結果顯示：辨識期間中繼天線指向主要覆蓋大柱段方向，太陽電池板對中繼天線無遮擋；機械臂運動位于節點艙方向，對天線無遮擋。任務期間在軌遙測數據顯示前向鏈路信號質量穩定無衰減，仿真結果正確。

圖9 太陽電池陣辨識期間太陽電池陣、機械臂和中繼天線的主要姿態Fig.9 Main postures of solar wings, robotic arms and relay antennas during solar wing identification

3 飛控應用

在機械臂爬行、在軌辨識、機械臂巡檢和航天員出艙等任務前，基于動態路徑規劃數據對機械臂運動過程中中繼天線和敏感器的視場遮擋情況開展分析（如圖7 所示），為任務方案的制訂提供支持。

4 結束語

1）以機械臂巡檢為例

巡檢期間，核心艙為三軸對地偏航飛行姿態，太陽電池板固定伺服，機械臂爬行。對任務期間太陽電池板和機械臂對天線的遮擋情況進行仿真分析，結果見圖8。仿真結果顯示：機械臂巡檢期間太陽電池板對中繼天線無遮擋；機械臂運動位于對地側，對天線無遮擋。任務期間在軌遙測數據顯示前向鏈路信號質量穩定無衰減，仿真結果正確。

采用虛擬現實圖像引擎技術構建輕量化模型，可與多學科仿真系統聯合，具備全過程三維可視化、幾何干涉分析、天線及相機視場分析、相機第一視角仿真、航天員出艙可視化模擬等功能。

在空間站三維模型的基礎上開發了機械臂運動過程對GNC 敏感器、測控天線視場動態分析功能，可加載機械臂路徑規劃數據和中繼天線轉角數據，進行視場動態分析。相關分析功能可封裝成簡便易用的定制版桌面軟件，便于飛控應用。在空間站在軌飛行任務中，視場動態仿真方法已在制定機械臂爬行、巡檢任務和太陽電池陣在軌辨識飛行程序中得到應用，驗證了視場動態仿真方法可以有效支撐空間站在軌飛行任務。