手控交会对接任务中显示—控制系统的工效学研究

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1、载人航天2011年第2期基础研手控交会对接任务中显示一控制系统的工效学研究王春慧蒋婷(中国航天员科研训练中心)摘要手控交会对接系统是一个典型的有人参与的人一显控系统，显示界面和控制系统的设计是保证航天员完成观察和操作任务的关键。针对显示界面、控制系统的工效学问题以及人一显控系统的评价指标和方法，借助半物理仿真的实验平台，开展了近3500人次的手控交会对接操作试验，试验结果为显示界面设计方案、控制系统参数范围和人一显控系统评价模型等工程设计和工效学评价提供参考。关键词分类号手控交会对接显示界面控制系统工效学V527文献标识码A文章编号1674—5825(2011)02—005

2、0_041引言继出舱活动任务之后，我国将突破交会对接技术作为载人航天二步一阶段的重点任务。交会对接技术是一项十分复杂、难度很高的航天技术，是完成其他后续航天任务的关键步骤和先决条件。根据航天员和飞船自控系统参与程度的不同，交会对接包括自动控制和手动控制两种。美国较多地应用手控方式，而俄罗斯则主要采用自控方式，但自控方式并不排斥手控方式，美、俄也在充分利用手控和自控相结合带来的好处，并且不断提高和改进手动控制系统，使之日臻完善。自20世纪60年代以来，美、俄主要航天大国已进行了200多次的空间交会对接活动，其中已应用手控交会对接技术完成了大量的空间站维修和组织、乘员的轮换、货

3、物的补给、卫星的捕获等一系列空间活动。在手控交会对接中，由于人具有观察、分析、判断、决策和处理能力，手控交会对接任务中，航天员能够对系统中出现的故障进行及时地判断和决策，从而有效地提高任务的成功率。但是，航天员在手控交会对接任务中的工作负荷和心理压力很大，首先，航天员在短时间内要对有限的观察视景和大量参数信息进行搜索和加工，从而判断两航天器的相对位置和速度；其次，航天员要同时控制飞船，将两航天器的相对位置及速度控制在要求的精度范围内，从而保障对接机构能够顺利捕获并完成对接；此外，还要受到任务实施时测控通信时间窗口和燃料消耗的约束条件限制。为了有效保障手控交会对接任务的成功率

4、，除了在选拔和训练中提高航天员的观察能力、情景意识、控制能力外，还应优化显示一控制系统人机界面设计，使之与航天员的能力相匹配，保证航天员高效、可靠地完成观察和操作。2手控交会对接工效学研究内容手控交会对接系统是一个典型的有人参与的人一显示—控制系统，如图l所示。手控交会对接过程来稿日期：20lo-lo-28；惨回日期：20ll—02一IO。作者简介：王春慧(1971．cr7一)．女，硬士，副研究员。主要从事航天工效学研究工作。50图l手控交会对接的人一显示一控制系统基础研究载人航天2011年第2期中，航天员在飞船中，通过观察显示界面中的各种参数和图像信息，来判断飞船和目标航

5、天器的相对位置和姿态关系，通过操作控制手柄来控制飞船的运动，从而实现两个航天器的交会和对接。人一显示一控制系统中，显示界面、控制系统与人的能力的匹配程度决定了系统的操作绩效。因此，需要针对手控交会对接任务中的显示一控制系统开展工效学实验研究，探索针对整个人控回路绩效评估的评价指标和方法。为手控交会对接任务中飞船的工程设计、程序安排、人员分工等方面提出工效学的设计要求，为显示一控制系统评价提供有效的指标系统和方法。2．1显示界面在手控交会对接高工作负荷的情况下，航天员要在极短的时间内，完成信息的搜索、判读、决策等一系列认知活动，因此，信息的显示内容、方式及布局等方面是否符合航

6、天员的认知习惯，直接影响到航天员判断和决策的正确性。(1)由于手控交会对接过程中，航天员需关注的信息量很大，必须对航天员所需的信息显示内容及重要等级进行了分析，以降低航天员的脑力负荷。(2)目标航天器靶标图像信息是航天员进行手控交会对接最主要的观察信息，需要对靶标图像(靶标在图像中呈现的尺寸、形状、颜色和标志点等信息)及标尺信息的可判读性开展相关研究。(3)除了图像信息外，航天员还需要观察大量的数值信息，例如时间、燃料消耗、位移及姿态、速度等。因此，需要对数值信息的显示方式、显示精度、页面布局等方面开展研究，以增强航天员的情景意识，降低工作负荷，缩短判断和决策的时间。2．2

7、控制系统手控交会对接过程中航天员通过操作手柄来控制飞船实现两个航天器的交会对接，航天员控制能力与飞船的控制特性的匹配性是决定航天员能否成功操控飞船完成交会对接任务的关键。(1)航天员与飞船的操控界面是控制手柄，需要针对手柄的极性、控制方式等方面开展研究，使控制手柄的特性与航天员的认知及操作习惯一致，从而保障航天员以最快的反应速度对航天器实施操控。(2)针对飞船的控制延时、姿态最大的控制量、自控转手控交会对接初始偏差的边界条件等方面开展研究，保证飞船的控制特性与航天员的控制能力相匹配，从而减少航天员的作业负荷。2．3