货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统初步设计与仿真分析

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1、V01．19No．452载人航天MannedSpaceflight第19卷第4期2013年7月货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统初步设计与仿真分析周岳姣，蒋自成，周剑勇(国防科学技术大学航天科学与工程学院，长沙410073)摘要以无人货运飞船与空间站交会对接为背景，设计并构建了一套货运飞船遥操作交会对接仿真系统，用于模拟空间站内航天员遥操作货运飞船进行交会对接，重点是各种时延条件下的仿真试验及评估分析。试验结果表明：在所设定的时延范围内，燃料消耗和任务用时受到时延大小的影响，而对接成功率和安全率则不受影响，即在TV图像

2、和测量数据等辅助下，可完成航天员遥操作货运飞船与空间站的交会对接任务。关键词遥操作交会对接；仿真系统设计；时延；仿真试验中图分类号：V441．8V448．2V526文献标识码：A文章编号：1674—5825(2013)04—0052—061引言随着我国载人航天事业的不断发展，空间站工程已立项实施。在空间站的建造和运行期间，需要进行大量的无人航天器(如货运飞船、实验舱等)与空间站的交会对接活动。与空间站交会对接的无人航天器主要依靠自动控制系统实现交会对接，为避免自动控制系统故障而无法实现交会对接的情况，一般都在空间站上和

3、无人航天器上配备遥操作人控交会对接系统。对于遥操作交会对接系统，须开展大量的遥操作交会对接试验，以进行系统设计和操作方法的验证。若通过实际飞行试验进行研究，则所需经费太高、周期太长、可重用性不高。因此，建立货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统，进行数字仿真及仿真试验分析，对开展半实物仿真及地面试验具有一定的借鉴意义。遥操作交会对接是指操作人员在远端(或不在控制航天器环境内)通过遥操作方式操作追踪航天器，实现交会对接，国外有学者称之为交会对接的遥操作控制(TeleoperationContr01)t11。遥操作交会对接可分

4、为两种方式，一是空间站内航天员遥操作货运飞船进行交会对接，另一是地面操作人员遥操作货运飞船进行交会对接。本文主要针对前者进行研究，即在遥操作交会对接过程中，航天员主要利用TV摄像机反馈的图像及相对运动状态数据，判断两航天器的相对运动状态及距离，并通过遥操作方式控制货运飞船实现交会对接f21。货运飞船遥操作交会对接不同于载人飞船手控交会对接，后者是由载人飞船上的航天员通过手动交会对接系统，控制追踪航天器完成交会对接任务，而前者是空间站内的航天员遥操作货运飞船完成与其所在空间站的交会对接，控制所需要的反馈信息(如TV图像、

5、激光雷达测量信息等)均需通过空空通信链路进行编码传输，导致整个控制回路中存在时延，由此给空间站上的航天员对货运飞船实施准确控制带来困难[31。为研究时延对遥操作交会对接控制效果的影响，本文设计了货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统，并进行了仿真试验及结果分析。收稿日期：2013—02—17；修回日期：2013—06—28作者简介：周岳姣(1984一)男，硕士研究生，研究方向为软件工程及航天系统应用软件。E-mail：yuejiaozhou@163．corn。第4期周岳姣等：货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统初步设计与仿真

6、分析532遥操作交会对接原理3仿真系统设计遥操作交会对接系统由测量部件、控制部件以及执行部件组成，测量部件主要包括：TV摄像机、靶标、激光雷达、显示仪表等；控制部件有控制面板和控制手柄；执行部件是与自动控制系统共用的推进分系统。其中，TV摄像机和激光雷达安装在货运飞船上，靶标和激光雷达合作目标安装在空间站对接机构附近【4】。货运飞船将TV摄像机拍摄的从货运飞船上观察空间站和靶标的图像以及激光雷达的测量数据通过空空通信链路传输给空间站上的显示仪表，空间站内航天员根据仪表显示的Tv图像及相关测量信息判断飞船与空间站的相对位

7、置和姿态，操作平移控制手柄和姿态控制手柄，将由此产生的控制指令再传回货运飞船，货运飞船推进分系统接收控制指令并进行控制律计算，对相应发动机发送执行指令，控制相对位置和姿态直至两航天器成功对接。其基本原理如图1所示。审问站，-r，航天员，'■‘、操作人员3．1系统总体设计货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统主要分为：摄像机模拟显示子系统、综合仿真子系统以及试验支持子系统。摄像机模拟显示子系统实现三维场景模拟和显示；综合仿真子系统进行系统的综合仿真，包括CCD敏感器和激光雷达的测量仿真、货运飞船的运动状态仿真、空间站的运动状

8、态仿真以及控制手柄、控制面板的模拟；试验支持子系统主要为系统提供试验支持，包括仿真工况设置、仿真过程管理等。仿真系统的总体框架和信息流关系如图2所示。遥操作交会对接仿真时，首先由试验支持子系统进行整个系统的初始试验参数配置，然后进行实时仿真。综合仿真子系统通过采集控制手柄的输入信号来接收操作人员的手控指令，并进行时延的模货运飞船T