第２期 ２０１３年４月 中ＩｉＩ鼋；纠譬研宪限学椒 Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ ＣＡＥＩＴ Ｖｏ１．８ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—５６９２．２０１３．０２．００２ 空间飞行器绕飞中控制系统的半实物 仿真研究 马卫华。悄 勇 （北京航天自动控制研究所，北京１０００３９） 摘要：为解决空间飞行器绕飞中控制系统的仿真问题，提出了一种基于ＲＴＸ实时操作系统的半 实物仿真平台，通过１５５３Ｂ和ＶＭＩＣ进行各设备的信息交互，使“虚拟环境”与“真实环境”有效地 结合，实现了在机械、电气、控制与软件等多学科交互作用下控制系统特性的仿真与验证。该仿真 平台在部分实物短缺情况下，可采用仿真机对这些实物进行功能和电气接口的模拟，提前进行控制 系统半实物仿真试验，具有良好的可扩展性，仿真验证的可信度和重复使用率，为在轨服务装备和 反卫星作战武器控制系统的仿真提供了一套非常实用的半实物仿真平台，并以美国轨道快车的试 验条件为输入信息，进行了实际控制系统的仿真验证。 关键词：空间飞行器；绕飞控制系统；半实物仿真；ＲＴＸ（Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ） 中图分类号：ｖ４４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－５６９２（２０１３）０２－１１９－（）６ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｈａｒｄｗａｒｅ－－ｉｎ－－ｔｈｅ－－Ｌｏｏｐ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｆｌｙ－Ａｒｏｕｎｄ ＭＡ Ｗｅｉ—ｈｕａ，ＨＥ Ｙｏｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ’Ｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｆｌｙ—ａｒｏｕｎｄ ｍｉｓｓｉｏｎ，ａ ｈａｒｄｗａｒｅ－ｉｎ—ｔｈｅ—ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ（ＲＴＸ）ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ １ ５５３ Ｂ ａｎｄ ＶＭＩＣ，ｗｈｉｃｈ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｏｍｂｉｎｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｈｅ“ｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ”ａｎｄ“ｒｅａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ”ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｈｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｗｏｒｋ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｅｖｅｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｅ ｏｆ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｂｓｅｎｃｅ，ｔｈｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｃａｎ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ－ｉｎ－ｔｈｅ—ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｓｉｍｕ－ ｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｅｘｔｅｎｄｉｂｉｌｉｔｙ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｈａｒｄｗａｒｅ—ｉｎ—ｔｈｅ—ｌｏｏｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔ— ｆｏｒｍ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｂｒｏａｄｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｏｒｂｉｔ ｓｅｒｖｉｃｅｓ ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａｎｔｉ—ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｗｅａｐｏｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｒｂｉｔａｌ ｅｘｐｒｅｓｓ ａｓ ｉｎｐｕｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ；ｆｌｙ－ａｒｏｕｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｈａｒｄｗａｒｅ—ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐ；ＲＴＸ（Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ） 收稿Ｅｔ期：２０１３－０３－２１ 修订日期：２０１３－０４－０２ １２２ Ｉ鼋雹；珂．鼍ｆ研宪藏哥瓤 ２０１３年第２期 飞轮动力学模型 ： … ㈩ 式中，Ｊｗ为飞轮的转动部分的转动惯性量； 为飞 轮的角动量；∞ 为飞轮的角速率； 为飞轮轴的驱 动合力矩。 飞轮轴的驱动合力矩的计算公式为 ＝ＫＭ Ｕｗ一 （２） 式中， 为飞轮的力矩电压系数；Ｕｗ为飞轮的控制 电压； 为飞轮的摩擦力矩。 飞轮的摩擦力矩的计算公式为 ＝ ￣／ｌ ｌ＋Ｃ ＋ｓｉｇｎ（∞ ） （３） 式中， 为气动阻力力矩系数；Ｃ 为飞轮的粘性摩 擦力矩系数； 为飞轮的动摩擦力矩；ｓｉｇｎ（ ）为 ∞ 的符号函数。 ２．２飞控计算机 飞控计算机是空间飞行器控制系统最主要的设 备，它用于采集光纤惯组和可见光相机的测量信息， 输出控制指令，控制飞行器按预定的任务进行在轨 作业。飞控计算机的硬件部分由ＣＰＵ、１ ５５３Ｂ和 ＤＩ／ＤＯ、继电器模块、电源模块及数据转换电路等组 成，各设备之间通过板间电连接器或线束相连实现 相互通讯。 飞控计算机在绕飞中的导航算法主要为扩展卡 尔曼滤波，其计算流程包含以下５步。 （１）真实值与估计值的偏差 的一步递推： （ ＋１／ｋ）＝ （ ＋１／ｋ）６Ｘ（ｋ／ｋ）； （２）协方差矩阵Ｐ（ｋ＋１／ｋ）计算：Ｐ（ｋ＋１／ｋ）＝ （ｋ＋１／ｋ）Ｐ（ｋ／ｋ） （ｋ＋１／ｋ）‘＋Ｑ（ｋ＋１）； （３）增益Ｋ（ｋ＋１）计算： （ｋ＋１）＝Ｐ（ｋ＋１／ｋ） 日 。（ｋ＋１）［日（ｋ＋１）尸（ｋ＋１／ｋ）日（ｋ＋１） ＋ Ｒ（ｋ）］～； （４） ＋１时刻 的估计值 Ｘ（Ｊｊ｝＋１）计算： ６Ｘ（ｋ＋１）＝ ｘ（ｋ＋１／ｋ）＋Ｋ（ｋ＋１）［Ｙ（ｋ＋１）一 （ （ ＋１／ｋ）， ）］； （５）协方差矩阵Ｐ更新：ｅ（ｋ＋１／ｋ＋１）＝［，一 ＋１）Ｈ（ｋ＋１）］Ｐ（ｋ＋ｌ／ｋ）踪。采用对飞控计算机绕飞中姿态跟目标指向的 制导方式，相对轨道制导采用Ｃ—Ｗ制导法，即通过 沿轨道坐标系的Ｚ向的冲量产生沿 向的轨道运 动，如图４所示。 ｉ ；—亡一 广～ Ｌ Ｉ ：；ｌ ＼ ：△ｚ＝一 Ｌ… 一 △ Ｘ ４＾Ｔ Ｉ — ～ 一Ｉ ＩｒＺ 图４径向冲量导致切向的轨道运动轨迹 所需的速度增量ｌ ＡＬ ｌ＝ｌ△ ｌ＝０．２５Ａｘｔｏ。 ∞为目标器轨道角速度。 空间飞行器质心轨道坐标系（简称轨道坐标 系）０。 。ＹｏＺ。原点为飞行器质心Ｏ。，Ｏ。Ｚ。轴从飞 行器质心指向地心，Ｏ。Ｘ。轴位于轨道平面内垂直于 Ｏ。 轴，并与飞行器飞行方向一致。Ｏ。Ｖｏ轴与 ０。Ｘ。轴和Ｏ。Ｚ。轴构成右手正交坐标系。 所选的ＰＤ控制律为 ＝ ６ ＋ ６ （４） 式中， 和 分别为比例和微分控制参数； 为空 间飞行器与目标星的位置／姿态偏差； 为 对时 间的一阶导数。 ２．３三轴转台 三轴转台是检测和评价光纤惯组的主要设备， 由机械台体和电气控制系统组成，有正弦摇摆、位置 跟踪和速率跟踪等多种运行模式。 三轴转台的主要特性包括：三轴的位置精度不 ２０１３年第２期 马卫华等：空间飞行器绕飞中控制系统的半实物仿真研究 １２３ 超过２角秒；位置重复性不超过１角秒；角位置分辨 率不大于０．０７５角秒；在内框、中框和外框频率不超 过１Ｏ Ｈｚ、９ Ｈｚ和９ Ｈｚ时，三轴的幅值偏差不大于 １１％；相位偏差不大于１１度；转台安装的方位对准 误差不大于１分，转台内框基准面与当地水平面的 误差不大于１分；内、中和外框的运动范围受限制。 ２．４目标模拟计算机 目标模拟计算机的功能主要是根据仿真机提供 的相对位姿信息生成可见光相机所观察到的图像， 即根据目标器的几何参数和来自仿真机的数据，建 立目标器的３Ｄ模型，再采用透视投影的方式，将可 见光相机所观察的图像显示到目标模拟计算机的屏 幕上。建模软件采用ＯｐｅｎＧＬ，透视投影函数为 Ｊ ｖｏｉｄ ｇｌｕＰｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ（ＧＬｄｏｕｂｌｅ ｆｏｖｙ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ ａｓ— ｐｅｃｔ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ ｚＮｅａｒ，ＧＬｄｏｕｂｌｅ ｚＦａｒ）。 这个函数创建了一个对称透视视景体，参数ｆ０． ｖｙ为指定视景体视野的角度，以度数为单位，ｌ，轴的 上下方向，ａｓｐｅｃｔ为指定 平面上视景体的宽高比， ｚＮｅａｒ和ｚＦａｒ为指定观察者到视景体的最近和最远 的裁剪面距离。 ２．５光纤惯组与可见光相机 光纤惯组的主要功能是用来测量飞行器的姿态 角速度和加速度，由光纤陀螺和加速度计组成。光 纤陀螺的接口是通过１５５３Ｂ总线直接与飞控计算 机相连。本系统选用的光纤陀螺指标主要为：测量 精度不低于０．０２。／ｓ，测量范围不小于２Ｏ。／ｓ，质量 不大于２．５ ｋｇ，最大功耗不超过１５ ｗ。加速度计的 测量原理将在后期研究中进行专门的研究。 为了能够更真实的模拟可见光相机的成像过 程，采用工业相机对目标模拟器进行拍摄，其指标如 下：成像范围１０～２００ １ＴＩ；视线角测量精度优于 ０．３。；ＣＣＤ像素数目１ ０２４×１ ０２４；视场角为２０。× ２０。；捕获时间不大于１０ Ｓ。 ３ 半实物仿真平台的仿真验证实例 ３．１仿真条件 轨道快车（ＯＥ，ｏｒｂｉｔａｌ ｅｘｐｒｅｓｓ）于１９９９年１１月 提出，由“太空自动化运输机器人”（ＡＳＴＲＯ）与“未 来星／货舱飞行器”（ＮｅｘｔＳａｔ／ＣＳＣ）组成，其在验证卫 星添加燃料、更换重要部件和其他紧急修理技术的 同时，展示了美国的太空掳星技术。轨道快车运行 在高度为４９２ ｋｍ、倾角为４６。的近地圆轨道上，其在 轨任务包括分离、远场交会、近场交会、接近操作、最 终接近、捕获和电池传送、可更换单元的移除与替换 及燃料传输等操作 。 选其接近操作中１２０ ｉｎ×６０ ｍ的椭圆绕飞条件 作为仿真输人信息，目标器运行轨道为近圆轨道。 这一阶段，轨道快车的绕飞时间约为０．２５个轨道 周期。 ３．２结果分析 按照前文给出的平台设计方案与输入信息，得 出如图５～图７所示的仿真结果。分析这３幅图可 得以下结论：所提的半实物仿真平台能够将仿真机、 目标模拟器和三轴转台模拟的虚拟环境与光纤惯 组、可见光相机和飞控计算机等飞行所需的实物有 效结合起来；飞行软件在绕飞模式下的算法是有效 的；半实物仿真平台的各种测量和执行部件的电气 与通信接口稳定、正常；信息管理合理。 进一步分析各图中的数据，可得绕飞周期约为 ０．２５个轨道周期，与轨道快车的绕飞周期相接近， 且绕飞段的运动轨迹也与轨道快车在轨试验的轨迹 相一致，这从另一方面考证了所提平台的可行性与 有效性。 一 Ｕ ．６０ ——————一 ４０ 一 — ．／ —２Ｏ ０ ，Ｏ ｎ １ ｝Ｏ １２０ ｌ０Ｏ ８０ ６Ｏ ４０ ２Ｏ （ １图５相对位置变化曲线 ｘ１０‘ ４ ｌ — ３ Ｉ ２ …‘１ ｌ…………一：； ■－．ｕ‘ ．．・Ｉ． 一一．且 ．． Ｌ．Ｕ－Ｌ 甘Ｏ ｒ ｌ一 ……１ １……’＇ ’ｒｒ ｌｒ 一 — 一 ．１ ．２ ．３ －４ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ １ ２００ ｌ ４００ ｔ 图６相对姿态变化曲线 ｛－ｓ Ｑｐ／０ １２４ 中Ｉ鼋鼋；珂譬ｑ雹豫学瓤 ２０１３年第２期 ５ １ １ ５Ｏ Ｏ ５ Ｏ １ ５ １ ｎ ２ ｊ ｊ｝ ＿●＿‘ ＿一 ｕ● Ｉｊｊ妊ｆ；ｔ ｒ ｊ止ｔ－一ｉ■ＬＪｋ． 一 。． 虹 氲一 ｋ 唧 ■ １呵 ｒ一 ！ ｒ。【砸ｌ蟹１‘ｒ‘ 孵 ｌ删’呵ｌｌ 唧 ●●●● Ｉ＾……～ｗｘＩ Ｉ—— Ｉ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ ｌ ２００ １ ４００ ｔ 图７相对姿态角速度变化曲线 ４ 结 语 为开展空间飞行器绕飞中的控制系统仿真试 验，提出了一种基于ＲＴＸ实时操作系统下的半实物 仿真平台。此平台以装有ＲＴＸ的仿真机为核心，配 有三轴转台和目标模拟计算机来模拟空间飞行器的 在轨运动，使用可见光相机和光纤惯组来获取相对 运动参数，通过飞控计算机来使飞行器按预定轨迹 运动。平台采用ＲＴＸ技术来解决实时性的问题，通 过１５５３Ｂ和ＶＭＩＣ进行各设备之间的信息交互，使 仿真机、目标模拟器和三轴转台模拟的虚拟环境与 光纤惯组、可见光相机和飞控计算机这些飞行所需 的实物有效结合起来，并实现了在机械、电气、控制 与软件等多学科交互作用下，对控制系统任务调度 的实时性、通信接口的正确性、信息管理的合理性以 及控制算法有效性的仿真与验证。最后，以美国轨 道快车绕飞的试验条件为输入信息，进行实际控制 系统的仿真验证，结果表明：在此仿真平台下绕飞的 关键参数仿真结果与美国轨道快车绕飞的试验数据 很相似。 所研究的仿真平台不但具有良好的可扩展性， 还能够提高仿真验证的可信度和重复使用率。通过 仿真机对实物（如光纤惯组和可见光相机）功能和 电气接口的模拟，可以在部分实物短缺情况下，提前 进行绕飞控制系统的半实物仿真试验，加快研制 进度。 参考文献： ［１］ＨＩＲＯＨＩＳＡ Ｋ．Ｆｌｙ—Ａｒｏｕｎｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ Ｅｘ— ａｃｔ Ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉ。ｎ ｗｉｔｈ Ａｄ印ｔｉｖｅ Ｌａｗ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｇｕｉｄ一 ａｎｃｅ，Ｃｏｎｔｒ０１，ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２００５，２８（１）：１６７．１６９． ［２］赵懿，杨新，林宝军．基于ＨＬＡ的卫星姿态控制系统数 学仿真［Ｊ］．计算机仿真，２００５，２２（６）：４６４９． ［３］刘良栋．卫星控制系统仿真技术［Ｍ］．北京：宇航出版 社，２００３． 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ｅｘｅｒｃｉｓｅｓ １，２ ａｎｄ ３［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００８，１３０：１ ６４９．１ ６６８． 作者简介 马卫华（１９７０一），男，山东人，硕 士，研究员，主要从事飞行控制系统研究 工作； Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｅｙｏｎｇ２００４＠１６３．ｃｏｍ 何 勇（１９８１一），男，江西人，工程师，主要研究方向为 导航、制导与姿控系统仿真。