一种大型载人航天器的情景照明系统设计

张天湘，李皖玲，程 钊

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094）

1 引言

舱内照明系统是空间站一个重要的子系统，良好的照明系统设计可提高“人-机-环”适应性，对空间站工程具有重要意义［1］。白光LED照明技术以其高效率、高可靠性用于对能耗和可靠性要求高的航天器照明系统（包括舱内照明系统）［1-2］。

目前国际空间站因设计建造时间早，采用以荧光灯为主的照明系统，我国目前中短期载人航天器，已经使用了LED照明系统［2-3］。然而，LED照明技术作为空间站舱内照明还存在一些急需解决的问题。其中较为突出的是，现阶段以LED技术为基础的航天照明系统主要以解决航天任务的基本工作照明需求为目的，并未从航天员长期在轨的生理和心理特征角度解决其人性化和个性化需求。航天员在空间站长期生活和工作，首先面临微重力和昼夜循环周期的改变，其次还有居住空间狭小、强制工作负荷、经常无独处空间、脱离家人和朋友等问题，这在生理和心理方面都给航天员带来了巨大的挑战［4］，也是载人航天长期驻留需要解决的问题。现阶段以任务功能为主的航天照明系统一般独立于飞行器的信息与控制系统，无法实现远程控制和调光，仅支持航天员手动开关和控制［3］，给航天员长期在轨工作增加了负担。并且这种照明系统不具备光色场景变化的功能，无法营造可变的、温馨舒适的氛围以降低和解决航天员在轨生理和心理问题。

鉴于此，本文对航天器通用照明任务需求和航天员长期在轨的情景照明需求进行分析对比，设计一种基于LED的情景照明系统方案，并构建出原型系统进行初步验证。

2 大型载人航天器照明需求

2.1 通用照明任务要求

参考国际空间站的要求［5-6］，空间站太空舱的照明必须满足所有太空活动包括人员和摄像机等的观察条件。这些条件主要包括粗视觉要求（大目标发现）到精细作业（医疗和维修）、区分颜色、阅读、观察精细仪表等功能要求。

参考国际空间站照明标准［5］及国际照明委员会关于室内工作场所照明标准，空间站舱内照明的指标主要应包括以下几个方面：照度水平、布局要求（均匀性、投光方向、眩光约束）、光色特性要求（色温和显色指数）、功耗和效率要求、照明系统的控制要求。

在这些指标中，照度水平、光源布局和光色特性指标对人体感官影响较大。其中，光源布局具有与具体舱内空间大小、形状和航天员工作姿态等结合紧密以及灯具安装位置固定的特性。照度水平和光色特性指标具有可控性强的特点，尤为重要。

1）照度水平

照明系统最重要的指标是照度水平要求，照度虽与照明的方式、舱内空间的大小形状以及被照表面的材料特性有一定关系［5］，但主要取决于总照明功率指标。根据国际空间站不同区域或任务照度水平要求，航天员在轨工作生活的照明需要满足工作、就餐、维修、阅读、夜间睡眠等任务，照度水平覆盖21 lx～538 lx［5］，因此要求舱内照明系统功率具有较大的动态调整范围。

2）色温和显色指数

色温主要指光源的表观颜色。色表的选择主要取决于需要营造的环境：一般的含红光成分较多的暖色低色温照明，更能营造轻松的气氛，适用于休息和生活娱乐场所；较高色温的可以缓解紧张、精神振奋等情绪，适用于工作照明［1］。

光源的一般显色指数Ra反映了光源的显色特性，Ra越小，颜色的显现质量越低，长期工作生活空间一般Ra要求不小于80［1］。

2.2 情景照明需求

航天器产品研制投入大、成本高，因此包括国际空间站在内的航天器照明系统主要采用统一色温、统一规格的照明产品［1，3］。 但是在空间站狭小的空间内，这种统一规格的照明产品难以理想地解决诸如就餐、工作、维修、阅读、锻炼等所有照明任务，需要一种多情景的照明系统来满足不同航天任务的动态照明功能需求。

另外，除了从航天任务功能角度考虑照明需求之外，还需要从人的生理和心理角度考虑照明需求。照明的光色和照度水平对人感受、认知、生理节律具有重要影响［7-9］，其中典型的地面昼夜节律对人体的影响如图1所示，可见人体褪黑素和皮质醇的分泌水平很大程度与光照有关［10］。

图1 正常昼夜节律影响［10］Fig．1 Normal circadian rhythm effects［10］

载人航天轨道约90 min／圈，舱内密闭环境昼夜节律被打乱，容易造成航天员生理性昼夜节律紊乱，降低工作效率，工作失误增多。若可在密闭空间站内通过照明环境光模拟昼夜节律变化，有助于改善航天员在空间站生理和心理状态，提高航天员在轨工效。因此根据不同的任务需求时刻动态调整适合的照明环境场景，对长期处于狭小幽闭环境中的航天员具有重要意义。

为了最大限度地提高航天员在轨舒适度和工效，满足所有功能任务的最佳照度和色温需求，根据照明的功能需求和航天员生理心理需求，考虑设计色温覆盖2700 K～6000 K范围的可变色温，调光性能覆盖0～100%调光照明系统，能够为航天员在不同任务功能和需求下提供最佳的照明环境。并使用移动互联技术替代原有机械按键开关和旋钮，通过智能终端调用本地照明场景模式配置项，可一键切换照明场景，方便航天员在轨使用。

3 LED情景照明系统

3.1 系统方案

本文提出的未来可用于空间站的情景照明系统结构方案，主要分为照明终端（含光源）、通信网络和控制终端三部分，如图2所示。其中照明控制器作为最基础的控制节点，负责区域内情景照明灯（包括主照明灯和生活氛围照明灯）的驱动和控制，各照明控制器具备0～100%调光、多路驱动调节色温和颜色变化的能力，无线通信接口用于与上位机通信进行数字调光控制。空间站各舱室舱内所有照明控制器通过无线通信系统（可采用WIFI网络）和无线网关接入飞行器总线系统，通过飞行器的总线连接站上和地面的控制终端，实现各终端照明状态信息的搜集和对终端控制。航天员可以通过终端进行照明系统的控制，控制的内容包括整个照明系统模式的选择、局部区域照明场景切换、场景模式设置等。另外通过天地网络，地面飞控管理人员也可以根据在轨任务安排进行照明场景模式设置等。

图2 空间站情景照明系统Fig．2 Scene illumination system in space station

3.2 典型照明场景模式设计

为了最大限度地提高航天员在轨生活工作的舒适度、降低航天员在幽闭空间的焦虑感，情景照明系统需要实现远程可控、灵活配置，还需要根据航天员在轨工作和生活具体状况设计相应的照明场景和模式。其中典型的情景模式如下：

1）模拟昼夜节律

参考地面北京时，进行昼夜环境模拟。典型地，早晨在北京时6：30开始缓慢增加照明系统亮度，同时增加照明系统中高色温分量，在8：00以后进入正常工作照明（中性白色温约4300 K），中午14：00左右达到工作照明状态的最高照度和色温水平，之后缓慢增加低色温分量，在22：30以后环境光渐渐调整至夜间休息模式，各照明灯具维持微弱的亮度。

2）工作照明模式

照度水平：工作区域不小于350 lx，临近区域不小于200 lx；

色温：4500 K。

3）精细操作模式

照度水平：工作区域不小于500 lx，临近区域不小于300 lx；

色温：5800 K。

4）就餐模式

照度水平：就餐区不小于300 lx；

色温：3000 K。

5）夜间睡眠模式

照度水平：整舱22 lx；

色温：2700 K。

以上是典型的照明场景模式，使用时可以根据航天员的具体需求，通过远程配置进行照明场景模式的设计和更新，甚至也可以由航天员根据自身需求自行设计照明场景模式。

3.3 光源及驱动

3.3.1 情景照明光源

实现色温可变的LED照明光源主要有LED直接混光和灯具间接混光两种方式［11-12］，其主要特点如下：

LED直接混光：将不同的LED集成为一个可调色温LED芯片的芯片级混光。常用的有RGB型和WRGB型两种LED芯片形式，WRGB型相比RGB增加了白光LED，通过电流控制不同颜色分量的比例混合出不同的色温、色度。这种通过RGB方式混合出的白光具备较高的显色指数［11］，并可以取得更多的色彩变化，非常适用于作为生活娱乐氛围照明，如图2中的生活氛围照明灯。但由于RGB三色混光效率低，不适合航天器的能源高效要求，因此不适宜作为航天器主照明系统。

灯具间接混光：采用低色温白光LED（例如2700 K）与高色温白光LED（例如6000 K）间隔排布，通过灯具二次光学系统设计进行均匀混光，并通过外部电流控制高低色温两种光源的分量比例实现色温的连续可调［13］。发光效率超过110 lm／W的低色温（2700 K）和高色温（6000 K）白光LED显色性较好，显色指数Ra一般在82～85，可以作为空间站主照明光源使用，如图2中的主照明灯。

3.3.2 照明控制驱动

照明控制器作为情景照明光源的控制驱动模块，主要解决各路LED的驱动和调光控制，需要采用高质量的数控调光模块，满足0～100%稳定可调的恒流输出。另外，为方便照明控制器的部署和与上位机通信，一般采用WIFI无线通信接口［14］，用于接收上位机对所带负载的数字调光控制信号。

3.4 通信及应用软件框架

应用于空间站的情景照明系统通信应用模式不同于一般的点对点通信控制或者单服务器对多个终端控制的通信应用模式，其属于多终端、多用户控制的复杂应用模式。为了满足应用模式需求，需要进行针对性的设计。另外，站上的飞行器总线系统和天地网络作为专用网络可以通过协议转换完成，本文不进行针对性讨论。

3.4.1 照明控制器软件流程

1）照明控制器启动初始化后，首先申请加入指定的网络；

2）成功加入网络后，监听用于照明的通信端口；

3）根据端口接收的数据帧类型进行相应和回复，一般先收到查询帧，上报照明控制器存在的ID和状态，完成后继续监听端口，接收到命令帧后，根据命令内容执行对控制情景照明光源的控制和调节，执行完毕回复后继续监听端口。

控制器软件工作流程如图3所示。

图3 照明控制器软件工作流程Fig．3 Flowchart of illumination controller software

3.4.2 控制终端软件流程

1）控制终端运行照明软件后，进行软件初始化，首先在网络内广播查询网络内的照明控制器；

2）根据在线的各控制器反馈信息，显示各控制器状态信息；

3）在人机交互界面等待操作输入，根据操作类型，发送广播查询各照明控制器状态；发送命令帧控制照明控制器切换工作模式，由此控制照明场景。

控制终端软件工作流程如图4所示。

图4 控制终端软件工作流程Fig．4 Flowchart of control terminal software

3.5 测试验证

根据技术方案，我们设计定制了一批样品，开发了基于智能手机的安卓APP应用demo，并采用该情景照明系统与机械调光中性白光源照明系统在同一个密闭房间交替进行用户测试。选取16名性别和年龄分布接近航天员的健康受试者进行主观感受测试，年龄：30岁～45岁，男12名，女4名。受试者分别从照明光色满意度、灯光控制方式满意度、工作和休息等不同场景满意度，以及照明效果整体满意度进行了评估打分。结果显示，受试者均对利用手机等终端控制的情景照明系统表示出明显的喜好偏向。

受试者进一步对生活氛围照明选择个人喜好的光色场景，结果表明，不同的受试者对照明光色场景的偏好不同，这说明个体对照明的需求具有不一致性。而本系统可以随时调整光强和配色参数以满足使用者的个性化需求。

4 结论

根据航天器照明任务需求和航天员生理及心理需求，分别从系统方案、典型场景模式、光源及驱动、通信及应用软件框架等方面设计了空间站舱内的LED情景照明系统。该系统可覆盖2700 K～6000 K的可变色温，具有0～100%的调光性能，能够满足航天员在不同任务和场景下最佳的照明环境要求。之后构建出情景照明原型系统进行了验证，结果表明，该情景照明系统与机械调光的中性白照明系统相比，具有更高的满意度。预期该系统可以改善航天员在轨生理和心理状态，提高人员工效和系统工效。为了进一步地推进该系统的应用，我们后续应根据具体的舱内环境进行具体的照明场景设计和优化，并在可靠性和环境适应性方面做进一步的研究。

参考文献（References）

［1］ 陈亮，刘石神，童广辉，等，白光LED应用于空间站舱内照明的分析与探讨［J］.照明工程学报，2010，21（1）：26-30.Chen Liang， Liu Shishe，Tong Guanghui， et al.Analysis and discussion of using white LED in the interior lighting of space station［J］.China Illuminating Engineering Journal，2010，21（1）：26-30.（in Chinese）

［2］ 谢峰，郭卫国.长期在轨大型航天器中的绿色照明设计［J］.航天器环境工程，2011，28（6）：535-539.Xie Feng，Guo Weiguo.Design of green lighting in long-term large spacecraft［ J］.Spacecraft Environment Engineering，2011，28（6）：535-539.（in Chinese）

［3］ 郭卫国.航天器仪表与照明分系统设计和发展［J］.航天器环境工程，2011， 28（6）：529-534.Guo Weiguo.Design and development of instrumentation and lighting subsystem in spacecraft［J］.Spacecraft Environment Engineering， 2011，28（6）：529-534.（in Chinese）

［4］ Sandal G M，Leon G R，Palinkas L.Human challenges in polar and space environments［J］.Reviews in Environmental Science ＆ Bio／technology， 2006， 5（2-3）：281-296.

［5］ NASA-STD-3000.Man-systems Integration Standards［S］.NASA：1995.

［ 6 ］ NASA-STD-3001.Space Flight Human-System Standard［S］.NASA：2015.

［7］ 王茜.不同色温白光LED对人体昼夜节律的影响［J］.华中师范大学学报（自然科学版）， 2016，50（2）：258-261.Wang Qian.Effect of different color temperature white LED on circadian rhythm of human body［J］.Journal of Huazhong Normal University（Natural Sciences），2016，50（2）：258-261.（in Chinese）

［8］ 鲁玉红，王毓蓉，金尚忠，等.不同波长蓝光LED对人体光生物节律效应的影响［J］.发光学报，2013，34（8）：1061-1065.Lu Y H，Wang Y R，Jin S Z，et al.Influence of different wavelength blue LED on human optical biorhythm effect［J］.Chin.Lumin.，2013，34（8）：1061-1065.（in Chinese）

［9］ 饶丰，朱锡芳，徐安成，等.LED背光显示器对不同年龄人视网膜照度、节律效应和蓝光危害的影响［J］.光子学报，2015，43（4）：1-6.Rao F，Zhu X F，Xu A C，et al.Effect of retina illuminance，circadian rhythm and blue light hazard of LED backlight display the human of different ages［J］.Acta Photon.Sinica，2015，43（4）：1-6.（in Chinese）

［10］ 中国LED网.景观照明工程设计中的光环境与光文化分析［EB／OL］.LED inside.Light environment and light cultural analysis of landscape lighting engineering design［EB／OL］. （in Chinese）http：／／www.cnledw.com／tech／detail-48881.htm.

［11］ 邸元国，郑利红.白光LED照明色温调节方法的研究［J］.照明工程学报，2015（2）：60-62.Di Yuanguo，Zheng Lihong.The regulating method for color temperature of white LED system［J］.China Illuminating Engineering Journal，2015（2）：60-62.（in Chinese）

［12］ 殷录桥，杨卫桥，李抒智，等.基于三基色的动态色温白光发光二极管照明光源［J］.光学学报，2011，31（5）：222-228.Yin Luqiao，Yang Weiqiao，Li Shuzhi，et al.Dynamic color temperature of white light emitting diode illumination based on three color［J］.Acta Optica Sinica，2011.31（5）：222-228.（in Chinese）

［13］ 徐代升，陈晓，朱翔，等.基于冷暖白光LED的可调色温可调光照明光源［J］.光学学报，2014，34（1）：218-224.Xu Daisheng， Chen Xiao， Zhu Xiang， et al.Adjustable color temperature light source based on cool and warm white LED［J］.Acta Optica Sinica，2014，31（1）：218-224.（in Chinese）

［14］ 陈章进，张建峰，李翰超.基于ZigBee与WiFi的无线智能照明系统设计［J］.计算机测量与控制， 2016，24（2）：228-231.Chen Zhangjin，Zhang Jianfeng，Li Hanchao.Design of wireless lighting system based on ZigBee and WiFi［J］.Computer Measurement＆ Control， 2016，24（2）：228-231.（in Chinese）