硬X射线调制望远镜卫星数字伴飞系统设计与应用

缪远明 赵辰 顾荃莹 罗荣蒸

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

随着航天技术不断进步,航天器在轨可操作性大幅提高,地面系统可对航天器运行提供更多的支持与服务,包括复杂任务规划、运行参数优化以及故障处理等。这些支持与服务都对地面仿真规划验证能力提出了新的需求,航天器仿真从传统的方案阶段活动逐步转变为航天器产品全周期的活动。国外已有多项用于航天器运行阶段的仿真规划工具,如用于深空网(DSN)天线控制规划的自主规划环境(Automated Scheduling and Planning Environment,ASPEN)系统[1]、用于机遇号和勇气号任务规划的混合主动行为规划器(Mixed Initiative Activity Plan Generator,MAPGEN)系统[2]和用于火星科学实验室(MSL)的EUROPA2任务规划系统[3]等。

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星是我国首个同时采用多种独特的惯性姿态控制模式,对遍布全天球的任意天体进行观测的天文卫星。其在轨运行姿态复杂,并具有多种姿态机动方案,各观测模式下卫星三轴指向、扫描策略以及模式切换时的姿态机动路径规划完全由星上控制系统根据观测目标位置及指定的观测时机,依照事先制定的约束要求在轨自主规划实现。此外,为了在卫星姿态不固定条件下满足载荷观测和数据传输要求,HXMT卫星还设计了我国首个双数传天线在轨自主管理方案,用于不同的姿态模式下过境期间当班数传天线通道的选择和开关控制管理。在如此高度自主的状态下,地面人员即使明确了卫星的观测目标,也难以对卫星状态给出精确描述。

此外,由于HXMT卫星的任务特点及各种全新的功能,以往以数据处理为主的飞控支持技术已经不能满足HXMT卫星飞控的需求。必须面向科学观测任务,根据飞行任务的需求和特点,结合卫星使用约束,按照有效预示动作效果、快速准确动作评估、及时故障诊断和有效在轨维护的要求,强化仿真和预估功能,研制功能全面、快速灵活、仿真精准、使用方便、可视化强的飞控支持系统。

为此,本文设计了HXMT卫星数字伴飞系统,具备与在轨卫星完全相同的运行与控制策略,通过“镜像”卫星在轨运行状态,结合数字模型可加速运行的特点,可实现对卫星在轨状态的评估、预估和优化等功能。该系统的建造进一步提高了整星的信息化和可视化程度,增强了总体对卫星在轨状态遥测数据利用和分析能力。

1 数字孪生概念

孪生体概念在工业领域的引入最早可追溯到美国航空航天局(NASA)的阿波罗项目[4]。在阿波罗项目中,NASA制造了两台完全相同的飞行器,留在地面的一台即称为“孪生体”。在任务准备阶段,孪生体可用于航天员训练;在飞行任务期间,孪生体被“镜像”为在轨状态,用于任务方案的高精度仿真。从该方面讲,凡是用于模拟真实环境下系统状态的样机或模型,都可以被称为“孪生体”。

2003年,Michael Grieves提出了数字孪生早期的一个定义,即物理产品的虚拟/数字等价物[5]。2011年,随着信息技术的发展,Micheal Grieves重新描述了数字孪生体的概念[6],它包含3个部分:物理空间的实体产品;虚拟空间的虚拟产品;虚拟产品和实体产品之间的数据和信息通道。

数字孪生首次进入公众的视野是在2012年NASA发布的“模型、仿真、信息技术和处理”路线图中。它被定义为:数字孪生体是一个使用精确物理模型的,用于“镜像”真实飞行全生命周期的多物理体、多尺度仿真[7]。

综合已有的数字孪生体定义和HXMT卫星应用情况,文献[8]对数字孪生体的定义为:数字孪生体是指物理实体的工作进展和工作状态在虚拟空间的全要素重建及数字化映射,是一个集成的多物理、多尺度、超写实、动态概率仿真模型,可用来模拟、监控、诊断、预测、控制物理实体在现实环境中的形成过程、状态和行为。

2 HXMT数字伴飞系统设计

HXMT卫星数字伴飞系统是航天器数字孪生体的一次初步尝试。在HXMT卫星中,建立了以“镜像”卫星控制系统为主要内涵的数字孪生伴飞系统。

2.1 系统功能

数字孪生伴飞系统借助数据模拟卫星实体在空间环境中的行为,通过虚实交互,利用在虚拟环境中运行的孪生体开展决策迭代优化,解决卫星实体策略制定、动作执行和状态评估等问题。HXMT卫星数字孪生伴飞系统主要功能如下。

1)辅助制定飞控策略

根据数字孪生体的运行状态,预示飞控策略实施的约束条件;根据载荷观测需求,在数字孪生体中制定并优化观测实施方案,给出包括测控支持、太阳矢量方位、地球遮挡情况、数传天线选择、观测时机、机动路径等信息。数字孪生伴飞系统可为飞控策略制定提供更为全面、有效的信息支持。

2)飞行事件评估与状态追溯

在飞控指令发出后,将卫星动作执行过程、执行结果情况与数字孪生伴飞系统数据进行对比。若飞行动作与期望不一致,可通过数字孪生体进行故障复现,用于发现和定位问题。

3)卫星调试与参数优化

卫星入轨后,通过测控信息获取卫星运行状态、辨识卫星关键动力学参数,同步地面数字孪生系统状态与星上一致后,通过地面孪生体进行卫星调试与参数优化,提升卫星性能指标。

2.2 系统组成

HXMT卫星数字孪生伴飞系统主要由3个子系统组成,分别是状态数据生成子系统、数据处理子系统和数据显示与动态视景仿真子系统。系统组成框图如图1所示。

图1 卫星数字孪生伴飞系统组成框图Fig.1 System composition of digital twin companion satellite system

2.3 子系统功能

1)状态数据生成子系统

状态数据生成子系统是数字孪生伴飞系统的核心部分。该子系统通过地面软件实现星上控制方案,并通过对外部接口的模拟实现外部事件驱动,对卫星的姿态、所受空间环境干扰、卫星设备故障、卫星控制方式及结果加以模拟,达到反映卫星真实卫星飞行状态的目的,实现复核地面用户观测计划、飞行策略和验证故障对策的功能。通过界面设置,实现卫星状态配置、指令上行注入、跳时、加速运行功能。生成数据包括遥测参数表中相关的变量以及重要的中间变量,其结果可以通过接口统一的数据显示平台进行曲线显示。

2)数据处理子系统

数据处理子系统由飞行数据处理模块、导出量计算模块和工作状态评估模块组成,能够对遥测数据进行处理、根据用户需求进行导出量计算。具体包括:姿态确定、敏感器可用性预报、喷气卸载产生的速度增量计算、星敏感器安装偏差标定、主要矢量方向和敏感器视场计算、姿态机动的路径优化、目标姿态计算、轨道阴影区计算、剩余推进剂估算、太阳帆板与太阳矢量夹角、成像敏感器图像评估等。

3)数据显示与动态视景仿真子系统

数据显示与动态视景仿真子系统用于数字孪生伴飞系统的数据与仿真显示,可同时支持数据、曲线以及动态视景仿真显示。卫星飞行状态等测试数据的动态显示视角可调,同时还支持星空、太阳、地球的动态变化、地球阴影的分布、坐标系相对关系及太阳矢量与卫星星体及帆板法线的夹角变化等数据的动态显示,有效提高数据的可读性。

3 HXMT数字孪生伴飞系统应用

3.1 卫星状态辅助判读

在传统卫星飞控工作中,飞控人员仅能通过遥测数据判断卫星状态。当卫星自主逻辑过于复杂时,地面人员将很难从历史上注指令确认卫星当前状态。HXMT卫星应用数字孪生伴飞系统后,飞控人员同步地对数字孪生体注入指令,可从数字孪生体中获取卫星更多的状态信息,避免频繁内存下卸确认卫星状态。

3.2 数传天线选取预测

非固定对地面是HXMT卫星的一大特点,也是数传任务的难点之一。为此,卫星采用了双数传天线设计,卫星在轨需根据对地面选择当班的数传天线。在数字孪生伴飞系统中同步卫星轨道参数后,注入计划的观测方案,加速运行到卫星过境时刻,获取卫星对地指向状态。

在HXMT飞控过程中,分别于入轨后第16～17圈、第27圈、第88～90圈、第100圈,采用数字孪生伴飞系统预测卫星过境对地指向状态从而选择数传天线;在第30圈、第43圈、第56圈、第61～62圈、第71圈、第120圈采用数字孪生伴飞系统辅助验证星上自主数传天线选择。飞行结果表明,采用数字孪生体进行的数传天线选择全部正确。

3.3 卫星动量轮控制参数优化

HXMT卫星在轨测试期间,根据卫星入轨后卫星遥测,在修正数字孪生体参数的基础上,进行了动量轮控制参数优化,将卫星定点观测模式的姿态稳定度大幅提高,如图2和图3所示。

图2 标称控制参数下的姿态滚转稳定度Fig.2 Attitude stability of roll under nominal control parameter

图3 控制参数优化后的姿态滚转稳定度Fig.3 Attitude stability of roll under optimized control parameters

由图2、图3可以看出,使用标称控制参数的卫星姿态稳定度(以滚转通道为例)约为0.01(°)/s,优化轮控参数后,姿态稳定度达到了约0.000 3(°)/s。

4 结束语

针对HXMT卫星特点,设计了HXMT卫星数字孪生伴飞系统。在HXMT卫星飞控过程中,数字孪生伴飞系统在卫星状态辅助判读、数传状态预测、控制参数优化等方面起到了重要作用。随着航天任务复杂程度提升,数字孪生伴飞系统在飞控中的重要程度将越来越高。在后续任务中,通过对数字孪生伴飞系统的更新和完善,进一步扩充孪生体的功能,可对航天器任务提供更加强有力的支持。

参考文献(References)

[1]Chien S,Jonsson A,Knight R,et al．Automated planning and scheduling for space mission operations[R]．Washington D．C．:NASA,2005

[2]Bresina J L,Jonsson A K,Morris P H,et al．Active planning for the Mars Exploration Rovers[C]//Workshop on Mixed-Initiative Planning and Scheduling,ICAPS05．Washington D．C．::AIAA,2005:40-49

[3]Bedrax Weiss Tania,Frank Jeremy,Jonsson Ari,et al．EUROPA2:plan database services for planning and scheduling applications[R]． Washington D．C．:NASA,2005

[4]Rosen R,Von Wichert G,Lo G,et al．About the importance of autonomy and digital twins for the future of manufacturing[J]．IFAC,2015,48(3):567-572

[5]Grieves M．Digital twin:manufacturing excellence through virtual factory replication[EB/OL]．[2016-12-20]．http://www．apriso．com/library/Whitepaper_Dr_Grieves_Digital Twin_Manufacturing Excellence．php

[6]Grieves M,Vickers J．Digital twin:mitigating unpredictable,undesirable emergent behavior in complex systems[M]//Berlin:Springer-Verlag,2017

[7]Glaeksgen E,Stargel D．The digital twin paradigm for future NASA and US Air Force vehicles[C]//Proceedings of the 53rd Structures,Structural Dynamics and Materials Conference．Washington D．C．:AIAA,2012:1-14