航天器飞行控制仿真与平行系统

2021-10-19袁利，程铭，王磊

宇航学报 2021年8期

袁利，程铭，王磊

(北京控制工程研究所，北京 100094)

0 引言

飞行控制是航天器全生命周期中的重要工作，是保证飞行任务顺利完成的关键环节。飞行控制过程要求做到策略验证充分、操作准确无误，故障措施应对及时[1]。为了达到这一要求，地面的飞行控制仿真与平行技术受到了各国航天部门的充分重视。仿真与平行系统是对真实在轨航天器的再现式模拟，具有相同的输入输出和运行逻辑，离线运行时可以用于训练飞控人员，并可以验证控制策略的正确性及响应；在线运行时，使用在轨航天器下行的真实遥测数据进行驱动，可实现平行仿真，用于与在轨航天器运行状态进行比较以判断其稳定性，并能预测安全性运行风险。飞行控制仿真与平行技术是确保航天器飞控无误、提供决策支持的核心基础。

欧美各国均重视航天器仿真与平行系统的研究和应用。欧空局(ESA)主导了SMP2航天仿真平台的研发工作，并成为了欧洲航天仿真界事实上的标准，包括EuroSim、SimSAT等在内的航天仿真软件，均采用SMP2标准[2]。丹麦TERMA公司为欧空局(ESA)研制了通用实时仿真系统SimSAT，能够用于卫星研制的地面验证、人员训练和飞控支持，应用于ExoMars2016、ENVISAT以及Huygens等项目；荷兰宇航局研制了可配置的仿真系统框架工具EuroSim Framework，可通过构建可配置的模拟器以实现数字仿真，广泛应用于ESA的卫星项目如GAIA、Galileo等。美国国家航空航天局(NASA)的约翰逊研究中心主导了Trick通用仿真环境的研制，并采用开源方式，已经应用在猎户座飞船、空间站机械臂等项目的飞控任务支持中[3]；而喷气推进实验室(JPL)则使用Dshell和Darts建立通用仿真环境，包含了通用挠性多体动力学计算库Darts和部件模型库，可以跨平台使用，已应用在Cassini、Galileo等型号上[4]。另外，美国Integral Systems公司开发的仿真支持系统EPOCH 2000配有趋势分析软件EPOCH ABE，可支持飞行任务测控操作；NASA将物理系统与等效虚拟系统相结合，研究了基于数字平行的复杂系统故障预测与消除方法，并应用在航天器、运载火箭等飞行系统的健康管理中。国外航天器飞行控制仿真系统也都并不是孤立存在，而是与设计、测试一体开发，一体应用。

20世纪90年代末期，随着载人航天与月球探测的全面实施，中国在基于飞行控制模拟器技术的基础上开始了航天器飞行控制仿真与平行系统的研制，近年来随着更多航天器型号投入使用，仿真平行系统逐渐成为一套以飞控事件的工作程序为核心，具备各层级仿真校验、事件评价、任务规划、故障诊断与预示，能够支持飞控决策的系统总称[5-7]。文献[2-4]给出了若干仿真方法或工具说明，文献[7-8]介绍了某型号专用飞控仿真与支持系统。中国飞控仿真与平行系统大致经历了三个发展阶段：第一阶段是面向测控的航天器飞行控制仿真及遥测数据监视，主要功能是对上行指令做出符合逻辑的“反映”并反馈在相应下行遥测数据中，用来验证测控上下行数据的正确性;第二阶段是面向全功能的型号专用飞行控制仿真与平行系统，以控制模拟器为核心，实现航天器控制系统具体功能性能的模拟，不仅可以验证上行指令，还可以实现飞控程序的演练以训练飞控队伍，决策与支持功能也逐渐系统化，形成了数据处理与存储、故障诊断与定位、性能评估与飞控决策支持几大功能模块;第三阶段是面向航天器平台的通用数字化飞控仿真与平行系统，以全数字化软件形态运行，与真实卫星的控制模式与参数保持一致，展示系统的工作情况[8]。

以空间站建设和深空探测为代表的一大批型号任务，其轨道和姿态机动复杂，各种对接与分离的组合工况多，同时要求高精度和高实时性，因此飞行风险相对高很多，必须根据航天器的实际运行状态，以地面仿真校验和在线平行预测的方式，确保关键飞控环节的准确实施。中国于2020年11月24日发射升空的嫦娥五号月球探测器是近期深空探测的代表型号，是探月工程“绕、落、回”三步走的收官阶段。其飞行过程主要包括地月转移、环月飞行、下降着陆、月面工作、起飞上升、交汇对接与样品转移、月地转移、再入回收几个阶段，其中下降着陆、起飞上升等飞行阶段由于具有过程不可逆特性，更加需要万无一失的飞控保障。为此研制队伍在探测器研制过程中同步策划研制了面向重大任务、具有通用化基础的航天器飞控仿真与平行系统并顺利投入使用。在嫦娥五号探测器飞控过程中成功实现了平行仿真、预示推演、决策支持等关键功能，为飞控工作的圆满成功打下了坚实的基础。本文第3节使用具体事例阐述了飞控仿真与平行系统在嫦娥五号探测器飞控工作中的具体应用情况。

目前，中国航天器飞控仿真与平行技术已经取得了长足进展，多个型号任务成功应用。本文面向航天器飞行控制仿真与平行技术需求，基于多个型号的飞控仿真与支持系统研制基础，总结提炼了航天器飞行控制仿真与平行技术定义和架构，展望了未来技术的发展，对该系统的推广应用及技术发展具有指导意义。

1 飞行控制仿真的需求分析与系统定义

航天器飞行控制工作的相关方是飞控操作人员和在轨真实运行的航天器，然而二者之间，隐含着操作人员对航天器设计状态的清晰掌握，因此在地面，需要有一个能够呈现航天器设计状态的模拟系统，即能够帮助训练操作人员熟悉航天器，又能代表航天器显示其运行状况。

航天器飞控仿真与平行系统是沟通人员操作、系统设计与实际系统运行之间的桥梁。其基本功能是用来验证航天器的飞行程序和地面测控方案以及训练操作人员；随着空间任务复杂性的提升，操作人员往往会拓展仿真系统功能，兼容星地遥操作、天地大回路任务演练、故障模式推演等。此类仿真校验可以对航天器在轨情况进行深度研判、风险预示或为决策提供参考。平行技术则利用在轨实时数据的驱动，通过在轨航天器与仿真系统之间的平行交互，为重大飞控事件提供可靠的解决方案[9]。其本质就是把在轨航天器中“虚”和“软”的部分，通过可定量、可实施、可重复、可实时再现的仿真，帮助解决在轨航天器的稳定性判断并预示运行风险[10]。

飞控仿真与平行系统的任务及应用需求体现在图1中的三个方面[11-13]：

1)演练。演练的对象包括飞控人员、测控用设备、飞行程序。和在轨航天器相比，除了上下行数据的地址不同以外，飞控仿真系统完全取代了在轨航天器，能够用于检验测控用设备的功能性能、飞控人员的熟练程度以及飞行程序与故障预案的正确性。

2)验证。真实飞控时，预计的飞控策略可以在飞控仿真系统上验证其正确性，并进行系统推演，确认无误后，再行操作在轨航天器。

3)预示。将在轨航天器的下行遥测接入飞控仿真系统并驱动其与在轨航天器平行运行，可以通过平行系统的运行状况进行安全性风险预示，以提供决策支持。

图1 飞控仿真与平行系统的任务应用需求Fig.1 Application requirements offlight control simulation and parallel systems

2 航天器飞控仿真与平行系统架构

航天器飞控仿真与平行系统架构分为两个主要的组成部分：前端提供仿真与平行运行的仿真与验证系统、后端提供综合处理的决策与支持系统。两个系统间通过网络总线连接并交换数据，组成一个平行工作的整体系统。飞控仿真与平行系统对外通过网络接口与地面测控系统连接，可拓展外接口包括与协同设计平台、集成测试平台、AIT测试中心、航天器数据管理中心等外接口。

2.1 仿真与验证系统

仿真与验证系统负责提供仿真与验证结果，为决策提供数据依据，是飞控仿真与平行系统的核心与基础。实现形式包括：数字仿真校验子系统、软件实物仿真校验子系统、物理仿真校验子系统，分别面向算法、软件和系统级仿真环境，每种实现形式可独立完成仿真校验功能，也可以平行同步仿真校验并对仿真校验结果进行比对。实际部署时可根据需要在3种形式中选择1种或多种进行部署。

1)数字仿真校验子系统。采用全数字环境，在全数字环境中嵌入器上软件中的控制算法，实现与器上软件方案部分逻辑一致。通过软件实现航天器姿态与轨道动力学、制导、导航与控制分系统及有关部件的模拟，完成上下行遥控遥测通道的交互，通过对外部接口的事件级模拟实现外部事件驱动，可以对探测器真实飞行状态或者假想飞行状态进行数学仿真，对探测器的姿态、所受空间环境干扰、控制方式和结果加以模拟，达到预示和事后分析的目的。数字仿真校验子系统具有加速与跳时仿真功能，以及控制系统性能打靶仿真校验功能，故障模拟简单灵活，具有高阶摄动力动力学模型，可以实现高精度姿态与轨道耦合动力学仿真，能够驱动三维显示软件。

2)软件实物仿真校验子系统。采用真实的航天器控制计算机以及相应的操作系统、软件产品，通过软件实现航天器姿态与轨道动力学、制导、导航与控制分系统及有关部件的模拟。与数字仿真校验子系统不同的是，软件实物仿真校验子系统敏感器、执行机构的接口仿真采用硬件的方式实现，用以和航天器控制计算机接口匹配。通过器上与地面的信号特定接口关系，建立动态闭环的仿真环境，检验或评估航天器工作状态和结果。软件实物仿真校验子系统主要针对控制软件，子系统具备与航天器控制计算机一致的硬软件环境，运行状态与航天器飞行状态在时序、指令链方面完全一致，同时可以完整仿真航天器在轨维护功能。

图2 航天器飞控仿真与平行系统组成及信息流图Fig.2 Composition and information flow diagram ofspacecraft flight control simulation and parallel systems

3)物理仿真校验子系统。采用实物或半实物的试验环境，控制系统各部件(含软件)采用真实的器上产品。敏感器输入采用数字信号激励或环境模拟器模拟，执行机构的执行结果由地面检测接口发送至动力学、外部环境仿真模块。星体动力学由地面计算机进行仿真计算，由敏感器信号激励反馈或由转台等运动模拟器、实物环境模拟，形成闭环实时系统。物理仿真校验子系统主要针对控制系统运行实施半实物、实物仿真，系统运行状态与航天器飞行状态在时序、指令链和部件协调性等方面完全一致，可以全方位、1∶1地模拟器上状态。由于采用真实部件，可以完整验证控制系统各部件之间及控制系统与其它分系统之间的接口匹配、信息传输正确性。动力学、运动学、航天器外部环境具备故障设置接口，可对存在随机噪声、常值偏差、恒值等故障情况进行仿真校验。

2.2 决策与支持系统

决策与支持系统负责综合处理在轨航天器的遥测数据、指令计划、定轨结果等数据，在仿真与验证系统提供的仿真与验证结果基础上，结合航天器地面测试数据，经过故障诊断、性能评估过程，综合给出供飞行控制人员参考的规范数字化的决策支持结果。包含三个组成模块，数据处理与存储模块、故障诊断与定位模块和评估与决策支持模块，分别完成数据处理与存储功能、故障诊断与定位功能和评估与决策支持功能，三个模块功能相对独立，根据需要可运行在不同的硬件平台上，也可以集成运行在同一硬件平台上。

1)数据处理与存储模块。包括外部数据复接处理、数据显示、数据存储、数据查询与回放四个部分。数据复接处理作为模块的数据中转中枢，具有数据订阅、接收和分发功能，可以同时接收并处理多个数据源的数据，数据的解析协议可以进行定制化配置。数据显示完成数据与操作记录的监视，包括数据的表格化、曲线化监视、图像数据监视或三维动态监视等，显示内容可以定制并支持显示结果自主规范化。数据存储和数据查询配合完成验证结果、在轨数据、操作记录、图像、文件等数据源码、解析结果的存储和查询功能，数据采用冗余存储方式确保存储的可靠性。可以根据数据查询结果进行数据回放，支持加、减速数据回放。

2)故障诊断与定位模块。核心是故障诊断与定位软件，用于对航天器在轨异常数据进行故障诊断与定位，根据系统的冗余模式给出部组件重构建议。模块预先存储了系统、部件故障树，并支持故障树的维护与自定义，可根据遥测数据与飞控指令快速匹配故障树分支，完成故障的在线定位[14-15]。故障诊断、定位结果自主生成故障诊断报告，报告格式可由用户预先设定。

3)评估与决策支持模块。核心是一套系统评估与支持软件，用于对航天器在轨关键动作与过程进行评估，特别是对完成各项任务的分系统、部件状态进行评估，结合故障诊断与定位模块给出的诊断、定位结果与系统重构建议，给出后续飞行控制的支持内容[16-17]。模块可以对航天器在轨遥测、数传数据进行统计分析，包括单个数据的数值分析、多数据关联性分析、数据的边界、趋势统计等。评估与决策支持结果自主生成评估与决策支持报告，报告格式可由用户预先设定，并可将决策支持结果自主生成上行指令、注入序列。

3 航天器飞控仿真与平行系统在嫦娥五号的典型应用

2020年12月17日，嫦娥五号探测器成功完成了中国首次地外天体样品采样返回任务。嫦娥五号探测器采用了本文提出的面向全功能的飞控仿真与平行系统，完成了如下重要飞行控制工作：

1)对两次环月轨道变轨和动力下降、起飞上升、四次远程导引变轨等重大飞控事件的事前仿真校验。正确地预示了在轨飞行过程中将会发生的现象和结果。

2)轨控、着陆和起飞上升策略的复核和复算。保证了轨道控制精准，着陆、起飞过程正确。

3)飞控实施指令和参数的检验。保证了飞控实施零差错。

4)在轨测试阶段平行飞行。为长期稳定运行提供了仿真校验基础。

以动力下降和起飞上升过程为例说明如下:

1)着陆过程的平行仿真。2020年12月1日，嫦娥五号着陆上升组合体成功完成月面软着陆。飞控仿真与平行系统对整个动力下降过程进行了平行仿真。其中转惯性调姿时间、转着陆准备时间、主发动机点火时间3个关键时间点的仿真结果与实际飞行结果对比情况见表1。

表1 动力下降姿态建立过程的仿真与飞行情况的对比结果Table 1 Compare results of simulation and flight situation of power drop attitude establishment process

可以看到，仿真结果很好的反映了关键飞行事件的时间点，误差不大于1 s。

2)上升过程的预示推演。2020年12月3日，嫦娥五号上升器从月面起飞，准确进入目标环月轨道。仿真平行系统对起飞上升的控制策略和飞行参数进行了全面仿真，部分典型参数的仿真结果与实际飞行结果对比情况如图3所示。

从对比情况可以看出，仿真结果真实反映了探测器实际飞行状态，控制策略和飞行参数得到了很好的验证。

3)上升策略的决策支持。由于燃料总量限制，上升器必须零起飞窗口上升。因此控制参数和策略的验证至关重要。在月面起飞前，根据定姿结果给出了两组起飞关键参数，修正起飞时刻上升器机械系相对起飞点的滚动、俯仰、偏航角。利用飞控仿真与支持系统对两组数据进行了仿真校验，得到在不同起飞姿态条件下，上升器入轨后预报近月点高度和相对月面速度。通过对两组起飞参数的仿真结果分析，选择第二组参数作为最终的起飞参数。

上升器入轨后2 h，根据地面精密定轨结果，满足入轨指标要求。

4 航天器飞控仿真与平行技术的未来发展

近年来大量型号应用航天器飞控仿真与平行技术，同时航天器飞控仿真与平行系统的应用场景也在不断扩大，随着建模技术、人工智能、计算能力等基础技术的不断发展，未来航天器飞控仿真与平行技术的发展呈现数字化和一体化的趋势。

1)数字化。面向航天器的集成多物理、多尺度、概率模拟的数学模型是仿真再现的基础，对航天器物理系统的准确建模可以将之转化到信息空间，以构建通过软件实现的全数字航天器。基于多学科数字模型的航天器飞控仿真与平行技术将会以便捷、灵活、低成本的优势渗入到未来宇航系统制造与应用的每一个环节。

2)一体化。飞控仿真系统的设计是依从于航天器的设计状态，而航天器的设计相对独立。在平行运行时，是以在轨航天器为主，仿真系统为辅。未来航天器与地面仿真系统将会是天地一体化的设计，即通过航天器与平行系统的紧密交互,自主对之间的行为进行对比和分析,完成对各自未来的状况的“借鉴”和“预估”，相应地调节各自的管理与控制方式。飞控用户专注于使用决策，不再区分地面数字系统和在轨物理系统。

未来的航天器飞控仿真与平行系统不仅仅是用于飞控的决策支持，而且能够灵活方便的应用于航天器设计、生产、集成、测试、运行等全生命周期的各个环节，与航天器一体化设计，平行运行。