一种小型便携式人控交会对接在轨训练系统

技术领域

本发明涉及一种小型便携式人控交会对接在轨训练系统，适用于具有人控交会对接功能的航天器型号任务，支持航天员长期在轨进行训练，也可用于地面的快速训练和仿真验证。

背景技术

航天员通过地面训练能够具备可靠、稳定的人控交会对接及撤离的操作能力，但随着航天员在轨飞行时间的增加，其遗忘效应不可避免，需要对航天员适时开展在轨训练。传统的交会对接训练系统一般属于大型训练系统，场所固定，限定在特定环境中进行交会对接训练，且需要配备相应硬件产品，组成半物理试验平台，只具备对航天员在地面固定地点的交会对接培训。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服上行货物重量约束、在轨部署环境约束、操作空间有限、失重环境操作等困难，应用在轨空间站舱内环境的已知有限条件，解决了人控交会对接的在轨训练问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种小型便携式人控交会对接在轨训练系统，包括姿态控制手柄、平移控制手柄、手柄安装支架、计算机、手柄采集盒、交会对接在轨训练软件模块；

姿态控制手柄、平移控制手柄为真实产品，通过手柄安装支架固定；

手柄采集盒为姿态控制手柄、平移控制手柄提供电源，并采集两个手柄的输出电压，输出给计算机；

交会对接在轨训练软件模块存储在计算机内，用以完成训练场景配置、训练过程控制、手柄指令发送、遥操作摄像机图像模拟、仪表参数显示、动力学模拟、姿态轨道模拟、数据传输与交换、训练过程数据视频记录及视频回放。

优选的，手柄安装支架包括手柄支架和止转板；手柄支架为整体片状造型，外露边导圆，上端设有固定手柄的安装螺钉，下端设有安装到工作台面的外露螺钉和蝶形螺母；手柄支架底部设凸台并压铆螺钉，顶部预留手柄安装螺纹孔；止转板预留凹槽，与手柄支架配合；止转板为整体长方体造型，外露边导圆。

优选的，该在轨训练系统允许参训人员自行设置在轨训练初始条件，并可正常初始条件范围内随机设定；初始条件一般包含初始相对位置、相对速度、相对姿态。

优选的，为了适应方便训练的初始条件设置，对设置的初始条件进行解析和转换，处理为动力学模型和控制模型能够直接处理的输入条件。

优选的，交会对接在轨训练软件模块包括用户注册登录模块、训练场景配置模块、训练过程控制模块、手柄指令采集模块、动力学模块、仪表显示模块、数据记录及回放模块；

用户注册登录模块用于区分不同参训人员的训练记录，供其创建训练任务、训练专项科目、管理自己训练数据、回放自己训练数据、修改密码；

训练场景配置模块用于创建训练场景；

训练过程控制模块用于控制当前训练任务的运行状态、暂停状态和停止状态；

手柄指令采集模块用于将手柄采集盒反馈的手柄电压信号传输给动力学模块；

动力学模块，用于进行控制器仿真和动力学仿真，真实反应追踪器对手柄的响应、追踪器姿轨控分系统控制策略，以及真实反应航天器的运动学和动力学模型；

仪表显示模块，用于手控指令发送管理、姿态矢量图显示、遥操作摄像机图像显示；

数据记录及回放模块用于管理训练数据，训练数据可导出用于回放，训练软件也可直接进行回放。

优选的，训练场景配置模块根据难易程度设置不同的初始条件，包含相对位置、相对速度、相对姿态、延迟时间、光照条件，能够根据训练目的挑选和填加。

优选的，为了适应方便训练的初始条件设置，交会对接在轨训练软件模块能够对参训人员的初始条件设置进行解析和转换，处理为动力学模型和控制模型能够直接处理的输入条件；包括：

根据相对姿态，计算追踪器本体相对目标器本体的相对姿态转换阵；

根据目标器轨道六要素、目标器轨道系姿态，计算目标器的惯性系姿态和姿态矩阵；

将目标器轨道要素转化为惯性系位置和速度；

依据相对姿态、目标器的惯性系姿态和姿态矩阵，求得追踪器惯性系姿态；

依据相对姿态、对接口系相对距离、对接口系相对速度求解惯性系下的相对距离和相对速度；

依据目标器惯性位置、惯性系下的相对距离和相对速度，求解得出追踪器的惯性系位置速度；

依据追踪器的惯性系位置速度求解得出追踪器的轨道六要素；

依据追踪器的惯性系姿态矩阵，求解得出追踪器的轨道系姿态。

优选的，训练场景配置模块中，预设典型目标器构型，即后向、径向、四象限、二象限对接口按照目标器构型规律组合配置好了不同构型，供参训人员选取；参训人员还按照预定规则，为目标器每一个对接口设置停靠的航天器。

优选的，训练场景配置模块中，根据设置的目标器构型，动力学模块调取相应的目标器模型，同时输出给遥操作摄像机模拟器，配置遥操作摄像机图像匹配当前训练工况。

优选的，交会对接在轨训练软件模块设置了故障处置训练科目，使得故障能够被指定投入和随机投入功能，用以检测故障模式与处置对策的掌握能力。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)为应对交会对接航天员在轨训练保障需求，本发明提取了人控交会对接系统中的关键要素，并将其集成在控制回路中，组成一套可用于人控交会对接验证和训练的最小系统，直观、真实地实现了人控交会对接任务中航天员对姿态手柄、平移手柄的操控，并根据真实技术状态模拟了手控指令发送界面、视景图像、图形显示与参数信息。

(2)本发明系统硬件架构精炼，软件配置灵活，满足航天员训练起始点、难易程度不同等各种要求，充分提高了在轨训练系统的灵活性和简洁性，并最大程度保证了系统的完整性和训练的真实度。

(3)本发明系统开展了多次在轨训练试验，反应良好；对于其它人控交会对接型号任务，也可采用该训练系统进行人控交会对接在轨训练。

(4)本发明系统小型便携易安装，充分考虑了上行货物重量约束、在轨部署环境约束、操作空间有限、失重环境操作等特点，方便航天员便捷安装和拆卸，可应对在轨动态调整的训练计划，灵活实用。

(5)本发明系统训练效果完整真实，将航天员空间站舱内在轨判读的三个显示屏幕进行了整合，用一个界面集成，可根据训练需要单独最大化其中的某一个页面，在充分提高了在轨训练系统灵活性和简洁性的同时，也保证了参训人员判读的完整性和训练效果的真实度。

(6)本发明系统软件支持灵活扩展和升级，可扩展多种飞行器动力学模型，增加目标器和追踪器配置的灵活性和全面性，充分提高了系统的可扩展性。同时，软件具备在轨维护和升级能力，支持安装包快捷升级，方便操作。

(7)本发明系统融合度高，可以与舱内信息系统连接，可以方便实现上下行，便于数据传输到地面进行操作评价和数据记录；本系统可以与星上系统友好连接，可以直接连接星上配备的真实手柄，一方面可用于检验手柄的有效性，一方面本系统的手柄与星上手柄可互为备份。

(8)本发明系统应用场合广泛，除可有力支撑在轨训练外，考虑其小型便携的特点，可及时部署在地面飞控、地面验证等场合中，进行仿真训练或测试。同时，可推广扩展应用到其他具有人控交会对接功能的型号任务。

附图说明

图1为本发明系统组成原理示意图。

图2为人控交会对接在轨训练系统软件模块组成图。

图3为工作台面。

图4为止转板。

图5为手柄支架。

图6为手柄安装示意图。

图7为对接结果数据输出显示图。

图8为系统组成图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明针对人控交会对接系统的特点和功能需求进行分析，从人机交互功能出发，提取了人控交会对接系统中的关键要素，并将其集成在控制回路中，组成一套可用于人控交会对接验证和训练的最小系统，设计了交会对接在轨训练系统，包括姿态控制手柄、平移控制手柄、手柄安装支架、笔记本计算机、手柄采集盒以及交会对接在轨训练软件组成，如图8所示。

其中，在轨训练系统软件运行在笔记本计算机中，用以完成训练场景配置、训练过程控制、手柄指令发送、遥操作摄像机图像模拟、仪表参数显示、动力学模拟、姿态轨道模拟、数据传输与交换、训练过程数据视频记录及视频回放等功能。在轨训练系统软件通过笔记本计算机USB接口控制手柄采集卡，实现对姿态控制手柄和平移控制手柄数据采集；笔记本计算机USB接口向手柄采集盒输出电源，给姿态控制手柄和平移控制手柄供电。

人控交会对接在轨训练系统软件主要包括用户注册登录模块、训练场景配置模块、训练过程控制模块、手柄指令采集模块、动力学模拟、仪表显示模块、数据记录及回放模块等功能。

软件基于人控交会对接训练的目的，其交互界面、内部运算模型等，以尽可能接近真实人控交会对接状态为目标，进行软件各模块、功能的研制。

其中，手柄指令采集模块、动力学模块为后台运行模块，该部分依照追踪器对手柄的响应、追踪器姿轨控分系统控制策略，以及姿态轨道动力学进行编写与验证。

用户界面部分，其中仪表显示模块的指令发送管理、姿态矢量图显示、视景显示，依照人控交会对接交互界面要求，以及真实的人控交会对接交互界面进行设计、开发，尽量做到还原真实场景。

软件训练场景配置，需要同时具备以下两点：能够便捷使用，能够编辑各训练输入项，以这两点为目标设计训练场景配置模块。

软件以航天员为区分，管理训练数据，训练数据可导出用于回放。

实施例：

如图1所示，本发明提出的一种小型便携式人控交会对接在轨训练系统，包括姿态控制手柄、平移控制手柄、手柄安装支架、笔记本计算机、手柄采集盒以及交会对接在轨训练软件组成。

本文针对人控交会对接系统的特点和功能需求进行分析，从人机交互功能出发，提取了人控交会对接系统中的关键要素，并将其集成在控制回路中，组成一套可用于人控交会对接验证和训练的最小系统，设计了交会对接在轨训练系统。

其中硬件系统包括姿态控制手柄、平移控制手柄、手柄安装支架、笔记本计算机、手柄采集盒。

1)姿态控制手柄、平移控制手柄为真实产品，如图6所示，通过手柄安装支架固定。由手柄采集盒提供供电电压，同时，由手柄采集盒采集手柄的输出电压；手柄与真实产品接口相同，可在必要时作为真实产品备份件，与真实产品相替换；

2)手柄安装支架用于固定姿态控制手柄、平移控制手柄；

在轨训练系统作为需要上行的货物，需要尽可能减轻重量和体积，并可适应空间站在轨舱内已经具备的工作台面；同时，需要满足航天员工效学设计。

工作台面上只提供了两个安装通孔，如图3。在这种情况下，本发明提供了一种适用于该种类工作台面的手柄安装支架，并对支架进行了轻量化的设计。

具体设计：为减小支架装置体积，将支架装置拆分为“手柄支架”(图4)和“止转板”(图5)两部分。手柄支架为整体片状造型，外露边导圆，上端设计有固定手柄的安装螺钉，下端设计有安装到工作台面的外露螺钉和蝶形螺母。支架底部设计凸台并压铆螺钉，顶部预留手柄安装螺纹孔。止转板预留凹槽，与手柄支架配合。止转板为整体长方体造型，外露边导圆。失重环境下，为了避免多个螺钉飘散，让航天员更方便单手操作，螺钉在反方向安装，当安装手柄时，可以每次拆下一个螺钉，正方向安装后再取下其它螺钉，有效避免了零件的飘散。

安装方式：

止转板挂钩挂到台面内侧面，将安装孔对准工作台面通孔；

将手柄支架上的蝶形螺母卸下，手柄支架底部凸台装入止转板凹槽，

并穿过止转板和工作台面通孔；

从工作台面下方使用蝶形螺母将手柄支架固定在工作台面上，拧紧蝶形螺母，将手柄支架、止转板固定；

将手柄支架上两只固定螺钉依次拆下；

将手柄通过两只固定螺钉安装到手柄支架上。

3)手柄采集盒通过连接笔记本计算机USB接口输出电源，向姿态控制手柄和平移控制手柄供电，同时手柄采集盒采集手柄的输出电压，并通过连接笔记本计算机USB接口输入给人控交会对接在轨训练系统软件；

4)笔记本计算机用于运行在轨训练系统软件，并通过两个USB接口连接手柄采集盒，第一个USB接口用于提供向手柄采集盒输出电源，另一个USB接口用于接收手柄采集盒反馈的手柄电压。

其中，在轨训练系统软件运行在笔记本计算机中，用以完成训练场景配置、训练过程控制、手柄指令发送、遥操作摄像机图像模拟、仪表参数显示、动力学模拟、姿态轨道模拟、数据传输与交换、训练过程数据视频记录及视频回放等功能。在轨训练系统软件通过笔记本计算机USB接口控制手柄采集卡，实现对姿态控制手柄和平移控制手柄数据采集；笔记本计算机USB接口向手柄采集盒输出电源，给姿态控制手柄和平移控制手柄供电。

如图2所示，人控交会对接在轨训练系统软件基于人控交会对接训练的目的，其交互界面、内部运算模型等，以尽可能接近真实人控交会对接状态为目标，进行软件各模块、功能的研制。主要包括用户注册登录模块、训练场景配置模块、训练过程控制模块、手柄指令采集模块、动力学模块、仪表显示模块、数据记录及回放模块等功能。

1)用户注册登录模块：主要用于区分不同航天员的训练记录，供训练人员创建训练任务、训练专项科目、管理自己训练数据、回放自己训练数据、修改密码等操作；

2)训练场景配置模块：主要用于创建训练场景，例如两种训练科目，“遥操作对接训练专项”和“遥操作分离训练专项”，可以根据难易程度设置不同的初始条件，包含相对位置、相对速度、相对姿态、延迟时间、光照条件等不同选项，可根据训练目的挑选和填加。

遥操作交会对接训练一般以200米停泊点以内为起始点，支持航天员自行设置在轨训练初始条件，并可在正常初始条件范围内随机设定。初始条件一般包含目标器初始位置和速度、初始相对位置、相对速度、相对姿态等，这些已知条件可方便参训人员和教员的理解和评判。但是，对于追踪器动力学模型尚缺少直接的输入条件。因此，为了适应方便训练的初始条件的设置，需要对这些条件进行解析和转换，处理为追踪器动力学模型和控制模型可直接处理的输入条件。

初始条件：目标器轨道六要素；对接口系相对距离(dx,dy,dz)；对接口系相对速度(vx,vy,vz)；目标器轨道系姿态；追踪器与目标器的相对姿态；

1、依据目标器轨道系姿态、追踪器与目标器的相对姿态，计算追踪器本体相对目标器本体的相对姿态转换阵；

2、依据目标器轨道六要素、目标器轨道系姿态，计算目标器的惯性系姿态和姿态矩阵，包括Cbi，Cbo，Coi等；

3、将目标器轨道要素转化为惯性系位置和速度(xT,yT,zT)、(vxT,vyT,vzT)；

4、依据相对姿态、目标器的惯性系姿态和姿态矩阵，求得追踪器惯性系姿态；

5、依据相对姿态、对接口系相对距离(dx,dy,dz)；对接口系相对速度(vx,vy,vz)求解惯性系下的相对距离和相对速度；

6、依据目标器惯性位置、惯性系下的相对距离和相对速度，求解得出追踪器的惯性系位置速度；

7、依据追踪器的惯性系位置速度求解得出追踪器的轨道六要素；

8、依据追踪器的惯性系姿态矩阵，求解得出追踪器的轨道系姿态。

据此，由目标器信息和相对信息，转换得到了追踪器动力学模型的输入条件，具备了仿真计算条件。

与以往交会对接仿真系统只具备单一型号追踪器对接相比，本系统支持集成多种追踪器的对接功能，包括但不限于货运飞船、神舟飞船、空间站试验舱、光学舱等具备主动对接功能的航天器。在训练开始前，可以通过选择不同的航天器，软件自主切换和调取相应航天器的动力学模块和控制算法软件，以模拟不同航天器的动力学模型特性，让参训人员在熟悉操作流程的同时，掌握各种追踪器的操控特性。同时，系统支持在轨升级，针对后续可能补充的追踪器型号，可在不改变原有系统框架的条件下，增量式升级。

在初始化设置时，目标器的构型也不再单一，本系统支持对目标器构型的自定义。这样做的好处是：

模拟不同构型目标器时，遥操作摄像机输出图像有所不同，需要训练参训人员针对不同构型目标器的观察和适应能力。

模拟不同构型目标器时，追踪器发动机喷射，对目标器造成的羽流引起的姿态干扰有差异，需要训练参训人员针对不同构型目标器姿态干扰的操控和适应能力。

具体方式：

1、设置目标器构型：

两种设置方式：

1)软件预设典型目标器构型，即后向、径向、四象限、二象限对接口按照目标器构型规律组合配置好了不同构型，供参训人员选取；

2)通过软件界面依次对后向、径向、四象限、二象限对接口进行自定义型号，依据列表选择如下飞行器。

0：无飞行器，是来访飞行器可以选择的对接口

1：载人飞船

2：货运飞船

3：实验舱I

4：实验舱II

5：光学舱

选择过程中，软件需要屏蔽不可能出现的构型情况，如四象限不能出现载人船，因此在四象限对接口选择型号时，“1：载人飞船”不可以被选取。配置好各对接口飞行器后，将该配置传递给后台软件，软件进行插值匹配，得出当前目标器的构型。

2、根据设置的目标器构型，动力学模块调取相应的目标器模型，同时输出给遥操作摄像机模拟器，配置遥操作摄像机图像匹配当前训练工况。

3)训练过程控制模块用于控制当前训练任务的运行状态、暂停状态和停止状态。

4)手柄指令采集模块用于将手柄采集盒反馈的手柄电压信号传输给动力学模块。

5)动力学模块，该部分依照应用的航天器型号，用于进行控制器仿真和动力学仿真，真实反应追踪器对手柄的响应、追踪器姿轨控分系统控制策略，以及真实反应航天器的运动学和动力学模型进行编写与验证。

为提高参训人员应急与故障处置能力，本系统融合故障模式与处置对策预案，加入了航天员可感知、可参与、可处置的故障模式仿真，设计了故障的指定投入和随机投入功能，设置了故障处置训练科目。有效扩宽了故障训练的设置难度范围，从指定故障飞控演练，可逐步升级为随机故障演练，充分考察参训人员的应变能力，用以查缺补漏。

故障分类：

1、手柄故障：手柄指令发送异常；手柄无输出、手柄极性错误；

2、遥操作摄像机故障：无图像、调光故障、图像鬼影、出现光柱等；

3、系统控制故障：姿态震荡、平台失稳；

指定故障投入的实施方案：

1.在控制软件中针对故障预设固定分配好的故障ID号；

2.训练场景配置时，勾选“指定投入故障”模式；

3.训练场景配置时，设定投入故障的时刻，训练开始后系统累计训练的时间，判断是否达到故障投入时刻；

4.训练场景配置时，通过界面可见的故障名称选取相应故障；

5.通过软件后台将该故障的ID号传递给控制软件；

6.控制软件依据故障ID号，等待故障时刻到达后，执行相应故障现象模拟；

7.等待参训人员的故障处置。

随机故障投入的实施方案：

1.在控制软件中针对故障预设固定分配好的故障ID号；

2.训练场景配置时，勾选“随机投入故障”模式，控制软件随机配置投入故障的时刻；

3.训练过程中，到达程序随机配置的故障时刻后，控制软件在故障ID库内，随机挑选执行某一个故障现象的模拟仿真；

4.等待参训人员的故障处置。

对接过程和总结数据对参训人员的技术总结和提升尤为重要，为辅助评判训练效果，本系统针对对接过程和结果，设计对接成功与否的判断环节，在训练结束时输出显示对接训练总结数据，如图7所示。具体数据如下：

1、对接成功标志：

对接成功：达到接触轴向距离，接触时刻对接速度、横向距离满足对接初始条件；

对接失败：达到接触轴向距离，接触时刻对接速度、横向距离不满足对接初始条件；

2、对接精度指标：目标器对接口系下追踪器和目标器相对位置、相对速度，两器的相对姿态、相对姿态角速度；

3、遥操作总时长：若对接成功，总时长为人控允许指令发送时刻至对接接触时刻；若对接失败，总时长为人控允许指令发送时刻至轴向距离满足接触距离时刻；

4、燃料消耗量：人控允许指令发送时刻至给出对接结果时，发动机所消耗的燃料总重量；

同时，支持多次训练结果的比较，参训人员可通过训练结果的回查和对比总结遥操作教会对接经验，提升能力。

6)仪表显示模块用于手控指令发送管理、姿态矢量图显示、遥操作摄像机图像显示，在轨判读的三个显示屏幕进行了整合，用一个界面集成，可根据训练需要单独最大化其中的某一个页面，依照人控交会对接交互界面要求，以及真实的人控交会对接交互界面进行设计、开发，尽量做到还原真实场景。

7)数据记录及回放模块用于管理训练数据，训练数据可导出用于回放，训练软件也可直接进行回放。由于笔记本可与舱内信息系统相连，具备网络传输功能，数据和软件可方便进行上下行，下行后的数据也可由地面进行回放和评估。

人控交会对接在轨训练系统面向具备人控交会对接功能的型号，在硬件产品不变的情况下，可针对软件进行扩展升级，补充动力学模型，扩充航天器型号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。