一種基于約束規則的航天器全相位交會對接程序規劃方法

姜 萍，可榮碩，高宇輝，周心婷，王瑞瑋

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引言

航天器交會對接技術是航天工程中的一項關鍵技術［1-3］，中國載人航天工程空間站歷次交會對接過程采用確定相位的自主快速交會對接模式，通過對目標航天器軌道控制，滿足追蹤航天器交會對接初始相位條件。隨著交會對接技術的不斷成熟［4］，未來可能采用全相位自主交會對接模式［5-7］。在確定相位交會對接模式下，一般采用基于時序的飛行程序設計方法，對接相關飛控事件及程序安排在確定的時刻點和測控資源［8-11］，根據各類正常、應急對接分支［12］，需分別準備對應程序的“標稱計劃”配置。

對于全相位交會對接模式，受目標航天器軌道預報精度限制，預報時間越長，精度越低，對應的初始相位分支越多，由于對接圈次無法提前確定，如針對每個相位都設計獨立的計劃配置，則準備工作量巨大，且難以遍歷各種對接情況。基于自主規劃的程序設計方法［13-18］，能夠實現不依賴于測控資源的靈活規劃［19-20］。

本文對載人航天器交會對接相關事件進行梳理［21］，分析不同相位下事件的約束規則，建立飛控事件模型庫，設計基于約束規則的飛控事件規劃方法，實現任意交會對接模式、對接圈次及應急交會對接分支的飛行程序自動規劃。

1 全相位自主交會對接

1.1 全相位自主交會對接

交會對接包含遠距離自主導引段及近距離自主控制段［22］，以6.5 h 快速交會對接為例，遠距離自主導引段通過6 次調相及綜合修正控制，將追蹤航天器導引至遠程制導終端，該過程總時長為確定值。

全相位自主交會對接過程，保留快速自主交會對接過程的遠距離自主導引段及近距離自主控制段不變，在遠距離自主導引段調相及綜合修正控制前，增加大相位追及段，通過大相位追及過程，使兩目標相位角滿足快速交會對接調相與綜合修正段入口條件，自主交會對接過程階段如圖1 所示。

圖1 全相位自主交會對接相對距離Fig.1 Relative distance diagram of all-phase autonomous rendezvous and docking

該模式下，追蹤航天器發射時刻與目標航天器的相位角可以為0°～360°的任意值，因不同的相位角對應的大相位追及時間不確定，如采用在基于時序的程序設計方法進行程序指令規劃時，在大相位追及過程時間確定前，指令安排時間無法確定，設計方法不靈活。

1.2 交會對接相關飛控事件

航天器交會對接過程，需要充分考慮光照、能源、兩飛行器信息交互等約束條件，根據交會對接軌控策略、敏感器作用距離、控制精度、測控條件和飛行任務目標等要素進行指令計劃的編排。按照階段過程可分為目標航天器對接準備設置，追蹤航天器發射入軌、遠距離導引飛行、自主控制飛行、對接、組合體飛行。對各飛行階段的事件按照相關性及約束情況，拆分成相對獨立的飛控事件［23］。

2 約束規則設計

2.1 傳統基于時序的設計方法

傳統基于時序的設計方法如圖2 所示，需針對所有正常及應急交會對接分支，人為確定交會對接各特征點時刻，并安排指令執行時刻，使指令被動滿足約束條件，指令安排具有唯一性。該方法的優點是指令安排明確、狀態可控；但當交會對接模式發生變化或指令存在沖突時，需要重新選擇特征點或調整指令時間，程序適應性低。

圖2 基于時序的設計流程Fig.2 Timing-based design process

2.2 基于約束規則的規劃方法

基于約束規則的程序規劃方法，首先將指令安排與絕對時間解耦，設計適應所有分支的通用約束規則進行描述，形成飛控事件級的約束規則庫；并通過讀取星歷、距離、光照預報以及測控條件等已知信息，識別出事件安排的信息特征點；依據約束規則對飛控事件進行自動指令編排［24］。

針對全相位交會對接模式，對指令約束條件進行分析，整理約束規則，設計思路如圖3 所示。

圖3 全相位交會對接指令規則整理流程Fig.3 Processing flow of all-phase rendezvous and docking instruction rules

1）事件整理。將交會對接程序按照功能、相關性進行指令歸類劃分，相關功能或約束的指令歸為同一飛控事件內。

2）約束分析。針對每個飛控事件，分析其在各正常應急分支下涉及的約束類型，約束類型能夠覆蓋不同相位的事件安排需求，并確認通過已知信息，是否能夠自動提取約束特征點。

3）規則整理。將飛控事件對應的規則進行整理，形成約束規則庫，對每個交會對接目標維護一套規則配置庫。

3 規劃體系設計

3.1 規劃配置結構

采用基于約束規則的方式，通過一套規劃配置，實現全相位交會對接的程序規劃［25］，規劃配置結構如圖4 所示，配置分為計劃層、事件層、指令層，其中計劃層描述全相位交會對接過程的所有正常、應急分支，通過自動識別或人工方式進行分支狀態選擇，并傳遞給事件層；事件層包含全相位交會對接過程涉及的全部飛控事件，并描述事件的約束設計及優先級設計，每個飛控事件包含不同的指令或指令組，按照計劃層模式選擇結果及選擇對應的飛控事件，并調用指令層；指令層作為最小的程序單元，包含通用的指令或指令組，可根據飛控事件需求重復調用展開。

圖4 全相位自主交會對接飛控事件的規劃配置結構Fig.4 Planning configuration for flight control events by means of all-phase autonomous rendezvous and docking

3.2 規則類型及優先級

交會對接飛控事件的約束規則類型可以是特征點、基礎區間或者應用區間。

1）特征點。通過已知信息自動獲取的特征時間點a，例如變軌開機點。

2）基礎區間。由2 個特征點形成的區間，如測控跟蹤基礎區間，由跟蹤開始時刻a1、跟蹤結束時刻a2確定，表示為b1（a1，a2）。

3）應用區間。由多個點或區間通過多重規則確定的約束區間，可以表示為c1（b1，b2，a3）。

基于規則的約束方式，使某個飛控事件在約束規則條件內，可能存在多組解，而2 個飛控事件的約束區間也可能存在交集。采用約束規則的優先級實現沖突消解，以飛控事件E1、E2、E3、E4為例，事件約束規則描述方式分別為

其中，事件優先級為E1＞E3＞E2＞E4，事件安排及消解如圖5 所示，首先安排高優先級飛控事件E1，飛控事件E3有3 個滿足規則的約束區間，與事件E1沖突消解后安排在第2 個滿足區間b2，事件E2最低優先級，規則區間與事件E3存在交集，在事件E3執行后，在約束區間b1內順序安排。

圖5 飛控事件規劃Fig.5 Planning diagram for the flight control events

由于事件E4在該工況下沒有滿足約束規則，所以未進行安排。

3.3 飛控事件選擇

對于全相位交會對接過程，除變軌控制、對接狀態設置等必須安排的飛控事件外，還有些飛控事件僅在大相位工況下安排，或在應急工況安排，這些特定工況事件通過3 種方式實現：

1）約束規則

通過設計事件的約束規則，如能夠規劃出事件約束特征點或區間，則安排事件，以事件E4為例，其約束區間為b4(a4in，a4out1)，其事件安排原則如下：

式中：T為事件持續時間。

2）狀態傳遞

對飛控事件增加狀態標識I，表示為I（S1，S2，S3，…，Sn）。其中Sn為全局信息元素，可以是在軌航天器實施遙測，或上一次規劃結果，并存儲在全局信息字段，在本次規劃時，如飛控事件對應的狀態標識結果為有效，則安排該飛控事件，全相位對接所有分支均安排的事件狀態標識默認為有效。

3）手動選擇

在規劃配置計劃層增加分支選項，并定義該分支下包含的飛控事件，這種方法主要針對無法通過狀態獲取，或約束規則代價高的特殊飛控事件，為簡化事件配置規則的編寫，通過人工定義的方式，提高配置可靠性。

4 結果驗證

選取正常快速自主快速交會對接、含大相位的正常自主快速交會對接及應急對接3 個分支，對典型飛控事件進行測試，測試條件見表1。其中測控資源用An表示。

表1 全相位交會對接測試條件Tab.1 Conditions of all-phase rendezvous and docking tests

事件規劃結果見表2，測試情況如下：

表2 全相位交會對接測試結果Tab.2 Results of all-phase rendezvous and docking tests

1）快速自主交會對接與大相位自主交會對接相比，“大相位機動控制”“在軌測試”事件能夠按照分支模式進行選擇輸出；“程序注入”及“調相機動控制2”能夠自動分配測控資源。

2）快速自主交會對接和應急推遲對接采用相同的預報及測控條件，“應急對接設置”通過手動選擇進行安排，“對接狀態設置”事件按照應急分支整體向后推遲。規劃結果與預期一致。

5 結束語

本文介紹了一種基于約束規則的全相位交會對接規劃設計方法，用一套規劃配置實現全相位交會對接各類正常、應急過程的程序生成，該方法的核心是飛控事件約束的分析，配置設計綜合考慮規則設計復雜性代價，對于少數特殊事件采用人工定義的方式，提高配置可靠性。相比于基于時序的設計方法，配置的適應性更強，程序生成效率更高，為后續交會對接過程規劃設計提供參考。