手控交会对接靶标的光照遮挡仿真与预报

徐晓静，晁建刚，2，赵再骞

手控交会对接靶标的光照遮挡仿真与预报

徐晓静1，晁建刚1，2，赵再骞1

（1.中国航天员科研训练中心，北京100094；2.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094）

针对我国交会对接过程中出现目标靶标被遮挡的现象，研究手控对接过程中靶标被遮挡的可能性，并仿真了遮挡过程。首先分析了目标飞行器前锥面和飞船自身以及帆板在交会对接中形成遮挡的特点，基于空间三维矢量投射原理，建立了各部分对靶标底盘产生遮挡的投影模型和遮挡模型，基于交会对接运动规律以及太阳矢量，计算获取了遮挡方位以及遮挡时间，并通过三维图形实时渲染和轨迹变化曲线图再现了遮挡过程，直观易懂。经与神八、神九交会对接光照遮挡比对，验证了方法的正确性及有效性。该方法已成功应用于地面支持任务中。

手控交会对接；靶标；遮挡；预报

Abstract：The phenomenon of target obscuring during the rendezvous and docking（RVD） of Shenzhou has occurred.The possibility of target obscuring during manual RVD was studied and the process of target obscuring was simulated in this study.Firstly，the characteristics of target obscuring formed during RVD by the front-conical-surface，the spaceship and the solar arrays were analyzed.Then the projection model and the obscuring model of each part related to the emerging of target obscuring were established.Based on the spatial three-dimensional vector transmission principle and the motional rules of the RVD，the obscuring directions and times were calculated and obtained.In addition，the process of target obscuring was duplicated by 3D real-time graphics rendering and the curve of trajectory transformation.The results were intuitive and easy to understand.The correctness and effectiveness of the method were verified by comparing the simulation results with the obscuring in Shenzhou 8 and Shenzhou 9 RVD tasks.The method has been successfully applied to the ground support missions.

Key words：manual rendezvous and docking（RVD）； target； obscuring； prediction

1 引言

交会对接技术是组建我国空间站必须掌握的关键技术之一，空间站建成后，将会执行不同方向的多次交会对接任务。交会对接的成败直接影响组合体任务，而影响航天员手控交会对接成败的客观因素有多种，如飞船装配的精确度、羽流干扰，电视摄像机的光干扰，图像被遮挡等。在神八自控交会对接时出现了目标靶标被遮挡的现象，如图1所示，如果出现在航天员手控交会对接过程中，对航天员心理是极大的挑战，尤其是出现在对接的最后几米，直接影响交会对接精度，甚至任务成败。

图1 靶标被遮挡的电视图像截图Fig.1 TV print screen of the target obscured

如果能对这种遮挡现象提前预报，并给出明确的遮挡程度及遮挡现象持续时间的长短，就可以提供给地面决策者使之做出相应的交会对接调整方案，并让航天员提前有个心理准备，根据最新方案进行对接。为能提前预报手控交会对接过程中光照对靶标的影响，本文根据空间运动规律，建立一种空间投射模型，预报交会对接中的遮挡问题，为航天员交会对接提供地面支持。

2 原理分析

2.1 遮挡源分析

我国手控交会对接使用的视觉设备主要是电视摄像机，其原理是通过光学系统将靶标及飞船成像在光学焦平面上。空间目标在轨飞行时，摄像机接收到的辐射主要来自太阳辐射、其他天体辐射及地球反射光。在阳照区，其他辐射源在空间目标上产生的亮度非常小，尤其是目标对接面的光学特性的主要辐射源是太阳辐射，照度最大可达126 990 Lux，阴影区最小不足1 Lux。电视摄像机具备自动调光功能，调光原理是基于整个视场内平均灰度为调光门限［1］。当太阳位于飞船的前方时，从后方照射目标飞行器，目标对接前端完全处于阴影部分，如果亮度不够，电视摄像机可以提高亮度，靶标会变清晰，不存在靶标被遮挡影响人控交会对接的问题。当太阳位于飞船的后方时，如果靶标被遮挡，而其它部分被太阳直射，光亮较强，电视摄像机甚至会进一步降低整个视场内的灰度，靶标就会进入盲区，无法识别，就算转入手动调光，增加灰度，也是增加整个视场内的灰度，整个视场就会出现饱和，还是影响靶标的识别［2］。

对航天员瞄准的靶标产生影响的遮挡主要是目标飞行器本身和飞船本身的阴影遮挡了靶标底盘，经几何分析，主要可以分为三部分：目标飞行器自身前锥面、飞船船体和飞船帆板三大部分。遮挡简化示意图如图2所示，分别示意了三部分的影子遮挡靶标的状态。

图2 靶标底盘被遮挡示意图Fig.2 Schematic diagram of target chassis obscured

2.2 环境影响分析

手控交会对接过程中，目标前锥面、飞船船体和飞船帆板对靶标的遮挡受多种因素的影响，主要影响因素如下：

1）轨道的影响。不同的轨道和太阳的相对位置不同，而且不同的转手控交会对接时间直接决定了太阳对靶标的照射，首先要考虑转手控交会对接时的轨道参数。

2）手控的过程。两个飞行器相对状态的变化过程，不但有位置姿态的变化，还有相对距离、相对速度的变化，也直接影响遮挡过程。

3）帆板的影响。帆板的转角有对日定向模式、垂直／水平归零模式、停控模式，因此投影模型要考虑帆板转角的变化过程。

本文将从目标前锥面、飞船船体和飞船帆板三部分的几何模型出发，考虑轨道的变化、手控过程中相对速度的变化以及帆板转角的变化，建立三部分对靶标底盘的遮挡模型，再现遮挡过程。

3 遮挡算法

3.1 坐标系定义

1）目标飞行器本体系o-xyz

原点为目标质心；x轴指向对接机构对接环中心；z轴指向I象限；y轴和x、z轴形成右手系。

2）靶标底盘坐标系O-XYZ

将目标本体系原点沿x轴平移到靶标底盘所在的平面，即：原点为对接环在靶标底盘所在平面的垂直投影的中心；X轴指向对接机构对接环中心，Z轴指向I象限；Y轴和X、Z轴形成右手系。

3）飞船帆板坐标系o′-x′y′z′

o’原点为两帆板连线的中心点，即在飞船中心轴上，y′轴为帆板的旋转中心轴，x′轴垂直帆板平面，当帆板跟踪太阳时，和太阳光矢量方向一致，z′轴和x′轴、y′轴构成右手系。

三坐标系示意图如图3所示。

图3 坐标系定义图Fig.3 Definition of the coordinate system

3.2 模型主要参数

1）靶标底盘参数：底盘中心在靶标底盘坐标系的位置，靶标底盘的半径，刻度点的分布。2）追踪飞行器船体参数：各离散圆圆心位置和半径。3）目标飞行器前锥面参数：各离散圆圆心位置和半径。4）两飞行器的相对距离：手控对接过程中，距离随时间变化的函数。5）某一时刻目标飞行器轨道根数以及手控对接开始时间，用于递推手控对接过程中太阳光矢量。

3.3 投影模型

1）一个平行于投影面的圆经过平行投影，投影是半径不变的圆，如图4所示，只需计算圆心的坐标。圆心在靶标底盘坐标系的投影点坐标[0YZ]T可由该点在靶标底盘坐标系的位置[XYZ]T以及太阳光矢量 [XsYsZs]T计算得到，如公式（1）所示。

不考虑手控交会对接过程中姿态的偏差，追踪飞行器的船体以及目标飞行器的前锥面都可以离散为平行于靶标底盘的平面圆的集合，如图5和图6所示，计算每个平面圆圆心的投影即可［3］。

图4 点投影几何关系图Fig.4 Geometry relation of the obscuring of a dot

图5 飞船船体离散圆Fig.5 Circles of the body of spaceship dispersed

图6 目标前锥面离散圆Fig.6 Circles of the front conical surface of the target dispersed

2）帆板和靶标底盘不平行，先计算帆板在靶标底盘坐标系中的投影。帆板的状态包括对日定向和停控两种模式。

平行投影时，直线投影还是直线，所以左右帆板的投影都是平行四边形，如图7所示。帆板的投影主要是计算帆板四个顶点 [ 0y′z′]T的投影，首先绕其旋转轴旋转因太阳矢量引起的旋转角，这里的太阳光矢量，在跟踪太阳状态时，是当前时刻的太阳光矢量，如果停控，就是停控时刻的太阳光光量，统一记作 [XsYsZs]T；然后再加上帆板坐标系原点 [X00 0]T在靶标底盘坐标系的坐标，即转换到靶标底盘坐标系，具体计算如公式（2）所示。

图7 帆板投影几何关系图Fig.7 Geometry relation of the obscuring of the solar array

3.3 遮挡模型

如果逐一计算靶标底盘上的各点是否在投影范围内，计算量较大，因航天员主要参考靶标底盘上的刻度，所以可以只考虑靶标底盘圆周上的刻度点是否被遮挡即可，遮挡程度由“刻度点被遮挡的百分比”衡量。

1）离散圆遮挡分析

飞船船体和目标对接机构都转化为同心轴的离散圆，计算每个离散圆圆心到靶标底盘刻度点的距离，如图8所示，小于离散圆半径的，即为遮挡，已被遮挡的刻度点不用再遍历其它离散圆［4］。

2）平行四边形遮挡分析

两个帆板的投影是两个互不重叠的平行四边形，如图9所示，计算靶标底盘每个刻度点是否在两个帆板投影的平行四边形内部即可。

3.4 实时图形渲染

为了让飞控决策者更直观地提前掌握航天员手控对接过程中的光照条件，将仿真结果进行了图像化显示，包括三维视景图像和阴影变化轨迹图。如图10所示。

图8 离散圆遮挡靶标范围图Fig.8 Scope of the target obscured by the dispersed circle

图9 平行四边形遮挡靶标范围圆Fig.9 Scope of the target obscured by the quadrangle

图10 阴影轨迹图Fig.10 Track of the shadow

三维视景图像能再现手控交会对接过程中目标的整个光照过程，有遮挡时，会显示阴影变化过程及部分遮挡和完全遮挡的开始／结束时间［5-6］。

阴影变化轨迹图是三部分投影在靶标底盘坐标系YZ平面的投影轨迹图。若整个阴影都画出来，图片就会模糊不清，所以将投影的平面圆和四边形换算成了靶标的遮挡区域，如图10所示，区分完全遮挡（内圆内四边形区域）和部分遮挡（两圆／两四边形之间区域），平行圆圆心／帆板中心线在靶标底盘的投影轨迹（点线／直线）是否落在完全遮挡／部分遮挡区域可以表明靶标是否被完全遮挡／部分遮挡过程。图10示意了不同手控对接过程中出现的遮挡现象。

4 验证与应用

应用神舟八号交会对接的轨道参数和下传电视图像与本文的仿真进行了比对，帆板遮挡现象基本一致，完全遮挡和部分遮挡只有几秒的差别，证明了本文的仿真模型的正确性，同时间的比对截图如图11所示。第一副比对图显示了开始遮挡靶标的图像，第二副比对图显示了完全遮挡的图像，第三幅比对图显示的是遮挡消失时的图像。由同时间比对图可知，仿真模拟和实际下传图像基本一致，差别可能是位置偏差、姿态偏差等实际任务特性引起，但能满足预报遮挡、为航天员提供参考的需求。

图11 帆板遮挡靶标底盘比对图Fig.11 The target chassis obscured by the solar array at different times

在神舟九号和神舟十号飞控现场部署了本软件，并在手控对接前根据遥测轨道参数，成功预报了手控对接过程中的光照条件。神舟九号手控对接远距离时，会出现目标前锥面部分遮挡靶标底盘的现象，但距离较远，航天员主要以图像中整个飞船的图像为判断依据，不影响手控操作。神舟十号手控对接即将靠拢时会出现飞船船体部分遮挡靶标底盘的现象，经飞控决策不影响航天员对接。

经过实战应用，本文设计的仿真模型为航天员手控对接起到了辅助支持作用。

5 结论

本文基于神舟八号自动交会对接过程出现靶标被遮挡的现象，研究了手控对接过程中靶标底盘被遮挡，影响航天员手控操作的问题。从几何原理出发，分析了影响因素，分别建立了目标前锥面和飞船自身及帆板对靶标底盘产生遮挡的投影模型和遮挡模型，并通过三维视景图像和阴影变化轨迹图再现了遮挡过程，直观易懂。仿真结果和神舟八号、神舟九号下传电视图像进行了比对，验证了仿真预报的可行性。本软件已部署在飞行控制地面支持现场，并成功应用于神舟九号和神舟十号交会对接任务中。本方法也可应用于其它任务飞行器光照遮挡计算仿真与预报中。

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（责任编辑：康金兰）

Simulation and Prediction of Target Obscuring in Manual Rendezvous and Docking

XU Xiaojing1， CHAO Jiangang1，2， ZHAO Zaiqian1
（1.China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094， China； 2.National Key Laboratory of Human Factors Engineering of China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094， China）

V423.7

B

1674-5825（2017）05-0626-05

2016-08-15；

2017-07-25

总装试验技术（SYFD140031805）

徐晓静，女，硕士，助理研究员，研究方向为航天飞行训练模拟技术。E-mail：xuxiaojing007＠sohu.com