﻿ 基于有限状态机的交会对接飞行任务规划方法<sup>*</sup>
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RVD flight mission planning and scheduling method based on finite state machine
YANG Sheng, WANG Xinzhe, LI Meng
Beijing Space Technology Research and Test Center, Beijing 100094, China
Received: 2019-01-10; Accepted: 2019-04-05; Published online: 2019-05-08 09:25
Corresponding author. YANG Sheng, E-mail: buaa_ys@tom.com
Abstract: The flight mission planning and scheduling method based on finite state machine (FSM) was proposed for planning and scheduling the rendezvous and docking (RVD) flight mission of manned spacecraft rapidly and exactly under multi-constraints. The graphical mission planning and scheduling model was established by mapping the RVD process with FSM. The flight events were taken as states and the constraints, such as sunlight condition, telemetry tracking and command coverage, were taken as input signals of the FSM. The model was solved automatically by driving the state machine transit from the initial state to the last one according to the flight sequence. Take the manned RVD experiment in China's Shenzhou-10 mission as an example, the proposed method was verified. The mission planning and scheduling result was consistent with the on-orbit execution. It shows that the FSM based modeling method can realize the RVD flight mission planning and scheduling rapidly and exactly.
Keywords: rendezvous and docking (RVD)     mission planning and scheduling     finite state machine (FSM)     manned spacecraft     graphical modeling

1 交会对接飞行任务规划

 图 1 交会对接主要阶段 Fig. 1 Main phases of RVD

 图 2 交会对接飞行任务分析 Fig. 2 Analysis of RVD flight mission

2 基于有限状态机的规划方法

 图 3 基于有限状态机的交会对接飞行任务规划过程 Fig. 3 RVD flight mission planning and scheduling process based on FSM
2.1 有限状态机

Mealy型有限状态机是一个6元组，用M表示为

 (1)

 图 4 状态转移示意图 Fig. 4 Schematic of state transition

 (2)

1) δ1(sil1si+1)：当输入信号和飞行时间满足飞行事件的约束条件和飞行时序时(条件l1)，由现态转移至次态。

2) δ2(sil2si)：当输入信号满足飞行事件的约束条件，但飞行时间尚不满足飞行时序要求时(条件l2)，由现态转移至现态。

3) δ3(sil3sjj=0, 1, …, n)：当输入信号不满足飞行事件的约束条件时(条件l3)，由现态转移至初态(或某特定状态)。

2.2 映射关系建立

 模型参数 交会对接飞行过程 S={s0，s1，…，sn} 由交会对接飞行事件组成的状态集合, 其中，s0为飞行事件1，s1为飞行事件2，…，sn为飞行事件n+1 s0∈S 初始状态s0(飞行事件1) Σ={σ0，σ1，…，σn} 由轨道日照角、阳光抑制角、测控覆盖条件等组成的输入信号集合 Λ={λ0，λ1，…，λn} 输出信号集合 T 状态转移函数集合 G 输出函数集合

2.3 模型求解算法

1) 根据任务轨道计算轨道日照角β、阳光抑制角θ、测控覆盖条件tc，作为有限状态机的输入信号。

2) 以现态和输入信号作为状态转移函数的输入，根据状态转移函数进行状态转移。当状态从现态si转移至次态si+1时，记录转移至si+1的时间ti。返回步骤1)。

3 方法验证

3.1 任务分析

 飞行事件 飞行时序 约束条件 起始时间 持续时间 轨道日照角 阳光抑制角 测控覆盖 停靠 t0 分离 t1 T1 β≤min{β1，β2} tc≥T1 撤离 t2 T2 β≤min {β1，β2} θ≥max{θ1，θ2，…，θn} tc≥T2 停泊 t3 T3 β≤min {β1，β2} 接近 t4 T4 β≤min {β1，β2} θ≥max{θ1，θ2，…，θn} tc≥T4 对接 t5 T5 β≤min {β1，β2} tc≥T5 停靠 t6

3.2 模型实现

 图 5 手控交会对接任务规划模型 Fig. 5 Mission planning and scheduling model of manned RVD
3.3 模型求解及规划结果对比

 图 6 手控交会对接试验飞行任务规划结果 Fig. 6 Flight mission planning and scheduling results of manned RVD experiment

 飞行事件 起始时间 本文规划结果 神舟十号在轨执行结果 撤离 08:24 08:26 接近 10:05 10:07

4 结论

1) 在分析载人航天器交会对接飞行任务规划的多约束、多变量、非线性特性的基础上，利用飞行过程与有限状态机的映射关系，建立了直观的、图形化的任务规划模型。

2) 利用MATLAB搭建了模型求解系统，通过驱动有限状态机的状态转移，进行自动求解，实现了交会对接飞行任务的快速、准确规划。

3) 以神舟十号与天宫一号载人交会对接任务中航天员手控交会对接试验为例，验证了本文方法的正确性和有效性。

1) 轨道日照角约束。轨道日照角要求与航天器自身能源、热控等分系统的约束要求相关，可综合为对航天器在一段飞行时间内太阳矢量与轨道平面夹角的要求。两航天器对接前后对轨道日照角要求较高[10]。假设追踪航天器轨道日照角要求为β1，目标航天器轨道日照角要求为β2，则交会对接过程中飞行事件均应满足轨道日照角约束β≤min{β1β2}。

2) 阳光抑制角约束。交会对接过程中，追踪航天器用于进行相对状态测量的光学设备主要有激光雷达和CCD相机[1]，手控交会还需要使用TV摄像机。为了确保相对导航光学设备正常工作，要求太阳光不能直射光学测量设备的视场，即太阳光不能进入以其视线方向为中心线、一定锥角的圆锥内。这种相对导航光学测量设备对太阳光照的要求也称为阳光抑制角要求。假设追踪航天器光学交会对接敏感器1, 2, …, n的阳光抑制角要求分别为θ1θ2，…，θn，则接近、撤离过程中阳光抑制角约束为θ≥max{θ1θ2，…，θn}。

3) 测控覆盖约束。追踪航天器转入自主控制后，要求地面飞控中心对对接、分离等交会对接关键飞行事件进行监视，并在必要时进行干预。假设关键飞行事件的持续时间分别为T1, T2，…，则交会对接过程中测控覆盖约束为：{tcT1tcT2，…, }。目前，利用陆海天基测控网可以满足交会对接测控覆盖和可靠性要求[11]

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文章信息

YANG Sheng, WANG Xinzhe, LI Meng

RVD flight mission planning and scheduling method based on finite state machine

Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2019, 45(9): 1741-1746
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0008