空間是人類(lèi)的第四生存空間，也是國際戰略競爭的制高點(diǎn)，美國、俄羅斯等國紛紛建立“天軍”，意圖占領(lǐng)空間，保持戰略競爭優(yōu)勢。習近平總書(shū)記也在多個(gè)場(chǎng)合發(fā)表重要講話(huà)，指出“加強新型太空力量建設是我國邁向航天強國的必然選擇，是國防和軍隊現代化加深的戰略重點(diǎn)，是國家安全體系之集大成者”。而保持太空競爭的關(guān)鍵重要抓手是空間目標操作與控制技術(shù)。

航天器在軌維護是最能體現空間目標操作與控制技術(shù)實(shí)力的重要任務(wù)。依托航天器在軌維護研究空間目標操作與控制一直是當前各國航天強國研究與教學(xué)的熱點(diǎn)。但在空間在軌維護中，由于空間失重環(huán)境與天地通信的特殊性，機器人近距離交會(huì )、運動(dòng)學(xué)、協(xié)調控制、天地時(shí)延等很難模擬，尤其是空間機器人特有的非完整運動(dòng)規劃在地面環(huán)境完全無(wú)法模擬，導致學(xué)生僅能通過(guò)書(shū)本學(xué)習相關(guān)知識，嚴重缺乏對空間機器人、在軌服務(wù)的理解，在學(xué)習中完全依靠想象，教學(xué)效率極低，學(xué)生接收難度極大。本

虛擬仿真實(shí)驗依托西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院、航天飛行動(dòng)力學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室建設，通過(guò)虛擬仿真形式使學(xué)生多角度直觀(guān)理解與學(xué)習空間交會(huì )任務(wù)/在軌服務(wù)任務(wù)設計、機器人運動(dòng)規劃、協(xié)調控制、天地遙操作等，與理論相結合，顯著(zhù)提升教學(xué)效果，并引導學(xué)生深入學(xué)習。
實(shí)驗的詳細開(kāi)設目的：

1、解決空間失重環(huán)境難以模擬的問(wèn)題。地面模擬空間失重環(huán)境需要氣浮臺、中性浮力水池或吊絲配重等復雜昂貴的實(shí)驗設施提供空間系統地面實(shí)驗必備的模擬失重環(huán)境，但是不同的失重模擬設施和方法均難以完全消除環(huán)境力，無(wú)法完全模擬失重運行環(huán)境；同時(shí)，空間機器人為復雜多體系統，其運動(dòng)自由度遠超于衛星等單體航天器，現有失重模擬設施模擬其復雜運動(dòng)特性有較大的技術(shù)難度，而利用虛擬仿真實(shí)驗可以更真實(shí)的模擬空間機器人在失重環(huán)境下的復雜動(dòng)力學(xué)特性。

2、解決空間機器人系統實(shí)驗設備不足問(wèn)題。

空間操作實(shí)驗需要空間機器人實(shí)驗系統等昂貴的設備，國內只有極少數高校和研究所具備相關(guān)設備，數量極其有限，且需要昂貴的運行成本。因此，只能采用分組的方式進(jìn)行實(shí)驗，無(wú)法讓每位學(xué)生全面、全程參與到實(shí)踐教學(xué)中，無(wú)法保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，而利用虛擬仿真實(shí)驗平臺可以極大降低實(shí)驗平臺的可獲得性，有效提高實(shí)驗教學(xué)效果。

3、解決實(shí)驗系統受限的問(wèn)題。

受限于設備研制成本等因素，通常僅設計一種或幾種典型設備，設備類(lèi)型不足從根本上制約了實(shí)驗類(lèi)型的多樣性，嚴重限制探索性創(chuàng )新實(shí)驗的開(kāi)展。利用虛擬仿真實(shí)驗可以突破實(shí)體實(shí)驗系統的制約，通過(guò)參數化設計方法按實(shí)驗任務(wù)需求設計不同的空間機器人系統，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性和創(chuàng )新熱情，完成不同類(lèi)型的創(chuàng )新實(shí)驗。

4、降低實(shí)驗設備及實(shí)驗人員安全風(fēng)險。

空間機器人系統組成復雜，系統操作難度較高，需要有較為豐富的經(jīng)驗，若調試不當可能發(fā)生碰撞等情況，有可能損壞設備甚至造成人員傷害。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗可以用較低成本讓每個(gè)學(xué)生均可安全地參與到空間機器人系統的操作實(shí)踐中，同時(shí)可以起到“虛實(shí)結合”，降低學(xué)生在高年級和研究生階段操作實(shí)體機器人系統實(shí)驗的風(fēng)險。

5、提升開(kāi)放范圍，讓更多的人可以獲得優(yōu)質(zhì)教育資源。

西北工業(yè)大學(xué)在航空航天、兵器等相關(guān)學(xué)科有深厚的教學(xué)和科研積累，是國內開(kāi)設空間維護技術(shù)相關(guān)實(shí)驗的極少數高校之一。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗系統，可以將西北工業(yè)大學(xué)在空間操作技術(shù)方向的科研優(yōu)勢和教學(xué)優(yōu)勢向公眾開(kāi)放，為所有有意學(xué)習的學(xué)生及社會(huì )人員提供一個(gè)隨時(shí)可得的實(shí)驗平臺，實(shí)現優(yōu)質(zhì)教育資源的開(kāi)放和共享，讓更多的人收益。

本虛擬仿真實(shí)驗的教學(xué)目的：

1、理解空間操作任務(wù)的流程。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗，使學(xué)生能夠全流程參與復雜空間操作任務(wù)的方案設計、測試和實(shí)施過(guò)程，完成典型空間操作任務(wù)，了解失效航天器在軌維護任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節，加強學(xué)生對《空間機器人基礎》等課程理論知識的認識；

2、掌握空間機器人系統組成、工作原理和動(dòng)力學(xué)特性。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗，使學(xué)生了解空間機器人在空間操作任務(wù)中的作用，熟悉空間機器人的系統的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模，根據空間機器人的運動(dòng)，理解空間機器人的動(dòng)力學(xué)特性；

3、掌握空間機器人運動(dòng)規劃技術(shù)。

根據空間操作任務(wù)需求，設計任務(wù)關(guān)鍵步驟的空間機器人運動(dòng)路徑，通過(guò)實(shí)踐加深學(xué)生對不同路徑規劃算法的理解。

4、加深對航天前沿技術(shù)的了解。

空間操作技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗為大學(xué)生提供了具體實(shí)用化的空間操作任務(wù)和場(chǎng)景，讓學(xué)生能夠接觸航天技術(shù)發(fā)展前沿，體會(huì )航天技術(shù)發(fā)展方向，體驗前沿科研的工作方法。

5、培養自身科研基本技能。

基于虛擬仿真實(shí)驗平臺開(kāi)展科研訓練，通過(guò)創(chuàng )新性實(shí)驗項目，針對空間操作任務(wù)中的不同問(wèn)題，通過(guò)嚴謹的工作方法、靈活創(chuàng )新的解決手段和團隊的通力協(xié)作，逐步攻克難題，從而激發(fā)學(xué)生對科研探索的激情，樹(shù)立自力更生、艱苦奮斗、大力協(xié)作、無(wú)私奉獻、嚴謹務(wù)實(shí)、勇于攀登的航天傳統精神。