空間是人類的第四生存空間，也是國際戰(zhàn)略競爭的制高點，美國、俄羅斯等國紛紛建立“天軍”，意圖占領(lǐng)空間，保持戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢。習(xí)近平總書記也在多個場合發(fā)表重要講話，指出“加強(qiáng)新型太空力量建設(shè)是我國邁向航天強(qiáng)國的必然選擇，是國防和軍隊現(xiàn)代化加深的戰(zhàn)略重點，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(biāo)操作與控制技術(shù)。

航天器在軌維護(hù)是最能體現(xiàn)空間目標(biāo)操作與控制技術(shù)實力的重要任務(wù)。依托航天器在軌維護(hù)研究空間目標(biāo)操作與控制一直是當(dāng)前各國航天強(qiáng)國研究與教學(xué)的熱點。但在空間在軌維護(hù)中，由于空間失重環(huán)境與天地通信的特殊性，機(jī)器人近距離交會、運動學(xué)、協(xié)調(diào)控制、天地時延等很難模擬，尤其是空間機(jī)器人特有的非完整運動規(guī)劃在地面環(huán)境完全無法模擬，導(dǎo)致學(xué)生僅能通過書本學(xué)習(xí)相關(guān)知識，嚴(yán)重缺乏對空間機(jī)器人、在軌服務(wù)的理解，在學(xué)習(xí)中完全依靠想象，教學(xué)效率極低，學(xué)生接收難度極大。本

虛擬仿真實驗依托西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院、航天飛行動力學(xué)國家級重點實驗室建設(shè)，通過虛擬仿真形式使學(xué)生多角度直觀理解與學(xué)習(xí)空間交會任務(wù)/在軌服務(wù)任務(wù)設(shè)計、機(jī)器人運動規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制、天地遙操作等，與理論相結(jié)合，顯著提升教學(xué)效果，并引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)。
實驗的詳細(xì)開設(shè)目的：

1、解決空間失重環(huán)境難以模擬的問題。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(fù)雜昂貴的實驗設(shè)施提供空間系統(tǒng)地面實驗必備的模擬失重環(huán)境，但是不同的失重模擬設(shè)施和方法均難以完全消除環(huán)境力，無法完全模擬失重運行環(huán)境；同時，空間機(jī)器人為復(fù)雜多體系統(tǒng)，其運動自由度遠(yuǎn)超于衛(wèi)星等單體航天器，現(xiàn)有失重模擬設(shè)施模擬其復(fù)雜運動特性有較大的技術(shù)難度，而利用虛擬仿真實驗可以更真實的模擬空間機(jī)器人在失重環(huán)境下的復(fù)雜動力學(xué)特性。

2、解決空間機(jī)器人系統(tǒng)實驗設(shè)備不足問題。

空間操作實驗需要空間機(jī)器人實驗系統(tǒng)等昂貴的設(shè)備，國內(nèi)只有極少數(shù)高校和研究所具備相關(guān)設(shè)備，數(shù)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)行實驗，無法讓每位學(xué)生全面、全程參與到實踐教學(xué)中，無法保證實踐教學(xué)質(zhì)量，而利用虛擬仿真實驗平臺可以極大降低實驗平臺的可獲得性，有效提高實驗教學(xué)效果。

3、解決實驗系統(tǒng)受限的問題。

受限于設(shè)備研制成本等因素，通常僅設(shè)計一種或幾種典型設(shè)備，設(shè)備類型不足從根本上制約了實驗類型的多樣性，嚴(yán)重限制探索性創(chuàng)新實驗的開展。利用虛擬仿真實驗可以突破實體實驗系統(tǒng)的制約，通過參數(shù)化設(shè)計方法按實驗任務(wù)需求設(shè)計不同的空間機(jī)器人系統(tǒng)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新熱情，完成不同類型的創(chuàng)新實驗。

4、降低實驗設(shè)備及實驗人員安全風(fēng)險。

空間機(jī)器人系統(tǒng)組成復(fù)雜，系統(tǒng)操作難度較高，需要有較為豐富的經(jīng)驗，若調(diào)試不當(dāng)可能發(fā)生碰撞等情況，有可能損壞設(shè)備甚至造成人員傷害。通過虛擬仿真實驗可以用較低成本讓每個學(xué)生均可安全地參與到空間機(jī)器人系統(tǒng)的操作實踐中，同時可以起到“虛實結(jié)合”，降低學(xué)生在高年級和研究生階段操作實體機(jī)器人系統(tǒng)實驗的風(fēng)險。

5、提升開放范圍，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(nèi)開設(shè)空間維護(hù)技術(shù)相關(guān)實驗的極少數(shù)高校之一。通過虛擬仿真實驗系統(tǒng)，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)勢向公眾開放，為所有有意學(xué)習(xí)的學(xué)生及社會人員提供一個隨時可得的實驗平臺，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源的開放和共享，讓更多的人收益。

本虛擬仿真實驗的教學(xué)目的：

1、理解空間操作任務(wù)的流程。

通過虛擬仿真實驗，使學(xué)生能夠全流程參與復(fù)雜空間操作任務(wù)的方案設(shè)計、測試和實施過程，完成典型空間操作任務(wù)，了解失效航天器在軌維護(hù)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生對《空間機(jī)器人基礎(chǔ)》等課程理論知識的認(rèn)識；

2、掌握空間機(jī)器人系統(tǒng)組成、工作原理和動力學(xué)特性。

通過虛擬仿真實驗，使學(xué)生了解空間機(jī)器人在空間操作任務(wù)中的作用，熟悉空間機(jī)器人的系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)建模，根據(jù)空間機(jī)器人的運動，理解空間機(jī)器人的動力學(xué)特性；

3、掌握空間機(jī)器人運動規(guī)劃技術(shù)。

根據(jù)空間操作任務(wù)需求，設(shè)計任務(wù)關(guān)鍵步驟的空間機(jī)器人運動路徑，通過實踐加深學(xué)生對不同路徑規(guī)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)虛擬仿真實驗為大學(xué)生提供了具體實用化的空間操作任務(wù)和場景，讓學(xué)生能夠接觸航天技術(shù)發(fā)展前沿，體會航天技術(shù)發(fā)展方向，體驗前沿科研的工作方法。

5、培養(yǎng)自身科研基本技能。

基于虛擬仿真實驗平臺開展科研訓(xùn)練，通過創(chuàng)新性實驗項目，針對空間操作任務(wù)中的不同問題，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鞣椒?、靈活創(chuàng)新的解決手段和團(tuán)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，樹立自力更生、艱苦奮斗、大力協(xié)作、無私奉獻(xiàn)、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實、勇于攀登的航天傳統(tǒng)精神。