[发明专利]一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法及系统。具体地，涉及一种在地面条件下，以失重条件下航天员在空间站舱内导航过程中的视觉效应和生理效应为目标，以虚拟现实技术和头低位卧床为手段，在多舱段空间站舱内等效模拟导航的方法及系统，属于航天及医学领域。

背景技术

多舱段空间站具有大而复杂的内部空间，航天员在空间站内部的方向感差，容易发生导航障碍，并可能由此导致整个空间站人-机-环境系统的工效和可靠性的降低，为了解决或改善空间站航天员的舱内导航问题，必须针对空间站舱内视觉环境进行模拟训练和相关实验研究。而在真实空间站内进行舱内导航训练和相关实验研究的成本高昂，可行性非常差，相对而言，在地面进行的航天环境模拟训练和试验具有安全可靠、条件可控和费用较低等优点。

目前用于航天员舱内活动训练和研究的传统模拟方法主要包括：

1.失重飞机抛物线飞行模拟，可以在持续15-40秒的时长内形成微重力条件，失重飞机的传统应用主要包括航天员失重环境体验训练、小型操作项目训练和小型航天产品的失重环境试验，由于单次失重模拟的可持续时间限制，失重飞机抛物线飞行模拟方法不适用于空间站舱内导航这种需要持续较长时间的失重环境模拟任务；

2.中性浮力模拟方法以人在失重状态下对运动和力的感觉为模拟目标，是航天员进行失重环境下运动与作业训练的一种极为有效的手段，然而这种方法未能有效屏蔽(或弱化)重力线索对定向、导航的辅助作用，此外，现实情况中由于中型浮力水槽的建造成本和体积限制，往往难以在这种模拟环境中为航天员提供针对整个空间站内部空间的导航体验；

3.地面物理模型是当前用于进行空间站内部环境熟悉训练的主要模拟设施，然而，航天员在对航天器的内部环境熟悉的同时，会对航天器内部空间形成了一种基于特定方向的空间表征，容易导致航天员更容易产生舱内导航障碍，此外，对于大型多舱段空间站中三维布局的整体内部空间，利用地面物理模型进行空间导航模拟是不现实的。

显然，对于多舱段空间站舱内导航模拟，上述三种模拟方法均存在较大局限，且还具有控制条件多、设备复杂、造价昂贵的特点。

20世纪90年代后，NASA已将虚拟现实(VR)技术应用于多个方面的研究，并将基于VR的舱外活动训练正式用于航天飞机乘员飞行前训练模拟，VR技术还被广泛应用于针对地面环境的空间定向和导航研究。相对于航天员舱内活动训练和研究的传统模拟方法，VR模拟方法有其自身的优势，能够真实再现空间站内部视觉设计场景，可以在视觉上对空间站整体内部空间做接近于真实的模拟，因此可以用来做空间站内部空间的导航模拟。但是，VR导航模拟技术存在不能完全屏蔽(或弱化)重力线索对导航的辅助作用的问题，在模拟航天员太空生理状态上存在不足，只能用于视觉模拟。

屏蔽(或弱化)重力线索对导航的辅助作用是在地面进行空间站舱内导航模拟过程中需要解决的重要问题，目前，在基于VR技术的多舱段空间站舱内导航相关训练和研究中，均采用竖直坐姿作为模拟导航过程中被试者的实际身体姿态，然而，无论是竖直坐姿还是水平仰卧姿态都不能有效模拟失重状态的生理状态。

因此，如何设计一种空间站舱内导航模拟方法及系统，将上述技术问题加以解决，即为本领域技术人员的研究方向所在。

发明内容

本发明提出一种基于头低位卧床的空间站舱内导航模拟方法，将基于头低位卧床的生理效应失重模拟和基于沉浸式虚拟现实(VR)技术的视觉导航模拟相结合，形成一种基于头低位卧床的空间站舱内导航VR模拟方法。

头低位卧床可以用来模拟人体失重生理效应，-6°头低位仰卧姿态下人体的生理指标与失重状态下的生理指标相近，因此，将头低位卧床生理效应失重模拟和VR视觉导航失重模拟相结合，会是一种高效的多舱段空间站舱内导航模拟实验和训练手段。