航天器相对运动模拟系统

摘要

一种航天器相对运动模拟系统，解决了如何实现地面模拟试验系统高精度、高普适性模拟的问题，属于航天器地面模拟试验技术领域。本发明包括：括二维运动平台、追踪航天器运动平台、追踪航天器模型、目标航天器模型、目标航天器运动平台、控制系统和地面控制台；二维运动平台为追踪航天器运动平台提供二自由度运动；追踪航天器运动平台为追踪航天器模型提供追踪航天器模型的六自由度运动；目标航天器运动平台提供目标航天器模型六自由度运动；地面控制台依据任务需求生成期望指令及模拟轨迹，并发送至控制系统；控制系统根据期望指令及模拟轨迹，控制二维运动平台、追踪航天器运动平台和目标航天器运动平台的运动。

说明书

技术领域

本发明属于航天器地面模拟试验技术领域。

背景技术

随着空间科学技术的不断发展，无论是近地导航还是深空探测，航天器的研发频率越来越高，系统功能越来越复杂，验证新技术新方案的频次越来越多。然而，航天器的技术风险性高、系统功能复杂、发射成本较高、试验失败损失较大，为了尽可能降低航天器发生故障或失效造成的损失，保证航天器的高可靠性尤为重要。因此，在地面进行尽可能多的基于空间环境的试验模拟是发射任务成功的基本保障。

动力学模拟需要实现对力学环境的模拟，微低重力环境模拟的方法主要有：落塔法、抛物飞行法、气浮法、悬吊法、外骨骼法等。其中，落塔法和抛物飞行法模拟时长有限，一般为10-30s，难以进行长时间运动模拟；外骨骼法主要针对对象为宇航员。因而，针对小型航天器对象，目前常用的地面微低重力环境模拟试验系统有支撑式气悬浮系统和悬挂式运动系统。

支撑式气悬浮系统是利用气浮轴承将航天器托举在光滑平台上，通过安装在航天器上的推进器、飞轮等执行机构驱动航天器运动的地面微低重力环境模拟系统。该系统因具有摩擦力小，运动范围大等优点被广泛构建，能够模拟航天器进行三自由度、五自由度、六自由度运动，使用范围广，但需要惯性导航单元或外置运动捕捉系统采集模拟航天器的数据信息，无法直接通过编码器获取位置姿态信息。

悬挂式运动系统是通过吊绳悬挂进行航天器运动模拟的地面微重力环境模拟系统。该系统能够被动跟随航天器运动，也可以主动牵引航天器运动，系统实现较为简单，被悬挂航天器尺寸不受限，且系统附加惯量小；但该系统易发生耦合震颤，导致末端运动精度差，较难以实现高精度运动模拟需求。此外，由于吊绳存在柔性，直接得到的电机编码器数据难以直接作为航天器的位置数据。

动力学模拟往往比较复杂，成本高，运动位置模拟精度有限。对于相对测量等空间任务，主要关心航天器的相对运动轨迹，更适合进行运动学模拟。随着航天器的发展，对航天器地面试验模拟技术提出了新的要求，对大尺度、航天器相对运动、高精度模拟、高普适性的地面模拟试验系统提出了强烈需求。

发明内容

针对如何实现地面模拟试验系统高精度、高普适性模拟的问题，本发明提供一种航天器相对运动模拟系统。

本发明的一种航天器相对运动模拟系统，包括二维运动平台1、追踪航天器运动平台2、追踪航天器模型3、目标航天器模型5、目标航天器运动平台6、控制系统7和地面控制台8；

二维运动平台1固定在地面上，追踪航天器运动平台2安装在二维运动平台1上，追踪航天器模型3安装在追踪航天器运动平台2的末端；

二维运动平台1，用于承载追踪航天器运动平台2并为其提供二自由度运动；

追踪航天器运动平台2，用于承载追踪航天器模型3，并提供追踪航天器模型3的六自由度运动；

目标航天器运动平台6固定在地面上，目标航天器模型5安装在目标航天器运动平台6的末端；

目标航天器运动平台6，用于承载目标航天器模型5，并提供目标航天器模型5六自由度运动；

地面控制台8，与控制系统7连接，用于依据任务需求生成期望指令及模拟轨迹，并发送至控制系统7；

控制系统7，同时与二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6连接，用于根据期望指令及模拟轨迹，控制二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的运动。

作为优选，所述控制系统7用于采集二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的运动数据，并发送至地面控制台8；

地面控制台8根据接收的运动数据，结合坐标系标定矩阵，解算得到全局基准坐标系下的追踪航天器运动平台2末端与目标航天器运动平台6末端的相对运动状态数据，将该相对运动状态数据与期望指令相对比，完成航天器相对运动模拟系统运动精度的评估。

作为优选，所述系统还包括航天器相对位姿测量系统4，航天器相对位姿测量系统4安装在追踪航天器模型3上；

控制系统7与航天器相对位姿测量系统4连接，控制系统7用于采集二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的运动数据及控制航天器相对位姿测量系统4对目标航天器模型5进行图像采集，并发送至地面控制台8；

地面控制台8与航天器相对位姿测量系统4连接，地面控制台8根据接收的运动数据，解算得到全局基准坐标系下的追踪航天器运动平台2末端与目标航天器运动平台6末端的相对运动状态数据；还用于接收航天器相对位姿测量系统4采集的图像，进行图像处理，结合坐标系标定矩阵，获得全局基准坐标系下的目标航天器运动平台末端与追踪航天器运动平台末端的相对运动测量数据，将相对运动测量数据与所述相对运动状态数据相对比，完成航天器相对测量的评估。

作为优选，地面控制台8获取坐标系标定矩阵方法包括：

定义坐标系，标定坐标系，使二维运动平台1、追踪航天器运动平台2、目标航天器运动平台6运动数据统一到全局基准坐标系下，获取各运动平台的坐标系标定矩阵。

作为优选，地面控制台8还用于对标定精度进行评估，判断标定精度是否满足任务需求，若否，重新标定坐标系。

作为优选，地面控制台8采用TCP/IP通讯方式，通过网络交换机与控制系统7及航天器相对位姿测量系统4通讯。

作为优选，所述地面控制台8建立航天器相对运动动力学模型，根据航天器相对运动动力学模型生成期望运动轨迹。

作为优选，控制系统7通过采集二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的电机编码器位置及限位开关状态，得到运动数据。

作为优选，所述地面控制台8，还用于根据全局基准坐标系下的追踪航天器模型3与目标航天器模型5的相对运动状态数据将追踪航天器模型3与目标航天器模型5的相对运动进行可视化显示。

本发明的有益效果，本发明适用于大多数中小型航天器进行相对运动模拟实验，能够在地面上验证航天器相对位姿测量技术，具有普适性强。本发明采用双机械臂和二维导轨形式搭建，各子系统串行工作，整个系统具有较强的稳定性，结构简单。本发明利用电机转动编码器数据作为运动系统运动状态的测量数据，并采用激光跟踪仪标定各分系统坐标系转换关系，相对非接触测量式系统，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的航天器相对运动模拟系统的结构示意图；

图2为本发明的航天器相对运动模拟系统的电气原理示意图；

图3为本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种航天器相对运动模拟系统，包括二维运动平台1、追踪航天器运动平台2、追踪航天器模型3、目标航天器模型5、目标航天器运动平台6、控制系统7和地面控制台8；

二维运动平台1固定在地面上，追踪航天器运动平台2安装在二维运动平台1上，追踪航天器模型3安装在追踪航天器运动平台2的末端；

二维运动平台1，用于承载追踪航天器运动平台2并提供为其二自由度运动，运动范围空间不小于15m*5m；

追踪航天器运动平台2，用于承载追踪航天器模型3和航天器相对位姿测量系统4，并提供追踪航天器模型3的六自由度运动，竖直方向运动范围不小于3m；

目标航天器运动平台6固定在地面支架上，目标航天器模型5安装在目标航天器运动平台6的末端；

目标航天器运动平台6，用于承载目标航天器模型5，并提供目标航天器模型5六自由度运动，竖直方向运动范围不小于3m；

地面控制台8，与控制系统7连接，用于依据任务需求生成期望指令及模拟轨迹，并发送至控制系统7；

控制系统7，同时与二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6连接，用于根据期望指令及模拟轨迹，控制二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的运动。

本实施方式追踪航天器模型3与目标航天器模型5的相对运动轨迹由地面控制台8确定，地面控制台8根据任务需求生成期望指令及模拟轨迹，转换成控制指令，通过控制系统控制二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6运动，通过二维运动平台1、追踪航天器运动平台2带动追踪航天器模型3进行运动，目标航天器运动平台6带动目标航天器模型5运动，实现追踪航天器模型3与目标航天器模型5的相对运动，按照轨迹运动至期望位置，实现航天器相对运动模拟；

在航天器相对运动模拟的基础上，控制系统实时采集二维运动平台1、追踪航天器运动平台2、目标航天器运动平台6的运动数据发送至地面控制台8，地面控制台8结合坐标系标定矩阵求解目标航天器运动平台末端与追踪航天器运动平台末端的相对运动数据，将求解出的相对运动状态数据与期望指令相对比，完成航天器相对运动控制的评估，根据误差确定模拟系统的控制性能是否满足需求。

本实施方式还包括对航天器相对测量评估，具体为：本实施方式的模拟系统还包括航天器相对位姿测量系统4，航天器相对位姿测量系统4安装在追踪航天器模型3上；

控制系统7与航天器相对位姿测量系统4连接，控制系统7用于采集二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的运动数据，并通过触发信号控制航天器相对位姿测量系统4的图像采集，实现航天器相对位姿测量系统4图像采集与各运动平台运动数据采集的同步，采集的运动数据和图像发送至地面控制台8；

地面控制台8与航天器相对位姿测量系统4连接，地面控制台8根据接收的运动数据，解算得到全局基准坐标系下的追踪航天器运动平台2末端与目标航天器运动平台6末端的相对运动状态数据；还用于接收航天器相对位姿测量系统4采集的图像，进行图像处理，结合坐标系标定矩阵，获得全局基准坐标系下的目标航天器运动平台末端与追踪航天器运动平台末端的相对运动测量数据，将相对运动测量数据与所述相对运动状态数据相对比，完成航天器相对测量的评估。

本实施方式中，地面控制台8获取坐标系标定矩阵方法包括：

定义坐标系，标定坐标系，使二维运动平台1、追踪航天器运动平台2、目标航天器运动平台6运动到全局基准坐标系下，获取坐标系标定矩阵。本实施方式中二维运动平台1、追踪航天器运动平台2、目标航天器运动平台6的坐标系间关系由高精度全局测量系统标定，高精度全局测量系统包括但不限于激光跟踪仪。

本实施方式中，地面控制台8还用于对标定精度进行评估，判断标定精度是否满足任务需求，若否，重新标定坐标系。本实施方式能够通过对比输出的靶标球空间位置与激光跟踪仪测量得到的参考靶标球的位置，评估系统标定后的精度。

本实施方式中，地面控制台8采用TCP/IP通讯方式，通过网络交换机与控制系统7及航天器相对位姿测量系统4通讯，实现人机交互、期望指令下发、模拟轨迹生成。

本实施方式中，地面控制台8，还用于建立航天器相对运动动力学模型；根据航天器相对运动动力学模型生成期望运动轨迹。

本实施方式中，控制系统7通过采集二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的电机编码器位置及限位开关状态确定运动数据。

本实施方式中，地面控制台8，还用于根据全局基准坐标系下的追踪航天器模型3与目标航天器模型5的相对运动状态数据将追踪航天器模型3与目标航天器模型5的相对运动进行可视化显示。

本实施方式模拟系统使用方法包括准备阶段和模拟阶段。

在准备阶段，一、在地面上搭建二维运动平台1，在二维运动平台1上方安装追踪航天器运动平台2，确定大尺度运动空间范围。接着，安装目标航天器运动平台6，确定目标航天器模型5的六自由度运动模拟范围。二、建立航天器相对运动动力学模型；三、进行标定并调整各运动平台，使得整个系统的各个运动平台运动数据统一到全局基准坐标系下。并且，能够通过各运动平台的电机编码器的位置输出解算得到全局基准坐标系下的目标航天器运动平台末端与追踪航天器运动平台末端的相对运动状态数据。

试验阶段，首先，生成期望运动轨迹；接着，将轨迹离散化下发至控制系统7，控制系统7控制二维运动平台1、追踪航天器运动平台2及目标航天器运动平台6运动，完成相对运动模拟，控制系统7用于采集二维运动平台1、追踪航天器运动平台2和目标航天器运动平台6的运动数据，并发送至地面控制台8；同时，控制航天器相对位姿测量系统4采集图像，进行图像处理得到相对运动测量数据；最后，根据坐标系标定矩阵求解目标航天器与追踪航天器的相对运动数据，完成航天器相对测量系统评估。还可以根据接收的运动数据，结合坐标系标定矩阵解算得到全局基准坐标系下的追踪航天器运动平台2末端与目标航天器运动平台6末端的相对运动状态数据,将该相对运动状态数据与期望指令相对比，完成航天器相对运动控制的评估。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。