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空間非合作目標(biāo)的交會對接方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于航天領(lǐng)域，提供了一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法和裝置，該方法包括：地面導(dǎo)引至系統(tǒng)捕獲范圍內(nèi)；依據(jù)能夠確定空間非合作目標(biāo)相對參數(shù)的測量部件的最簡組合，分別確定測量視線角、相對距離及方位角；根據(jù)捕獲量測結(jié)果，以擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行相對導(dǎo)航；根據(jù)導(dǎo)航結(jié)果，分別執(zhí)行CW參考軌跡制導(dǎo)和直線參考軌跡制導(dǎo)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并給出了理想軌跡相對位置和相對速度方程；接近過程采用PID控制律和偽速率脈沖調(diào)制器進(jìn)行推力控制。通過空間非合作目標(biāo)的捕獲、跟蹤與接近，追蹤航天器可以在進(jìn)入捕獲非合作目標(biāo)工作范圍后完成對空間非合作目標(biāo)的自主捕獲、連續(xù)跟蹤與穩(wěn)定接近，從而實(shí)現(xiàn)對空間非合作目標(biāo)的交會對接。
【專利說明】空間非合作目標(biāo)的交會對接方法與裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天航空領(lǐng)域，尤其涉及空間非合作目標(biāo)的交會對接方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，由于航天器的維修、更新、組裝的要求，空間在軌服務(wù) 已經(jīng)成為空間探索任務(wù)的一個重要趨勢，對空間目標(biāo)尤其是空間非合作目標(biāo)的交會對接的 需求也越來越迫切。
[0003] 目前的交會對接試驗(yàn)大多針對空間合作航天器。其中，合作航天器通常包含以下 特征或結(jié)構(gòu)：激光反射器、用于測距和通訊傳輸?shù)纳漕l發(fā)射器、易于區(qū)分的可見或可反射的 表觀特征，抓捕固定裝置以及合適的姿態(tài)控制系統(tǒng)。而不滿足上述要求的其它航天器，則可 以稱之為空間非合作目標(biāo)。
[0004] 由于空間非合作目標(biāo)沒有安裝標(biāo)靶以及反射器等特征結(jié)構(gòu)，無法完成與空間非合 作目標(biāo)的通信，不能準(zhǔn)確的與非合作目標(biāo)完成準(zhǔn)確有效的交會對接。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法和裝置，以解 決現(xiàn)有技術(shù)由于空間非合作目標(biāo)沒有安裝標(biāo)靶以及反射器等特征結(jié)構(gòu)，無法完成與空間非 合作目標(biāo)的通信，不能準(zhǔn)確的與非合作目標(biāo)完成準(zhǔn)確有效的交會對接的問題。
[0006] 本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法，所述方法包 括：
[0007] 通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天器的絕對GPS信 息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機(jī)的捕獲范圍包括所述非空間合作目標(biāo)；
[0008] 根據(jù)所述寬視場相機(jī)捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的視線角測量信息；
[0009] 追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合作目標(biāo)的姿態(tài)指向；
[0010] 當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的相 對距離與方位角信息；
[0011] 根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn) 行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息；
[0012] 根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進(jìn)行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)， 確定接近軌跡；
[0013] 根據(jù)所述接近軌跡，實(shí)施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進(jìn)行緩慢穩(wěn)定接近，以完成 空間非合作目標(biāo)的交會對接。
[0014] 本發(fā)明實(shí)施例的另一目的在于提供一種空間非合作目標(biāo)的交會對接裝置，所述裝 置包括：
[0015] 相機(jī)控制單元，用于通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤 航天器的絕對GPS信息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機(jī)的捕獲范圍包括所述非空間合 作目標(biāo)；
[0016] 視角線測量單元，用于根據(jù)所述寬視場相機(jī)捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的 視線角測量信息；
[0017] 姿態(tài)指向調(diào)整單元，用于追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間 非合作目標(biāo)的姿態(tài)指向；
[0018] 方位角信息獲取單元，用于當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距 儀提供空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息；
[0019] 相對導(dǎo)航單元，用于根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴(kuò) 展卡爾曼濾波算法進(jìn)行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息；
[0020] 接收軌跡確定單元，用于根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進(jìn) 行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡；
[0021] 接近單元，用于根據(jù)所述接近軌跡，實(shí)施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進(jìn)行緩慢穩(wěn) 定接近，以完成空間非合作目標(biāo)的交會對接。
[0022] 在本發(fā)明實(shí)施例中，通過空間非合作目標(biāo)的捕獲、跟蹤與接近，追蹤航天器可以在 進(jìn)入捕獲非合作目標(biāo)工作范圍后完成對空間非合作目標(biāo)的自主捕獲、連續(xù)跟蹤與穩(wěn)定接 近，從而實(shí)現(xiàn)對空間非合作目標(biāo)的交會對接。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的空間非合作目標(biāo)的交會對接方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的空間非合作目標(biāo)的交會對接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的空間非合作目標(biāo)的交會對接硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0027] 本發(fā)明實(shí)施例可用于對非合作目標(biāo)的交會對接，以填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中不能實(shí)現(xiàn)對空 間非合作目標(biāo)的交會對接的問題，具體包括如下步驟：通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目 標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天器的絕對GPS信息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機(jī)的捕 獲范圍包括所述非空間合作目標(biāo)；根據(jù)所述寬視場相機(jī)捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo) 的視線角測量信息；追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合作目標(biāo)的 姿態(tài)指向；當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的 相對距離與方位角信息；根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴(kuò)展卡 爾曼濾波算法進(jìn)行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息；根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目 標(biāo)測量信息，依次進(jìn)行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡；根據(jù)所述接近軌跡，實(shí)施PID控 制，對空間非合作目標(biāo)進(jìn)行緩慢穩(wěn)定接近，以完成空間非合作目標(biāo)的交會對接。下面詳細(xì)論 述如下：
[0028] 在本發(fā)明實(shí)施例中，包括以下幾個重要的坐標(biāo)系，介紹如下：
[0029] (a)航天器質(zhì)心軌道坐標(biāo)系
[0030] 航天器質(zhì)心軌道坐標(biāo)系（OoXoYoZo)簡稱為軌道坐標(biāo)系。其坐標(biāo)原點(diǎn)Oo為航天器 質(zhì)心，Zo軸從航天器質(zhì)心指向地心，Xo軸位于軌道平面內(nèi)垂直于Zo軸，并指向在軌飛行的 前進(jìn)方向；Yo軸使得OoXoYoZo構(gòu)成右手正交系。
[0031] (b)航天器質(zhì)心本體坐標(biāo)系
[0032] 航天器質(zhì)心本體坐標(biāo)系是右旋正交坐標(biāo)系，原點(diǎn)Ob位于飛行基座質(zhì)心，ObXb軸、 ObYb軸和ObZb軸指向航天器特征方向，在標(biāo)稱狀態(tài)下與軌道坐標(biāo)系平行。
[0033] (c)微波測距儀測量坐標(biāo)系
[0034] 微波測距儀的測量坐標(biāo)系0ΜΧΜΥΜΖΜ，其坐標(biāo)原點(diǎn)OM為微波測距儀天線的測量中 心點(diǎn)；XM軸與微波測距儀的波束中心軸平行，由原點(diǎn)指向探測方向。YM軸和ZM軸在垂直與 XM軸的平面內(nèi)，YM軸指向測距儀發(fā)射機(jī)方向。0ΜΧΜΥΜΖΜ坐標(biāo)系為右手直角坐標(biāo)系，與微波 測距儀天線固連。
[0035] 在標(biāo)稱狀態(tài)下與追蹤器質(zhì)心本體坐標(biāo)系平行。
[0036] (d)相機(jī)測量坐標(biāo)系
[0037] 相機(jī)測量坐標(biāo)系0CXCYCZC的原點(diǎn)為相機(jī)測量中心；OCXC軸與光軸平行，由原點(diǎn) 指向相機(jī)探測方向；OCYC和OCZC軸在與OCXC垂直的平面內(nèi)，OCYC方向指向接插件方向。 0CXCYCZC坐標(biāo)系為右手直角坐標(biāo)系，與相機(jī)固連。在標(biāo)稱狀態(tài)下與SFR質(zhì)心坐標(biāo)系平行。
[0038] (e)微波測距儀相對距離：目標(biāo)與微波測距儀測量坐標(biāo)系原點(diǎn)間距離。
[0039] (f)微波測距儀相對速率：指相對距離對時間的一階導(dǎo)數(shù)。
[0040] (g)微波測距儀視線角
[0041] 微波測距儀視線角包括俯仰角CIn^P方位角βπ。
[0042] 俯仰角a m :定義為視線與視線在測距儀測量坐標(biāo)系OMXMYM平面的投影的夾角， 偏向-ZM軸為正。
[0043] 方位角β m :定義為視線在測距儀測量坐標(biāo)系OMXMYM平面的投影與OMXM軸的夾 角，偏向+YM軸為正。
[0044] (a)相機(jī)相對距離：是指相機(jī)測量坐標(biāo)系原點(diǎn)與目標(biāo)之間的距離。
[0045] (b)相機(jī)視線：定義為從相機(jī)測量坐標(biāo)系原點(diǎn)至目標(biāo)形心的矢量。
[0046] (C)相機(jī)方位角
[0047] 俯仰角α。：定義為視線與視線在相機(jī)測量坐標(biāo)系的OCXCYC平面的投影的夾角， 偏向-ZC軸為正。
[0048] 方位角β。：定義為視線在相機(jī)測量坐標(biāo)系的OCXCYC平面的投影與OCXC軸的夾 角，偏向+YC軸為正。
[0049] 在本發(fā)明實(shí)施例中，對相對運(yùn)動狀態(tài)方程介紹如下：
[0050] 相對運(yùn)動方程采用C-W方程，選用目標(biāo)器的質(zhì)心軌道坐標(biāo)系為相對運(yùn)動坐標(biāo)系， 若目標(biāo)器運(yùn)行于圓軌道上，則一階Hill方程如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法，其特征在于，所述方法包括： 通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天器的絕對GPS信息， 控制追蹤航天器的寬視場測量相機(jī)的捕獲范圍包括所述非空間合作目標(biāo)； 根據(jù)所述寬視場相機(jī)捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的視線角測量信息； 追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合作目標(biāo)的姿態(tài)指向； 當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的相對距 離與方位角信息； 根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行相 對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息； 根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進(jìn)行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定 接近軌跡； 根據(jù)所述接近軌跡，實(shí)施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進(jìn)行緩慢穩(wěn)定接近，以完成空間 非合作目標(biāo)的交會對接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)所述寬視場相機(jī)捕獲的目標(biāo)，確定 空間非合作目標(biāo)的視線角測量信息步驟包括： 所述非合作目標(biāo)的視線角測量信息包括俯仰角α。以及方位角β。，根據(jù)公式a-asin(z!ρ)I ;f 、獲取非合作目標(biāo)的視線角測量信息，其中， 丨2為空間非合 爲(wèi)=atan(yf / )JPl =私 +)' 作目標(biāo)的等效半徑，X。，y。，z。為空間非合作目標(biāo)器的質(zhì)心在寬視場測量相機(jī)的測量系中相 對位置坐標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范 圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息步驟包括： Pn, =P,>"-RaS{) 采用公式X_1"大,+凡,九計(jì)算得到空間非合作目標(biāo)相對于追蹤器微波測距Pm- PmQ_ 儀測量坐標(biāo)系的視線距離Pm以及空間非合作目標(biāo)相對于追蹤器微波測距儀測量坐標(biāo)系 的視線距離變化率/其中，Pm0=ylx；" +vi+4，RasO為空間非合作目標(biāo)的等效半徑， xm，ym，Zm為空間非合作目標(biāo)的質(zhì)心在微波測距儀的測量系中相對位置坐標(biāo)，弋，K為空 間非合作目標(biāo)的質(zhì)心在微波測距儀的測量系中相對位置坐標(biāo)的變化率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離 與方位角信息，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息包括： 根據(jù)擴(kuò)展卡爾曼濾波的方程
_ .df[x(t)J] 進(jìn)行相對導(dǎo)航，其中，Φ(k+l，k) ^I+F(tk)T，廠(Ο·、"、 為系非 x(n^x(k) ,,, ?/ζ[Λ：⑴，/"] 線性函數(shù)線性化后的系統(tǒng)矩陣，"(，)=為線性化后的觀測矩陣， 郵）⑴，-+U-丨 沖)=/[冰),/] +忍⑴μ(〇 + (7⑴w⑴為系統(tǒng)狀態(tài)方程，z(t) =h[x(t)，t]+v(t)為系統(tǒng) 0x(t) = F(t)0x(t) + B(t)u(t) + G(t)w(t)] 觀測方押，二、 為線性化后的狀態(tài)方程與觀測方程， dz{t) = H(t)dx(t) + v(t) J f =x-2nz 'fr=y+n2y為C-W方程，η為目標(biāo)器的軌道角速度值，fx，fy，fz為除地球的二體引力f_ =z + 2nx-3n2 z 引起的追蹤器加速度與目標(biāo)器加速度之差在相對運(yùn)動坐標(biāo)系下的投影，u(t) = [Ux，Uy，Uz] 7為控制器向量，X=I^1X2X3JC4X5 .T(，]_=[x_yZiji]1為系統(tǒng)狀態(tài)向量，
為線性化后的系統(tǒng)狀態(tài)矩 陣、輸入-控制模型以及系統(tǒng)觀測矩陣，w(t) = [wx，wy，wz]T追蹤器與目標(biāo)器攝動加速度差 在相對運(yùn)動坐標(biāo)系下的投影，K為濾波增益矩陣，v(t)是均值為0協(xié)方差陣為Q的觀測噪 聲，I為單位矩陣，.?是X的二階導(dǎo)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo) 測量信息，依次進(jìn)行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡步驟包括： 根據(jù)
確定理想軌跡相對位置，根據(jù) X.=-3ΔννΙ +4ΔννΙco^cot ?=〇 確定理想軌跡相對速度，其中，Λνχ1、Avx2為速度增量且 zc = -2Δνχ1sinω? Δνν?=-Δνν2 'x。，y。，ζ。為空間非合作目標(biāo)器的質(zhì)心在寬視場測量相機(jī)的 測量系中相對位置坐標(biāo)，毛，九，毛為空間非合作目標(biāo)器的質(zhì)心在寬視場測量相機(jī)的測量系 中相對位置坐標(biāo)的時間變化率，w(t) = [Wx，Wy，WJT追蹤器與目標(biāo)器攝動加速度差在相對運(yùn) 動坐標(biāo)系下的投影。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)所述接近軌跡，實(shí)施PID控制，對空 間非合作目標(biāo)進(jìn)行緩慢穩(wěn)定接近步驟包括： 根據(jù)PID控制律公式= -(Vp +[ (F-Fj-A 4對空間非合作目標(biāo)進(jìn)行緩慢 V sJ 穩(wěn)定接近，其中，6為期望的相對位置，P為相對位置估計(jì)值，？為相對位置，Kp為控制律比 例系數(shù)Kd為控制律阻尼系數(shù)，K1為控制律積分系數(shù)，S為積分時間常數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述寬視場相機(jī)為用于測量部件最簡組合 的寬視場相機(jī)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述微波測距儀的測量范圍為相對距離 200m至 15km。
9. 一種空間非合作目標(biāo)的交會對接裝置，其特征在于，所述裝置包括： 相機(jī)控制單元，用于通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天 器的絕對GPS信息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機(jī)的捕獲范圍包括所述非空間合作目 標(biāo)； 視角線測量單元，用于根據(jù)所述寬視場相機(jī)捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的視線 角測量信息； 姿態(tài)指向調(diào)整單元，用于追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合 作目標(biāo)的姿態(tài)指向； 方位角信息獲取單元，用于當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提 供空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息； 相對導(dǎo)航單元，用于根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴(kuò)展卡 爾曼濾波算法進(jìn)行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息； 接收軌跡確定單元，用于根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進(jìn)行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡； 接近單元，用于根據(jù)所述接近軌跡，實(shí)施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進(jìn)行緩慢穩(wěn)定接 近，以完成空間非合作目標(biāo)的交會對接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述裝置，其特征在于，所述寬視場相機(jī)為用于測量部件最簡組合 的寬視場相機(jī)。
【文檔編號】G01C21/24GK104316060SQ201410250186
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】梁斌, 李成, 王學(xué)謙, 劉厚德, 張博 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院