CN101774432A - 一种人控交会对接操作方法 - Google Patents

Abstract

一种人控交会对接操作方法，将由背景底盘和伸出的十字架组成的靶标安装在目标航天器对接口附近，电视摄像机安装在追踪航天器对接口附近，航天员通过电视摄像机观察拍摄到的目标航天器和靶标的图像进行状态判断和控制。根据两航天器的相对运动状态，采用位置和姿态进行协调控制，同时消除追踪航天器和目标航天器相对于视线的偏差，使得远距离时目标航天器始终处在追踪航天器视场中心，在近距离时靶标的背景底盘和伸出的十字架的图像重合，在此前提下，逐步缩短追踪航天器和目标航天器之间的距离，并在两对接口相对距离为3～6米处位置停泊保持后，开启追踪航天器前向发动机一定时间，确保以要求的对接速度、横向位置偏差和姿态偏差完成人控对接任务。

Description

一种人控交会对接操作方法

技术领域

本发明属于控制领域，涉及一种航天器空间交会对接绕飞及最后平移靠拢段航天员进行人控交会对接时的操作方法。

背景技术

航天器的空间交会对接(Rendezvous and Docking，RVD)技术是载人航天中的一项关键技术，分为自动控制和人工控制两种。美国和前苏联都在1967年首次实现了航天器的交会对接，并在其后进行了一系列的空间交会对接活动。虽然美国和前苏联都发展了交会对接的人控和自控技术，但是美国更比较重视采用人控技术，前苏联则比较重视采用自控技术。人控交会对接即由航天员完成两航天器的对接任务，在全世界已经成功进行的交会对接任务中占很大比例。

人控交会对接在世界空间交会对接领域发挥着重要的作用，但国内外文献中对具体人控交会对接的操作方法报道较少。2006年第5期第26卷《中国空间科学技术》上的《人控交会对接控制方法研究》一文给出了一种航天员在交会对接时相对位置的控制决策和控制方法，该方法将全系数自适应控制方法用于追踪航天器的姿态控制。但该文的研究中对具体的操作方法没有细化，而且航天员不负责姿态控制的情况，只参与位置控制。这种方法应用范围有限，只能完成目标航天器对接口处在追踪航天器视场之内且两航天器均三轴对地定向的情况。事实上人控交会对接多用于自控交会对接失效时的控制，这时人控交会对接的初始条件往往比较恶劣，相对姿态和相对位置偏差均比较大，残留的相对速度会迅速使目标器和靶标的图像超出电视摄像机的视场，采用《人控交会对接控制方法研究》中的方法则无法完成对接，该文的方法也无法用于完成带有绕飞要求的人控对接。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供了一种交会对接时两航天器间姿态偏差和相对位置偏差较大、适合带有绕飞任务的人控交会对接的操作方法。

本发明的技术解决方案是：一种交会对接人控操作方法，步骤如下：

(1)追踪航天器为主动航天器，在其对接口附近安装电视摄像机，电视摄像机屏幕中心画有带刻度的十字线；目标航天器为被动航天器，在其对接口附近安装靶标，靶标包括一个背景底盘和一个伸出的十字架，背景底盘底面为黑色，上面有白色十字刻线和角度刻线，十字架为白色并从背景底盘中心伸出，十字架在背景底盘上的正投影与十字刻线重合；

(2)观察电视摄像机屏幕，采用位置和姿态协调控制的方法，当目标航天器的全部图像显示在屏幕上时，转步骤(3)，否则随着距离的减少，目标航天器的一部分图像显示在屏幕上，靶标的图像清晰，转步骤(4)，当根据靶标图像底盘图像的大小判定相对距离达到3～6米时，进行位置停泊保持，转步骤(5)；

(3)保持追踪航天器向目标航天器运动，首先结合陀螺测量信息对追踪航天器的姿态进行视线定向控制，消除追踪航天器相对于视线的偏差，使得目标航天器的图像位于电视摄像机的视场中心；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的上方，则控制追踪航天器向上抬头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的下方，则控制追踪航天器向下低头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的左侧，则控制追踪航天器向左扭头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的右侧，则控制追踪航天器向右扭头；若目标航天器左右太阳帆板的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有顺时针旋转，则控制追踪航天器顺时针旋转；若目标航天器左右太阳帆板的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有逆时针旋转，则控制追踪航天器逆时针旋转；完成追踪航天器的姿态视线定向控制后，若目标航天器的图像向上移动，则控制追踪航天器向上运动；若目标航天器的图像向下移动，则控制追踪航天器向下运动；若目标航天器的图像向左移动，则控制追踪航天器向左运动；若目标航天器的图像向右移动，则控制追踪航天器向右运动；

(4)保持追踪航天器向目标航天器运动，对追踪航天器的姿态进行视线定向控制，消除追踪航天器相对于视线的偏差，使得靶标的图像位于电视摄像机的视场中心；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的上方，则控制追踪航天器向上抬头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的下方，则控制追踪航天器向下低头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的左侧，则控制追踪航天器向左扭头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的右侧，则控制追踪航天器向右扭头；若靶标背景底盘十字刻线的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有顺时针旋转，则控制追踪航天器顺时针旋转；若靶标背景底盘十字刻线的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有逆时针旋转，则控制追踪航天器逆时针旋转；同时，观察靶标十字架与靶标背景底盘十字刻线的相对位置，若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线上偏，则控制追踪航天器向上运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线下偏，则控制追踪航天器向下运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线左偏，则控制追踪航天器向左运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线右偏，则控制追踪航天器向右运动；

(5)消除相对运动中前向和后向运动速度，同时利用步骤(4)中同样的方法消除姿态和横向位置偏差，使追踪航天器停泊在3～6米的位置并保持，使靶标稳定处在电视摄像机的屏幕中心处，且十字架图像和靶标背景底盘十字刻线的图像重合后，再对追踪航天器施加向前的推力，使追踪航天器以恒定的速度接近并碰撞目标航天器，在接近的过程中，利用步骤(4)对姿态和横向位置偏差进行微调，确保靶标稳定处在电视摄像机的屏幕中心且十字架图像和靶标背景底盘十字刻线的图像重合。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明方法对相对运动参数进行了定义，给出了两航天器的相对运动状态的判断方法，采用位置和姿态进行协调控制策略，使得远距离时目标航天器始终处在追踪航天器的视场中心，在近距离时靶标的背景底盘和伸出的十字架的图像重合，在此前提下，逐步缩短追踪航天器和目标航天器之间的距离，可以完成高精度的人控对接的任务。本发明方法既适用于自控交会对接系统失效转入人控交会对接时初始条件比较恶劣、残留的相对速度会迅速使目标图像超出电视摄像机视场的人控对接，也可适用于相对状态良好、追踪器姿态和目标姿态保持一致的人控对接，同时还适用于先绕飞到对接口再进行人控对接的任务。本发明方法操作简单、便于工程应用，航天员经过训练可以做到以较高的控制精度完成各种恶劣情况下的对接任务。随着空间站等需求的增多，该人控交会对接操作方法将有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图。

电视摄像机(TV)是追踪航天器与目标航天器进行人控交会对接的主要光学测量设备。TV安装在追踪航天器上，与其配套使用的靶标安装在目标航天器上。靶标安装在目标航天器对接机构附近，由一个背景底盘和一个伸出的十字架组成。背景底盘涂成黑色，上面有白色的刻线，包括长的十字刻线和短的角度刻线。十字架涂成白色，从背景底盘中心伸出。

航天员人控交会对接时，利用电视摄像机观察得到目标航天器和靶标的图像来判断和确定两个航天器之间的相对运动状态。当相对距离大的时候，目标航天器的全部图像显示在屏幕上，航天员通过完整的目标航天器的图像进行相对位置和相对姿态估计。随着距离的减少，目标航天器的一部分图像显示在屏幕上，这时只能尽可能地利用有效特征进行导航。在最后靠拢和对接段，只有距离对接口较近的一小部分可以看到，这时主要利用在目标航天器上安装的靶标，并保证在一定的相对距离和相对姿态范围内，该靶标的图像不会超出屏幕范围，即电视摄像机的视场，以进行对接。

1、相对运动参数的定义

人控交会对接的相对运动参数包括相对距离、交会速度、目标航天器沿视线的角度偏差、追踪航天器沿视线的角度偏差、相互滚动角和视线角速度，相关定义如下：

a.目标航天器沿视线的角度偏差：目标航天器纵轴相对于视线的角度偏差。目标航天器沿视线的角度偏差主要是由追踪航天器相对于目标航天器的横向位置偏差和目标航天器本身的姿态决定。在目标航天器姿态对地定向的情况下，目标航天器沿视线的角度偏差主要由追踪航天器相对于目标航天器的横向位置偏差引起的。这种目标航天器沿视线的角度偏差导致电视摄像机看到的目标航天器上靶标的图像中，靶标十字架和靶标的背景底盘十字刻线的图像不重合。

b.追踪航天器沿视线的角度偏差：追踪航天器纵轴相对于视线的角度偏差。追踪航天器沿视线的角度偏差主要是由追踪航天器本身的姿态决定。如果追踪航天器沿视线定向，则即使追踪航天器相对于目标航天器存在横向位置偏差，追踪航天器沿视线的角度偏差也为零，在这种情况下目标航天器的图像会一直处在电视摄像机屏幕的中间位置。

c.相互滚动角：目标航天器本体坐标系相对于追踪航天器本体坐标系的转角。

d.相对距离：相对距离指目标飞行器对接面到运输飞船对接面之间的距离。由于电视摄像机在追踪航天器上固定安装，焦距一定，靶标在目标航天器上固定安装，因此目标航天器、对接机构和对接靶标在电视摄像机上成像的大小与目标航天器对接面到追踪航天器对接面之间的距离存在确定的对应关系。

e.交会速度：相对距离随时间的变化率。

f.视线：TV原点指向观察点的直线。在人控交会对接过程中，观察点随距离不断调整，比如在距离较远时，目标飞行器几乎是一个亮点，则观察点为整个目标飞行器；随着距离的接近，对接机构清晰时，对接机构中心就成为观察点；在距离近靶标清晰时，靶标背景圆盘中心就成为观察点。

g.视线速度：视线随时间的变化率。

2、相对运动状态判断方法

利用人控测量设备估计相对运动的方法：

(1)目标航天器沿视线的角度偏差判定方法：定义电视摄像机十字刻线原点指向目标航天器靶标底盘十字刻线原点的直线为视线，根据电视摄像机的图像上靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线的相对位置判定，追踪航天器处于目标航天器的上方或下方，引起靶标十字架图像相对于靶标背景底盘十字刻线图像的上下运动，若追踪航天器在目标航天器下方，十字架相对于背景底盘十字刻线上偏，反之亦然；若追踪航天器处于目标航天器的左方或右方，引起靶标十字架图像相对于靶标背景底盘十字刻线图像的左右运动，若追踪航天器在目标航天器右方，十字架相对于背景底盘十字刻线左偏，反之亦然。

(2)追踪航天器沿视线的角度偏差判定方法：定义电视摄像机十字刻线原点指向目标航天器靶标底盘十字刻线原点的直线为视线，根据目标航天器或靶标的图像在电视摄像机十字刻线上下左右移动的距离判定追踪航天器沿视线的角度偏差，俯仰角度偏差引起目标航天器或靶标图像在电视摄像机液晶显示器上的上下运动，追踪航天器向上仰，图像向下移，反之亦然；偏航角度偏差引起目标航天器或靶标图像的左右运动，追踪航天器向左偏，图像向右移，反之亦然。

(3)相互滚动角偏差判定方法：根据电视摄像机成像面上目标航天器、太阳帆板及靶标支架的水平线相对于成像面基准水平线的转角判定，如果实际成像相对于电视摄像机液晶显示器十字刻线顺时针旋转，则目标航天器相对于追踪航天器顺时针旋转，而追踪航天器相对于目标航天器逆时针旋转，则需控制追踪航天器顺时针旋转，直至太阳帆板及靶标支架的水平线相对于成像面基准水平线平行，反之亦然。

(4)相对距离：将目标航天器、对接机构和对接靶标作为基准尺寸，通过它们在电视摄像机上成像的大小确定相对距离参数。

(5)交会速度：根据在一定的时间内距离的变化量估算。根据目标航天外径尺寸的变化、对接部件和对接靶标底座的直径来估算速度。

(6)视线角速度：根据一定时间内，目标航天器沿视线角度偏差的变化量估算。

3、姿态和位置协调控制方法

航天员可通过观察目标航天器的图像来估算目标航天器沿视线的角度偏差和追踪航天器沿视线的角度偏差，然后对追踪航天器的姿态和横向位置偏差进行联合控制，控制的策略是通过姿态控制使目标航天器的图像尽量在视场中心，即追踪航天器相对于视线的角度偏差尽量小，然后通过平移控制减小目标航天器相对于视线的角度偏差，在减小目标航天器相对于视线的角度偏差的控制过程中，追踪航天器相对于视线的角度偏差可能会增大，因此需要不断通过姿态控制的微调使追踪航天器相对于视线的角度偏差尽量小。

当两航天器间的距离较小时，航天员通过观察对接靶标的图像来估算追踪航天器和目标航天器沿视线的角度偏差，然后进行控制。通过靶标上可伸出的十字架相对于靶标背景底盘上的十刻线之间的偏差来确定目标航天器沿视线的角度偏差。为修正该角度偏差，航天员应该横向移动追踪航天器质心直到十字架与十字刻线对准。

随着追踪航天器与目标航天器的不断接近，通过追踪航天器几何中心，进而对接机构的几何中心，进而靶标上可伸出十字架中心相对于电视摄像机屏幕上十字刻线的位置来确定追踪航天器沿视线的角度偏差。相互滚动由对接靶标的对称轴和电视摄像机屏幕上十字刻线之间的不平行度决定。为了校正角度偏差，航天员应该使追踪航天器绕质心旋转。

具体操作方法如下：

当两航天器间的相对距离较远时，以目标航天器整体为参考。首先进行追踪航天器的视线定向控制，消除追踪航天器相对于视线的偏差，使得目标航天器的图像位于电视摄像机的视场中心；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的上方，则控制追踪航天器向上抬头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的下方，则控制追踪航天器向下低头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的左侧，则控制追踪航天器向左扭头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的右侧，则控制追踪航天器向右扭头；若目标航天器太阳帆板的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有顺时针旋转，则控制追踪航天器顺时针旋转；若目标航天器太阳帆板的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有逆时针旋转，则控制追踪航天器逆时针旋转。

在完成追踪航天器的姿态视线定向控制后，目标航天器的图像位于电视摄像机的视场中心，但由于相对速度会使目标航天器的图像逐渐偏离视场中心，需对追踪航天器进行位置控制。这时若目标航天器的图像向上移动，则控制追踪航天器向上运动，直到图像停止移动；若目标航天器的图像向下移动，则控制追踪航天器向下运动，直到图像停止移动；若目标航天器的图像向左移动，则控制追踪航天器向左运动，直到图像停止移动；若目标航天器的图像向右移动，则控制追踪航天器向右运动，直到图像停止移动。完成上述位置控制后，需继续进行追踪航天器的视线定向控制，消除追踪航天器相对于视线的偏差，使得目标航天器的图像位于电视摄像机的视场中心。

当两航天器间的相对距离较近时，以靶标为参考目标。若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场的中心，则保持追踪航天器的当前姿态；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的上方，则控制追踪航天器向上抬头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的下方，则控制追踪航天器向下低头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的左侧，则控制追踪航天器向左扭头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的右侧，则控制追踪航天器向右扭头；若靶标背景底盘十字刻线的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有顺时针旋转，则控制追踪航天器顺时针旋转；若靶标背景底盘十字刻线的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有逆时针旋转，则控制追踪航天器逆时针旋转；同时，观察靶标十字架与靶标背景底盘十字刻线的相对位置，若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线上偏，则控制追踪航天器向上运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线下偏，则控制追踪航天器向下运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线左偏，则控制追踪航天器向左运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线右偏，则控制追踪航天器向右运动。

当根据靶标图像底盘图像的大小判定相对距离达到3～6米时，进行位置停泊保持。首先消除相对运动中前向和后向运动速度，使追踪航天器停泊在3～6米的位置并保持，利用上述姿态和位置协调控制的方法，使靶标稳定处在电视摄像机的屏幕中心处，且十字架图像和靶标背景底盘十字刻线的图像重合后，再对追踪航天器施加向前的推力一段时间，施加推力的时间由追踪航天器质量、推力大小和对接要求速度决定，使追踪航天器以恒定的速度接近并碰撞目标航天器，在接近的过程中，需对姿态和横向位置偏差进行微调，确保靶标稳定处在电视摄像机的屏幕中心且十字架图像和靶标背景底盘十字刻线的图像重合。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种人控交会对接操作方法，其特征在于步骤如下：

(1)追踪航天器为主动航天器，在其对接口附近安装电视摄像机，电视摄像机屏幕中心画有带刻度的十字线；目标航天器为被动航天器，在其对接口附近安装靶标，靶标包括一个背景底盘和一个伸出的十字架，背景底盘底面为黑色，上面有白色十字刻线和角度刻线，十字架为白色并从背景底盘中心伸出，十字架在背景底盘上的正投影与十字刻线重合；

(2)观察电视摄像机屏幕，采用位置和姿态协调控制的方法，当目标航天器的全部图像显示在屏幕上时，转步骤(3)，否则随着距离的减少，目标航天器的一部分图像显示在屏幕上，靶标的图像清晰，转步骤(4)，当根据靶标图像底盘图像的大小判定相对距离达到3～6米时，进行位置停泊保持，转步骤(5)；

(3)保持追踪航天器向目标航天器运动，首先结合陀螺测量信息对追踪航天器的姿态进行视线定向控制，消除追踪航天器相对于视线的偏差，使得目标航天器的图像位于电视摄像机的视场中心；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的上方，则控制追踪航天器向上抬头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的下方，则控制追踪航天器向下低头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的左侧，则控制追踪航天器向左扭头；若目标航天器的图像处在电视摄像机视场中心的右侧，则控制追踪航天器向右扭头；若目标航天器左右太阳帆板的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有顺时针旋转，则控制追踪航天器顺时针旋转；若目标航天器左右太阳帆板的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有逆时针旋转，则控制追踪航天器逆时针旋转；完成追踪航天器的姿态视线定向控制后，若目标航天器的图像向上移动，则控制追踪航天器向上运动；若目标航天器的图像向下移动，则控制追踪航天器向下运动；若目标航天器的图像向左移动，则控制追踪航天器向左运动；若目标航天器的图像向右移动，则控制追踪航天器向右运动；

(4)保持追踪航天器向目标航天器运动，对追踪航天器的姿态进行视线定向控制，消除追踪航天器相对于视线的偏差，使得靶标的图像位于电视摄像机的视场中心；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的上方，则控制追踪航天器向上抬头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的下方，则控制追踪航天器向下低头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的左侧，则控制追踪航天器向左扭头；若靶标背景底盘十字刻线的图像处在电视摄像机视场中心的右侧，则控制追踪航天器向右扭头；若靶标背景底盘十字刻线的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有顺时针旋转，则控制追踪航天器顺时针旋转；若靶标背景底盘十字刻线的图像相对于电视摄像机屏幕上的十字刻线有逆时针旋转，则控制追踪航天器逆时针旋转；同时，观察靶标十字架与靶标背景底盘十字刻线的相对位置，若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线上偏，则控制追踪航天器向上运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线下偏，则控制追踪航天器向下运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线左偏，则控制追踪航天器向左运动；若靶标十字架相对于靶标背景底盘十字刻线右偏，则控制追踪航天器向右运动；

(5)消除相对运动中前向和后向运动速度，同时利用步骤(4)中同样的方法消除姿态和横向位置偏差，使追踪航天器停泊在3～6米的位置并保持，使靶标稳定处在电视摄像机的屏幕中心处，且十字架图像和靶标背景底盘十字刻线的图像重合后，再对追踪航天器施加向前的推力，使追踪航天器以恒定的速度接近并碰撞目标航天器，在接近的过程中，利用步骤(4)对姿态和横向位置偏差进行微调，确保靶标稳定处在电视摄像机的屏幕中心且十字架图像和靶标背景底盘十字刻线的图像重合。

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