CN103569377A - 用于在轨服务的空间目标模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间在轨服务的空间目标模拟系统，包括在几何特征上模拟真实在轨卫星的空间目标本体模拟部分及空间目标运动模拟部分，空间目标本体模拟部分，包括有卫星本体、太阳帆板、太阳帆板支架、通信天线背板、星箭对接环和远地点发动机，太阳帆板设于太阳帆板支架上，太阳帆板支架、星箭对接环及远地点发动机设于卫星本体上；空间目标运动模拟部分包括空间目标质心位姿模拟部分及自旋运动模拟部分，自旋运动模拟部分放置与空间目标质心位姿模拟部分上，自旋运动模拟部分与所述的星箭对接环相连。本发明，可实现空间目标本体几何特征和运动状态的模拟，为在轨服务、目标测量及目标捕获的技术的研究提供操作对象。

Description

用于在轨服务的空间目标模拟系统

技术领域

本发明涉及航天器的在轨服务、目标测量及目标捕获的技术领域，具体地讲，是指用于在轨服务的空间目标模拟系统。

背景技术

所谓的在轨服务,是指在太空中通过人、机器人（或类机器人卫星）或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力的空间装配、维修和服务任务。

以往，在在轨服务任务中，对目标自主捕获技术的研究多集中于目标捕获策略、目标捕获规划与控制、目标捕获建模与控制等。对待捕获目标本身的特点及运动特性关注较少，在这些研究中，常将目标简化为三轴稳定或绕固定贺旋转的刚体。随着相关技术的发展和研究日益深入，在轨服务技术正逐步迈向工程实现阶段，迫切需要掌握待服务对象的运动学和动力学特性，并进行准确模拟，以为在地面开展充分的试验验证提供与在轨任务接近的操作对象，这是开展在轨服务任务仿真和试验验证的前提和基础。

目前，对自旋非合作目标在轨捕获技术的研究已取得一定的成果，包括自旋目标的测量和运动预测、捕获前规划、捕获后复合体系统稳定控制等。同时，对自旋目标运动特性分析及地面模拟方法也开展了部分研究，目前主要模拟的方法包括数字仿真、三轴转台和转台+气浮台。其中，数字仿真方法在系统分析与设计阶段十分重要，具有实现简单、投资少、灵活性高的优点，但某些部分难以用精确的数学模型进行描述，比如实际操作过程中的误差模型就很难精确的建立；在三轴转台方法中虽介入了物理模型，但由于其几何构型和体积方面的约束，不适合直观的演示目标的自主捕获任务，常用于研究目标姿态，模拟自旋轴的姿态运动；转台+气浮台的方式能很好的对自旋目标的位置和姿态进行模拟，在模拟效果上最为真实，但试验系统的建立和试验任务的开展非常复杂，需要投入巨大的成本，不利于前期关键技术的试验验证和典型操作任务的演示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在轨服务的空间目标模拟系统，其可克服上述缺陷，建立一种集合在轨航天器典型几何特征的目标模拟系统，并实现空间目标运动状态的模拟。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于空间在轨服务的空间目标模拟系统，包括在几何特征上模拟真实在轨卫星的空间目标本体模拟部分及空间目标运动模拟部分，所述的空间目标本体模拟部分，包括有卫星本体、太阳帆板、太阳帆板支架、通信天线背板、星箭对接环和远地点发动机，所述的太阳帆板设于所述的太阳帆板支架上，所述的太阳帆板支架、星箭对接环及远地点发动机设于所述的卫星本体上；所述的空间目标运动模拟部分包括空间目标质心位姿模拟部分及自旋运动模拟部分，所述的自旋运动模拟部分放置与空间目标质心位姿模拟部分上，所述的自旋运动模拟部分与所述的星箭对接环相连。

上述的空间目标质心位姿模拟部分为工业机器人。

上述的自旋运动模拟部分，其包括自旋轴、齿轮传动机构、驱动装置、力传感器及固定轴，所述的齿轮机构与所述的驱动装置相连，所述的齿轮传动机构、力传动器设于所述的固定轴上，所述的自旋轴与所述的齿轮传动机构相连。

上述的齿轮传动机构包括安装座、主动齿轮、中间齿轮及从动齿轮，所述的主动齿轮、中间齿轮及从动齿轮安装在所述的安装座上，所述的主动齿轮与所述的驱动装置相连，所述的主动齿轮与所述的中间齿轮相啮合，所述的从动齿轮与所述的中间齿轮相啮合。

采用上述技术方案后，本发明，可实现空间目标本体几何特征和运动状态的模拟，为在轨服务、目标测量及目标捕获的技术的研究提供操作对象。

附图说明

图1是            本发明空间目标模拟系统功能的示意图；

图2是            本发明的空间目标模拟系统的结构示意图；

图3是            本发明的空间目标本体模拟部分的结构示意图；

图4是            本发明的空间目标运动模拟部分的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

非合作目标测量和抓捕技术是在轨服务任务过程中的难点和关键技术，空间目标模拟系统，旨在为此关键技术的地面验证提供操作对象。参考图1、2所示，整个模拟系统包括空间目标本体模拟部分1和空间目标运动模拟部分2这两部分。空间目标本体模拟部分1包含了在轨航天器的典型几何特征，主要包括了太阳帆板11、太阳帆板支架12、通信天线背板13、星箭对接环14、远地点发动机15及卫星本体16（就是卫星外壳、长方体）、，这些部件的几何尺寸为真实在轨航天器按照一定缩放比而得到。空间目标运动模拟部分2可实现空间目标运动状态的模拟，包括平动、转动和自旋等，其主要包括空间目标质心位姿（位置和姿态）的模拟部分22和自旋运动模拟部分21两部分。

参考图3所示，空间目标本体模拟部分1的太阳帆板支架12为两个，分别设于卫星本体16的两侧，太阳帆板11与太阳帆板支架12相对应，每个太阳帆板11设于每个太阳帆板支架12上。在本模拟实施中，太阳帆板支架12为三角形，太阳帆板11是一种收集太阳能的装置，其基本原理是利用硅（Si）等金属的光电效应，将太阳能转化为电能，然后储存，在本实施例中，作为目标测量的对象之一。用于安装天线的通信天线背板13也设有两个，分别是安装在卫星本体16的另外两侧，在本实施例中，其是作为目标测量的对象之一，即其可以作为位姿测量的特征。星箭对接环14，其是用于与火箭对接时的机构，其安装在卫星本体16的上表面，在本实施例中，作为目标测量的对象和目标捕获的捕获点之一。

远地点发动机15，其用于对卫星进行轨道转移，到达任务轨道；在实施时，其穿过星箭对接环14设于卫星本体16的上表面，在本实施例中，作为目标测量的对象和目标捕获的捕获点之一。

参考图4所示，空间目标运动模拟部分2，其包括有空间目标质心位姿的模拟部分22及自旋运动模拟部分21，其中：

自旋运动模拟部分21，其包括自旋轴211、齿轮传动机构212、驱动装置213、力传感器214及固定轴215，其中：在本实施例中，驱动装置213为电机，齿轮传动机构212包括安装座2121、主动齿轮2122、中间齿轮2123及从动齿轮2124，从动齿轮2124与自旋轴211固设。主动齿轮2122、中间齿轮2123及从动齿轮2124安装在安装座2121上，安装座2121固设在固定轴215上，主动齿轮2122与电机相连，其在电机的带动下转动，中间齿轮2123与主动齿轮2122相啮合，因此，主动齿轮2122也带动中间齿轮2123转动，从动齿轮2124与中间齿轮2123相啮合，因此，从动齿轮2124也在中间齿轮2123的带动下转动，从而带动自旋轴211转动，自旋轴211的上端与星箭对接环14相连。传感器214安装在固定轴215的下端。

自旋运动模拟部分21，安装有力传感器214。力传感器214可测量三维的力和力矩，用于感知外部对卫星本体16及安装与其上各部件实施操作的情况。

空间目标质心位姿的模拟部分22，在本实施例中，其由6自由度工业机器人来实现。空间目标质心位姿模拟部分22，包括目标质心位置模拟（3自由度）和目标质心姿态模拟（3自由度）共6自由度的运动，其中姿态模拟部分由自旋轴211表示其姿态中的坐标Z轴方位，其余两个方位坐标轴X和Y根据右手定则处于Z轴的法平面。即，自旋轴211的姿态可表示空间目标质心姿态，自旋轴211安置与工业机器人末端，自旋轴211和工业机器人末端的交点即空间目标的质心的位置。根据空间目标运动规律，可得到空间目标质心所需模拟的位置和姿态（即工业机器人末端的位姿）共6自由度的运动，由工业机器人的运动学逆解，可获得工业机器人各关节角期望的角度，通过对工业机器人实施控制使其处于期望的状态（各个关节角等于期望的角度），即完成了空间目标质心位姿的模拟。

在具体实施时， 6自由度的工业机器人，可采用固高科技（深圳）有限公司提供的GRB3016机器人系统。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于空间在轨服务的空间目标模拟系统，其特征在于：包括在几何特征上模拟真实在轨卫星的空间目标本体模拟部分及空间目标运动模拟部分，所述的空间目标本体模拟部分，包括有卫星本体、太阳帆板、太阳帆板支架、通信天线背板、星箭对接环和远地点发动机，所述的太阳帆板设于所述的太阳帆板支架上，所述的太阳帆板支架、星箭对接环及远地点发动机设于所述的卫星本体上；所述的空间目标运动模拟部分包括空间目标质心位姿模拟部分及自旋运动模拟部分，所述的自旋运动模拟部分放置与空间目标质心位姿模拟部分上，所述的自旋运动模拟部分与所述的星箭对接环相连。

2.根据权利要求1所述的用于在轨服务的空间目标模拟系统，其特征在于：所述的空间目标质心位姿模拟部分基于工业机器人来实现。

3.根据权利要求1或2所述的用于在轨服务的空间目标模拟系统，其特征在于：所述的自旋运动模拟部分，其包括自旋轴、齿轮传动机构、驱动装置、力传感器及固定轴，所述的齿轮机构与所述的驱动装置相连，所述的齿轮传动机构、力传动器设于所述的固定轴上，所述的自旋轴与所述的齿轮传动机构相连。

4.根据权利要求3所述的用于在轨服务的空间目标模拟系统，其特征在于：所述的齿轮传动机构包括安装座、主动齿轮、中间齿轮及从动齿轮，所述的主动齿轮、中间齿轮及从动齿轮安装在所述的安装座上，所述的主动齿轮与所述的驱动装置相连，所述的主动齿轮与所述的中间齿轮相啮合，所述的从动齿轮与所述的中间齿轮相啮合。

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