CN106546204A - 一种舱间分离相对位置与姿态测量方法 - Google Patents

一种舱间分离相对位置与姿态测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种简易的舱间分离过程相对位置与姿态测量方法，采用拉线式传感器，快速给出舱间分离的相对位置与姿态测量结果，具体包括步骤1：搭建测量系统，将3个拉线式位移传感器a、b、c均匀分布在半径为R的舱段分离面圆周上；其中位移传感器a、b、c包括固定端和活动端，固定端和活动端通过拉线连接且分别安装在相邻两个舱段的分离面上；步骤2：航天器在太空中舱间分离阶段，随着舱段分离的相对位置和相对姿态发生变化，位移传感器的固定端和活动端分离，拉线被拉出，同时活动端记录位移传感器a、b、c的拉线长度la、lb和lc；步骤3：根据la、lb和lc的长度解算出舱段分离的相对位置和相对姿态。

Description

一种舱间分离相对位置与姿态测量方法
技术领域
本发明属于航天器总体设计领域，尤其涉及一种舱间分离过程相对位置与姿态测量方法，适用于无人航天器舱间分离测量。
背景技术
随着航天器构造复杂化，多舱段结构已成为现行航天器的主要模式，尤其是深空探测，星际旅行、空间站和返回式卫星，均有舱间分离的工作要求。对于大多数存在舱间分离任务的航天器而言，一般都是通过火工装置来实现，但火工装置的遥测只能判断舱段间的解锁，无法判断舱段间的分离，因此往往需要通过安装测量装置，来实现对舱间分离状态的判断。一种典型的方法是通过安装雷达测量或者激光测距仪，实现对分离速度和分离距离的测量。但该系统设备复杂、占用资源多、费效比低，而且单个设备无法给出舱段分离的姿态信息。另一种典型的测量手段是在舱间分离面安装视频装置，从而通过可视化的手段实现对舱间分离的监测。但视频装置系统复杂，可靠性差，而且数据量大，占用星上通信资源，最为重要的是，视频装置测量信息处理算法复杂，虽能给出舱间分离的直观感觉，但很难定量给出舱间分离过程的相对位置和姿态信息，不满足航天器简化设计的发展趋势。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种简易的舱间分离过程相对位置与姿态测量方法，采用拉线式传感器，快速给出舱间分离的相对位置与姿态测量结果。
一种舱间分离相对位置与姿态测量方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建测量系统，将3个拉线式位移传感器a、b、c均匀分布在半径为R的舱段分离面圆周上；
其中位移传感器a、b、c包括固定端和活动端，固定端和活动端通过拉线连接且分别安装在相邻两个舱段的分离面上；
步骤2：航天器在太空中舱间分离阶段，随着舱段分离的相对位置和相对姿态发生变化，位移传感器的固定端和活动端分离，拉线被拉出，同时活动端记录位移传感器a、b、c的拉线长度la、lb和lc；
步骤3：根据la、lb和lc的长度解算出舱段分离的相对位置和相对姿态。
进一步地，步骤3中所述的根据la、lb和lc的长度解算出舱段分离的相对位置和相对姿态，包括以下步骤：
步骤31：基于卫星本体坐标系XYZ，假设O、O′分别为相邻两个舱段分离面的圆心，Ma、Mb、Mc分别为位移传感器a、b、c的固定端；ma、mb、mc为位移传感器a、b、c的活动端；S为两个舱段分离面圆心的相对位移；θ为俯仰角，即舱段沿Y轴转动的角度；φ为偏航角，即舱段沿Z轴转动的角度；v为舱段分离相对速度；ωy为舱段分离相对俯仰角速度；ωz为舱段分离相对偏航角速度；
步骤32：将位移传感器b和c固定端与活动端的连线MbMc和mbmc的中点分别设置为E、F，则有
步骤33：将方程(2)代入方程(1)中，得到舱段相对位移S
步骤34：计算偏航角φ，根据Mb与Mc分别呈120°夹角位于半径为R的分离面上，由此几何关系得到
因此得到偏航角φ计算公式
步骤35：计算俯仰角θ，由于得到
因此得到俯仰角θ的计算公式
步骤36：测量并计算两个不同时刻t1和t2的舱段相对位移S1、S2，俯仰角θ1、θ2，偏航角φ1、φ2；
步骤37：通过差分方法计算相对分离速度v、相对俯仰角速度ωy以及相对偏航角速度ωz：
有益效果：
(1)本发明的舱间分离相对位置与姿态测量系统配置简单，重量轻，仅需要三个拉线式位移传感器；且位移传感器为近纯机械结构，可靠性高；
(2)本发明的舱间分离相对位置与姿态测量方法系统功耗极小，位移传感器数据量仅为几个字节，节省航天器能源和信道资源；
(3)本发明的舱间分离相对位置与姿态测量方法运算简单，能够同时快速、定量的给出舱段分离过程的相对位置和相对姿态测量信息。
附图说明
图1是本发明的位移传感器圆周方向的分布示意图。
图2是本发明的测量原理示意图。
图3是本发明的舱段分离相对位置示意图。
图4是本发明的偏航角测量原理图。
图5是本发明的返回卫星位移传感器安装状态示意图。
图6是本发明的返回卫星舱间分离时位移传感器拉线状态示意图。
1-位移传感器a，2-位移传感器b，3-位移传感器c。
具体实施方式
本发明一种舱间分离相对位置与姿态测量方法，包括3个拉线式位移传感器，每个位移传感器由固定端、活动端和拉线组成，固定端和活动端分别安装在需要分离的两个舱段上。
图1为位移传感器圆周方向的分布示意图，位移传感器a1安装在以分离面圆心为原点的卫星本体坐标系下的-Z轴方向，同时与圆心距离为R；位移传感器b2安装在与位移传感器a同一圆周的-YOZ象限，且与位移传感器a的夹角为120°；位移传感器c3安装在与位移传感器a同一圆周的YOZ象限，且与位移传感器a和位移传感器b均形成120°夹角。
图2为本发明的测量原理示意图。基于卫星本体坐标系，假设O、O′分别为两个舱段分离面的圆心，Ma、Mb、Mc分别为位移传感器a、b、c的固定端；ma、mb、mc为位移传感器a、b、c的活动端；R为3个位移传感器的安装半径，即位移传感器到分离面圆心的距离；S为舱间分离相对位置，即两个舱段分离面圆心的相对距离；θ为俯仰角，即舱段沿Y轴转动的角度；φ为偏航角，即舱段沿Z轴转动的角度；v为舱段分离相对速度；ωy为舱段分离相对俯仰角速度；ωz为舱段分离相对偏航角速度；且位移传感器b和c固定端与活动端的连线MbMc和mbmc的中点分别设置为E、F，则得到方程(11)：
其中G为mbmc中点F到位移传感器a拉线la的垂足，N为如图3所示的位移传感器a拉线la的垂线FG与两个分离面圆心距离OO′的交点；同时由方程(11)可得
则有
同时因为E、F分别为MbMc和mbmc的中点，可得
步骤3：计算舱段相对位移S，将方程(4)代入方程(13)中，得到
步骤4：计算偏航角φ，根据Mb与Mc分别呈120°夹角位于半径为R的分离面上，如图4所示几何关系得到
因此得到偏航角φ计算公式
步骤5：计算俯仰角θ，根据假设条件可得
将方程(4)代入方程(8)，同时由于得到
因此得到俯仰角θ的计算公式
下面结合某返回卫星仪器舱和返回舱在轨分离过程的具体实施方式对本发明方法进行说明：
步骤A、如图5所示，位移传感器a、位移传感器b和位移传感器c均匀安装在舱段分离面半径为1m的圆周上，位移传感器a位于-Y方向，位移传感器b和c各间隔120°，固定端安装在仪器舱，活动端安装在返回舱。卫星发射及在轨运行期间，仪器舱与返回舱处于压紧连接状态，3个位移传感器输出信号均为零；
步骤B、如图6所示，返回舱与仪器舱分离时，3个位移传感器的拉线均被拉出，在t1＝0.2s时长度分别为la＝0.10m，lb＝0.11m，lc＝0.11m，t2＝0.4s时拉出长度分别为la＝0.41m，lb＝0.42m，lc＝0.425m。
步骤C、地面根据遥测接收到的不同时刻的拉线长度，计算舱段分离过程的相对位置和相对姿态：
t1时刻相对位置与相对姿态为
相对位置
俯仰角
偏航角
t2时刻相对位置与相对姿态为
相对位置
俯仰角
偏航角
步骤D、根据t1和t2时刻的测量信息，通过差分得到该过程中的相对速度和相对角速度：
相对速度
俯仰角速度
偏航角速度
本实施方式中，位移传感器a、b、c的相对安装位置可变换，测量的俯仰角和偏航角计算公式相应变化，但原理相同。本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种舱间分离相对位置与姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：搭建测量系统，将3个拉线式位移传感器a、b、c均匀分布在半径为R的舱段分离面圆周上；
所述位移传感器a、b、c包括固定端和活动端，固定端和活动端通过拉线连接且分别安装在相邻两个舱段的分离面上；
步骤2：航天器在太空中舱间分离阶段，随着舱段分离的相对位置和相对姿态发生变化，位移传感器的固定端和活动端分离，拉线被拉出，同时活动端记录位移传感器a、b、c的拉线长度la、lb和lc；
步骤3：根据la、lb和lc的长度解算出舱段分离的相对位置和相对姿态。
2.如权利要求1所述的一种舱间分离相对位置与姿态测量方法，其特征在于，步骤3中所述的根据la、lb和lc的长度解算出舱段分离的相对位置和相对姿态，包括以下步骤：
步骤31：基于卫星本体坐标系XYZ，假设O、O′分别为相邻两个舱段分离面的圆心，Ma、Mb、Mc分别为位移传感器a、b、c的固定端；ma、mb、mc为位移传感器a、b、c的活动端；S为两个舱段分离面圆心的相对位移；θ为俯仰角，即舱段沿Y轴转动的角度；φ为偏航角，即舱段沿Z轴转动的角度；v为舱段分离相对速度；ωy为舱段分离相对俯仰角速度；ωz为舱段分离相对偏航角速度；
步骤32：将位移传感器b和c固定端与活动端的连线MbMc和mbmc的中点分别设置为E、F，则有
步骤33：将方程(2)代入方程(1)中，得到舱段相对位移S
步骤34：计算偏航角φ，根据Mb与Mc分别呈120°夹角位于半径为R的分离面上，由此几何关系得到
因此得到偏航角φ计算公式
。
步骤35：计算俯仰角θ，由于得到
因此得到俯仰角θ的计算公式
步骤36：测量并计算两个不同时刻t1和t2的舱段相对位移S1、S2，俯仰角θ1、θ2，偏航角φ1、φ2；
步骤37：通过差分方法计算相对分离速度v、相对俯仰角速度ωy以及相对偏航角速度ωz：
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