CN107244432B - 自由基座空间合作任务运动再现实验系统 - Google Patents

Abstract

自由基座空间合作任务运动再现实验系统，属于航天任务地面验证领域。本发明针对现有的空间合作任务地面验证系统不能模拟航天器轨道运动这一不足，利用自由基座模拟航天器的轨道运动，在自由基座上安装任务执行机构，用于完成合作任务。本发明能在地面运动再现空间合作任务从远距离导引、机动变轨、目标逼近到最终任务执行的完整过程，验证变轨控制方案与任务控制方案的可行性。

Description

自由基座空间合作任务运动再现实验系统

技术领域

本发明属于航天任务地面验证领域，具体涉及一种可用于地面验证空间合作任务变轨控制方案与任务控制方案可行性的实验系统。

背景技术

空间合作任务涉及多个航天器协调完成特定的工作任务，包括交会对接、在轨燃料传输、在轨模块更换、在轨组装等在内的各类在轨服务，空间站的补给、修复等都属于空间合作任务的范畴。近年来，空间合作任务的研究得到了迅速的发展和广泛的应用，已成为世界航天业的发展热点。1997年11月发射的日本工程实验卫星-7计划(ETS-VII)，通过利用安装在追踪星上的机械臂对目标星实施了在轨模块跟换、燃料补给、桁架组装与天线调配等任务。2004年，日本国家信息和通信技术研究中心(NICT)提出了轨道维护系统(OMS)，用于卫星在轨监测、维护、营救以及轨道碎片与废弃卫星的清理等任务。2007年3月8日，美国实施了“轨道快车”计划，发射的ASTRO航天器和NEXTSat航天器成功实现了自主交会与接近、在轨燃料传输、电源和姿态计算机在轨更换等一系列在轨服务。在欧洲，针对空间合作任务，提出了以自主交会对接动力学研究为目标的实验服务卫星计划(ESS)、同步卫星轨道重置机器人计划(ROGER)、轨道寿命延长系统(SLES)、自动转移飞行器(ATV)等。我国的空间合作任务的研究还处于发展阶段，神舟十号载人飞船与天宫一号的成功对接标志着我过已经掌握空间交会对接技术，下一步工作的核心是建立有人照料的空间站，因此未来我国空间合作任务的实施必将更加频繁。

为确保空间合作任务的成功率，任务执行前必须通过地面实验验证变轨控制方案与任务控制方案的可行性。现有的验证空间合作任务的地面实验系统大都不能模拟航天器的轨道运动：一类是建立在固定轨道上，无法模拟航天器的机动变轨运动，另一类只考虑航天器的相对轨道运动，忽略绝对轨道运动。因此急需发展一种能模拟航天器轨道运动的空间合作任务验证系统。而本发明提出的自由基座空间合作任务运动再现实验系统利用自由基座实现航天器轨道运动的模拟，地面真实运动再现空间合作任务的全过程，能验证空间合作任务变轨控制方案与任务控制方案的可行性。

发明内容

本发明的目的：发明的自由基座空间合作任务运动再现实验系统旨在克服现有空间合作任务地面验证技术不能模拟航天器轨道运动的不足，提供一个能真实验证空间合作任务变轨控制方案与任务控制方案可行性的地面验证系统。

本发明的技术方案：

自由基座空间合作任务运动再现实验系统包含控制中心、第一合作目标与第二合作目标。控制中心接收和发送合作目标自由基座的位置与方位角信息，同时发送协调指令，控制两合作目标完成期望的合作任务。两合作目标具有相同的单元组成，都包含定位相机、位姿相机、自由基座、任务执行机构、自由基座定位单元、轨道控制单元、相对位姿测量单元、任务控制单元、通信单元。两合作目标所包含的各单元的功能相同。

本发明中，运动再现指的是将空间合作任务从远距离导引、机动变轨、目标逼近到最终任务执行的过程在地面通过控制两合作目标自由基座的机动变轨与任务执行机构的运动完整再现出来。运动再现的过程也就是验证空间合作任务变轨控制方案与任务控制控制方案可行性的过程。

本发明的有益效果：本发明通过空间目标的动力学计算与地面自由基座的等效运动，将航天器的轨道运动通过地面自由基座运动模拟实现，克服了传统空间合作任务地面验证系统不能模拟航天器轨道运动这一不足，能地面运动再现空间合作任务从远距离导引、机动变轨、目标逼近到最终任务执行的完整过程，验证空间合作任务的变轨控制方案与任务控制方案的可行性。

附图说明

图1为本发明的原理框图

图2为本发明的机械结构示意图

具体实施方式

结合图1，本发明包含控制中心、第一合作目标与第二合作目标，通过第一合作目标与第二合作目标验证空间合作任务变轨控制方案与任务控制控制方案可行性。第一合作目标与第二合作目标包括相同的单元组成，都包含定位相机、位姿相机、自由基座、任务执行机构、自由基座定位单元、轨道控制单元、相对位姿测量单元、任务控制单元、通信单元。

下面以第一合作目标为例，具体介绍各单元的功能。

定位相机：垂直指向天花板，观测天花板上的定位特征点，将图像信息传递给自由基座定位单元。

位姿相机：观测安装在第二合作目标任务执行机构上的视觉靶面，将图像信息发送给相对位姿测量单元。

自由基座：通过响应轨道控制单元的速度指令，变轨变速模拟航天器轨道运动。

任务执行机构：响应任务控制单元发送的指令，完成特定的合作任务。任务执行机构为可替换单元，根据不同的合作任务内容可安装不同的执行机构。如完成抓取任务，可以安装机械臂作为任务执行机构；完成对接任务，可以安装对接机构作为任务执行机构。

自由基座定位单元：利用图像分割算法提取定位相机图像中的定位特征点，利用卡尔曼滤波算法将特征点信息与自由基座位移量信息融合，确定自由基座当前的位置与方位角。

轨道控制单元：基于变轨控制方案与航天器的轨道动力学模型，计算航天器的当前位置与速度，通过比例等效变换，得到自由基座模拟航天器轨道运动所需的期望位置与速度，进而根据自由基座的位置与方位角信息，计算自由基座的速度指令。

轨道控制单元基于变轨控制方案与航天器的轨道动力学模型，计算航天器的当前位置与速度，通过比例等效变换，得到自由基座模拟航天器轨道运动所需的期望位置与速度，进而根据自由基座的位置与方位角信息，计算自由基座的速度指令，自由基座通过响应轨道控制单元的速度指令，变轨变速模拟航天器轨道运动。

相对位姿测量单元：利用图像分割算法提取位姿相机图像中的视觉特征点，基于特征点信息解算第二合作目标任务执行机构的相对位置与姿态。

任务控制单元：基于相对位姿信息、协调指令以及任务控制方案产生任务执行机构指令，并发送给任务执行机构。

通信单元：与控制中心进行信息交互，发送和接收自由基座的位置与方位角信息以及协调指令。

结合图2，详细说明本发明的机械结构。

自由基座采用轮式差分驱动方式，通过改变驱动轮的速度来改变自由基座的位置、方位角与速度。自由基座上安装有光电编码盘，记录自由基座的位移量。自由基座作为载体，在其上安装定位相机、位姿相机与任务执行机构。

定位相机竖直安装在自由基座上，定位相机的光轴垂直指向天花板，在室内环境中，定位相机观测天花板上的视觉特征点。观测到的视觉特征点信息与自由基座的位移量信息融合，确定自由基座的位置与方位角。

图2所示的任务执行机构用于交会对接任务。第一合作目标的任务执行机构有一个竖直平动自由度和三个转动自由度，第二合作目标的任务执行机构有三个平动自由度和三个转动自由度。任务执行机构为可替换单元，根据任务的不同可以安装不同的任务执行机构，如完成抓取任务可以将机械臂作为任务执行机构。

位姿相机安装在任务执行机构上。在每个任务执行机构上安装视觉靶面。第一合作目标的位姿相机通过观测第二合作目标任务执行机构上安装的视觉靶面可以计算出第二合作目标任务执行机构的相对位置与姿态。第二合作目标的位姿相机通过观测第一合作目标任务执行机构上安装的视觉靶面可以计算出第一合作目标任务执行机构的相对位置与姿态。

每个合作目标都有两种工作方式：主动合作与被动合作。当一个合作目标的工作方式为主动合作，另一个合作目标的工作方式为被动合作时，被动合作目标模拟航天器的轨道运动，在特定的轨道上运行，其任务执行机构的位置与姿态保持不变，此时主动合作目标机动靠近被动合作目标，调整自身任务执行机构的位置与姿态，执行空间合作任务。当两个合作目标的工作方式都为主动合作时，两个合作目标自主机动到指定的地点交会，在控制中心的协调下各自调整任务执行机构的位置与姿态，共同完成空间合作任务。

以两个合作目标的工作方式都为主动合作，合作任务为交会对接为例，具体说明本发明提出的自由基座空间合作任务运动再现实验系统的工作过程：

(1)根据任务需求，确定两合作目标各自的变轨控制方案与任务控制方案，将变轨控制方案下载到轨道控制单元，将任务控制方案下载到任务控制单元；

(2)确定两合作目标的初始位置与初始轨道参数，将两合作目标移动到各自的初始位置，同时将初始轨道参数下载到轨道控制单元；

(3)控制中心发送启动指令给两合作目标，两合作目标在各自轨道控制单元的作用下，控制自由基座按照期望的轨道参数运动；

(4)当两合作目标处于稳定的轨道运动时，控制中心根据任务需求，确定两合作目标的交会时间与交会地点，并将此信息发送给两合作目标；

(5)两合作目标按照变轨控制方案在轨道控制单元的作用下机动变轨，在指定的时间到达指定的交会地点；

(6)当两合作目标实现交会后，启动任务控制单元；

(7)两合作目标任务控制单元在控制中心的协调控制下，按照任务控制方案，分别调整各自对接机构的位置与姿态，共同完成对接任务；

(8)控制中心发送分离指令给两合作目标，两合作目标分离；

(9)两合作目标按照变轨控制方案机动变轨，回到各自的初始轨道；

(10)控制中心发送终止指令，两合作目标停止运动，任务验证。

Claims (1)

1.自由基座空间合作任务运动再现实验系统，其特征在于：包含控制中心、第一合作目标与第二合作目标；其中第一合作目标与第二合作目标具有相同的单元组成，都包含定位相机、位姿相机、自由基座、任务执行机构、自由基座定位单元、轨道控制单元、相对位姿测量单元、任务控制单元、通信单元；

定位相机垂直指向天花板，观测天花板上的定位特征点，将图像信息传递给自由基座定位单元；位姿相机观测安装在第二合作目标任务执行机构上的视觉靶面，将图像信息发送给相对位姿测量单元；

轨道控制单元基于变轨控制方案与航天器的轨道动力学模型，计算航天器的当前位置与速度，通过比例等效变换，得到自由基座模拟航天器轨道运动所需的期望位置与速度，进而根据自由基座的位置与方位角信息，计算自由基座的速度指令，自由基座通过响应轨道控制单元的速度指令，变轨变速模拟航天器轨道运动；

自由基座采用轮式差分驱动方式，通过改变驱动轮的速度来改变自由基座的位置、方位角与速度；自由基座上安装有光电编码盘，记录自由基座的位移量；自由基座作为载体，在其上安装定位相机、位姿相机与任务执行机构；自由基座通过响应轨道控制单元的速度指令，变轨变速模拟航天器轨道运动；自由基座定位单元通过卡尔曼滤波算法融合定位相机观测到的天花板视觉特征点信息与自由基座的位移量信息，确定自由基座的位置与方位角；

任务控制单元基于相对位置测量单元提供的相对位姿信息、控制中心发送到协调指令以及任务控制方案，产生任务执行机构指令，控制任务执行机构完成空间合作任务；任务执行机构响应任务控制单元发送的指令，完成特定的合作任务，任务执行机构为可替换单元，根据不同的合作任务内容可安装不同的执行机构，完成抓取任务，安装机械臂作为任务执行机构；完成对接任务，安装对接机构作为任务执行机构；

相对位姿测量单元利用图像分割算法提取位姿相机图像中的视觉特征点，基于特征点信息解算第二合作目标任务执行机构的相对位置与姿态；

任务控制单元基于相对位姿信息、协调指令以及任务控制方案产生任务执行机构指令，并发送给任务执行机构；通信单元与控制中心进行信息交互，发送和接收自由基座的位置与方位角信息以及协调指令；

任务执行机构为可替换单元，根据任务的不同安装不同的任务执行机构完成抓取任务将机械臂作为任务执行机构；一个具体的任务执行机构应用实例为交会对接，第一合作目标的任务执行机构有一个竖直平动自由度和三个转动自由度，第二合作目标的任务执行机构有三个平动自由度和三个转动自由度；

位姿相机安装在任务执行机构上，在每个任务执行机构上安装视觉靶面；第一合作目标的位姿相机通过观测第二合作目标任务执行机构上安装的视觉靶面计算出第二合作目标任务执行机构的相对位置与姿态；第二合作目标的位姿相机通过观测第一合作目标任务执行机构上安装的视觉靶面计算出第一合作目标任务执行机构的相对位置与姿态；每个合作目标都有两种工作方式：主动合作与被动合作；当一个合作目标的工作方式为主动合作，另一个合作目标的工作方式为被动合作时，被动合作目标模拟航天器的轨道运动，在特定的轨道上运行，其任务执行机构的位置与姿态保持不变，此时主动合作目标机动靠近被动合作目标，调整自身任务执行机构的位置与姿态，执行空间合作任务；当两个合作目标的工作方式都为主动合作时，两个合作目标自主机动到指定的地点交会，在控制中心的协调下各自调整任务执行机构的位置与姿态，共同完成空间合作任务；

以两个合作目标的工作方式都为主动合作，合作任务为交会对接为例，自由基座空间合作任务运动再现实验系统的工作过程为：

(1)根据任务需求，确定两合作目标各自的变轨控制方案与任务控制方案，将变轨控制方案下载到轨道控制单元，将任务控制方案下载到任务控制单元；

(2)确定两合作目标的初始位置与初始轨道参数，将两合作目标移动到各自的初始位置，同时将初始轨道参数下载到轨道控制单元；

(3)控制中心发送启动指令给两合作目标，两合作目标在各自轨道控制单元的作用下，控制自由基座按照期望的轨道参数运动；

(4)当两合作目标处于稳定的轨道运动时，控制中心根据任务需求，确定两合作目标的交会时间与交会地点，并将此信息发送给两合作目标；

(5)两合作目标按照变轨控制方案在轨道控制单元的作用下机动变轨，在指定的时间到达指定的交会地点；

(6)当两合作目标实现交会后，启动任务控制单元；

(7)两合作目标任务控制单元在控制中心的协调控制下，按照任务控制方案，分别调整各自对接机构的位置与姿态，共同完成对接任务；

(8)控制中心发送分离指令给两合作目标，两合作目标分离；

(9)两合作目标按照变轨控制方案机动变轨，回到各自的初始轨道；

(10)控制中心发送终止指令，两合作目标停止运动，任务验证。