CN109250157A - 一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，过程为：估计目标在接触点的最大线速度v_t与机械臂在预估的接触点处的最大移动速度v_a，比较v_t与v_a，v_a＞v_t时，再控制机械臂与目标触碰；再控制机械臂对目标消旋；再测量机械臂关节叫与服务星转速，判断机械臂关节叫与服务星转速是否超安全阈值；若是，则控制机械臂解除解除，控制服务卫星的姿态以及与目标的相对位置；再观测目标角速度该变量；再计算碰撞过程中产生的冲量以及目标的转动惯量；再计算目标的角动量大小，并判断是都符合抓捕条件；若符合，则服务卫星对目标进行抓捕，实现最终捕获。

Description

一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法

技术领域

本发明涉及航天领域的空间在轨服务技术，特别涉及一种针对高速翻滚卫星的捕获方法，具体为一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法。

背景技术

随着人类对太空资源的开发规模越来越大，太空中的故障卫星的数目也越来越多。目前，对空间非合作的故障卫星进行在轨捕获、回收和维修的技术得到了各国研究人员的重视。由于空间中空气阻力的影响十分微弱，因此故障卫星在初始控制力和空间环境力的作用下往往陷入自旋状态，这使得对其进行捕获的过程更加困难。

当前广泛采用的针对非合作目标的捕获方法是使用单个或多个机械臂对目标进行接近和抓捕，其优点是可以在捕获后迅速使目标稳定下来，从而对其进行下一步的操作。但是，当目标的转动惯量过大或自旋的角速度过大时，抓捕过程中会面临两方面的危险：其一是抓捕时的碰撞力过大，容易对机械臂或目标造成严重的损坏；其二是目标的角动量超出服务卫星的掌控范围，使得服务卫星也陷入失控旋转的状态。为了避免以上危险情况发生，需要提高服务卫星基座和机械臂的控制力，这就会显著增加在轨服务的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是使用控制功率较小的服务卫星和机械臂对高速旋转且质量较大的空间非合作空间目标进行捕获。本发明提供一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，由于空间目标相对服务卫星质量较大，因此本发明所述的方法需要使机械臂末端多次与空间目标进行尝试性的接触，在多次接触过程中逐渐降低空间目标的自旋速度并辨识出空间目标的转动惯量的大小，实现点刹式的消旋，从而最终实现安全抓捕。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，包括如下步骤：

步骤1)服务卫星第一次与空间目标接触前预估接触点的位置，然后计算服务卫星机械臂末端在预估的接触点处所能达到的最大移动速度，然后比较空间目标在预估的接触点处的最大线速度v_t与机械臂在预估的接触点处的最大移动速度v_a；

若v_a≥v_t，则进行步骤2)；

若v_a＜v_t，则调整服务卫星与空间目标的相对位置，若通过调整位置仍无法使机械臂在预估的接触点处的最大移动速度大于空间目标在预估的接触点处的最大线速度，则放弃抓捕任务；

步骤2)控制机械臂沿平行于服务卫星质心与空间目标质心连线的方向向预估的接触点移动，直至机械臂与空间目标接触；

在机械臂与空间目标接触接触后，机械臂沿碰撞力的反方向施加控制力，使空间目标旋转降低；当机械臂的任意关节角度或者服务卫星角速度超过安全区域时，则控制机械臂以最大速度沿着碰撞力的方向移动，解除与空间目标的接触状态；

步骤3)在服务卫星的机械臂与空间目标脱离接触状态后，服务卫星将自身的姿态稳定下来，同时重新接近空间目标并与之保持相对位置的稳定；

服务卫星在自身姿态稳定的过程中计算碰撞过程中产生的冲量大小ΔW，得到空间目标角动量改变的大小ΔL_t；然后再得到空间目标的旋转速度在碰撞前后的改变量Δω_t，建立对空间目标转动惯量I的观测模型；

通过多次碰撞，确定转动惯量估测值；

步骤4)利用碰撞后的转动惯量的估计值和角速度计算空间目标碰撞后的角动量大小L_t；

步骤5)若空间目标的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，则服务卫星下次与空间目标接触过程不再解除接触状态，实现最终捕获；

若空间目标的角动量大于等于服务卫星的最大捕获能力，则重复步骤2)至步骤4)，直至空间目标的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，服务卫星将空间目标捕获。

优选的，步骤1)中，预估的接触点位置位于空间目标前缘点与外缘点之间的中点处，其中前缘点指服务卫星质心与空间目标质心的连线与空间目标前缘的交点，外缘点指空间目标前缘线与迎着服务星旋转一侧的外缘线的交点，如附图1所示。

优选的，步骤1)中，空间目标在预估的接触点处的最大线速度v_t为：

其中，是服务卫星本体坐标系到空间目标本体坐标系的旋转矩阵，为向量r_P在服务卫星本体坐标系中表示的分量，向量r_P为服务卫星质心指向预估的接触点的向量。

优选的，步骤1)中，机械臂在预估的接触点处的最大移动速度v_a为：

其中，N为机械臂的关节数目，为机械臂末端移动到预估的接触点时机械臂的第i个连接段相对于第i-1个连接段的旋转矩阵，r_k为机械臂第k+1个关节的位置在第k个连接段上的坐标，ω_k,max为机械臂第k个关节的最大旋转速度。

优选的，步骤2)中，服务卫星自转角速度的安全区域为：

[-βω_c,max,βω_c,max]

其中，ω_c,max为服务卫星可控的最大自旋角速度，β为安全系数。

优选的，步骤2)中，机械臂的任意关节角度的安全区域为：

[βθ_i,min,βθ_i,max]

其中，θ_i,min和θ_i,max分别为机械臂第i各关节角允许的最小转角与最大转角。

优选的，步骤3)中，碰撞过程中产生的冲量大小空间目标角动量改变的大小其中，t_o和t_f分别为服务卫星姿态稳定控制过程的开始时刻和结束的时刻，F_c(t)为t时刻服务卫星受到的控制力。

优选的，步骤3)中，碰撞过程中产生的冲量大小ΔW＝Δv_cm_c，其中，m_c为服务卫星的质量，Δv_c为碰撞后服务卫星质心的移动速度。

优选的，步骤3)中，空间目标转动惯量I的观测模型为

优选的，步骤3)中，通过多次碰撞，得到多组测量值，使用最小二乘方法确定转动惯量估测值。

本发明具有如下有益效果：

本发明的基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法的有益效果包括如下几个方面：1)使用本发明这种碰触法对空间目标进行接触，能够分多次对空间目标进行点刹式的消旋，使空间目标的转速降到足够低后再进行最终捕获。这样就能够使用较小的服务卫星捕获现有的方法所不能捕获的转速较高或质量较大的空间目标，实现以小抓大；

2)本发明的捕获方法对机械臂控制力的大小没有严格要求，只对机械臂转速有要求。一般来说，对于相同功率的机械臂，控制力越大、转速越低，则重量越大、造价越高；反之，控制力越小，转速越快，则重量越小、造价越低。因此本发明的捕获方法使用的机械臂的成本将比现有的单次抓捕方法更低；

3)本发明的捕获方法不仅能够对空间目标进行消旋，同时还能够在最终抓捕操作前估计出空间目标转动惯量的绝对值。这有助于提前规划抓捕后中对空间目标进行稳定操作所需的控制过程，提高抓捕后稳定的成功率，减小抓捕后稳定控制中的计算负担。

附图说明

图1是本发明的捕获方法中目标与服务卫星及预估接触点位置示意图。

图2是本发明基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法的流程图。

图中，1-空间目标，2-服务卫星，2-1-机械臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。

如图2所示，参照图1，本发明的基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法包括以下步骤：

步骤1)服务卫星第一次与空间目标接触前预估接触点P的位置，然后计算服务卫星2的机械臂2-1末端在预估的接触点P处所能达到的最大移动速度，然后比较空间目标1在接触点P处的最大线速度v_t与机械臂2-1在该处的最大移动速度v_a；

若v_a≥v_t，则可进行步骤2)；

反之，若v_a＜v_t，则会有碰撞力过大的危险，必须调整服务卫星2与空间目标1的相对位置，若通过调整位置仍无法使机械臂2-1的移动速度更大(即机械臂在预估的接触点P处的最大移动速度大于空间目标在预估的接触点P处的最大线速度)，则放弃抓捕任务。

步骤2)控制机械臂2-1沿平行于服务卫星质心与空间目标质心连线的方向向预估接触点P移动，直至机械臂2-1与空间目标1接触。在机械臂2-1与空间目标1接触后，机械臂2-1沿碰撞力的反方向施加控制力，以使空间目标1的旋转降低，同时机械臂2-1的关节角在碰撞力和控制力的共同作用下产生偏移，而服务卫星2本身也由于受碰撞力的影响而开始旋转。当机械臂2-1的任意关节角度或者服务卫星2的自转角速度超过安全区域时，则控制机械臂2-1以最大速度沿着碰撞力的方向移动，以解除与目1的接触状态。

步骤3)在服务卫星2的机械臂2-1与空间目标1脱离接触状态后，服务卫星2借助自身的姿态控制系统将自身的姿态稳定下来，同时重新接近空间目标1并与空间目标1保持相对位置的稳定。服务卫星2在自身姿态稳定的过程中计算控制力对时间的积分，得到碰撞过程中产生的冲量大小ΔW，即可得到空间目标角动量改变的大小ΔL_t；此外，若已知服务卫星2本身的质量m_c，还可以直接根据碰撞后服务卫星质心的移动速度Δv_c计算碰撞冲量大小ΔW。然后继续观测得到空间目标的旋转速度在碰撞前后的改变量Δω_t，即可建立对空间目标转动惯量I的观测模型；通过多次碰撞，可以得到多组测量值，使用最小二乘方法确定转动惯量估测值。

步骤4)利用碰撞后的角速度和转动惯量的估计值计算空间目标1碰撞后的角动量大小L_t；

步骤5)若空间目标1的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，则下次接触过程不再解除接触状态，实现最终捕获；否则的话，重复步骤2)至步骤4)，直至空间目标的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，服务卫星将空间目标捕获。

本方法的具体实施过程如图2所示。

如图1所示，作为本发明优选的实施方案，步骤1)中，预估的接触点位置位于空间目标1前缘点与外缘点之间的中点处，其中前缘点指服务卫星2质心与空间目标1质心的连线与空间目标1前缘的交点，外缘点指空间目标前缘线与迎着服务星2旋转一侧的外缘线的交点，如图1所示。图1中，O_t为空间目标1的质心，O_c为服务卫星2的质心，ω_t为空间目标的自旋角速度，Q为前缘点，R为外缘点，点P即为预估接触点的位置，r_P为由点O_c指向点P的向量。

参照图1，作为本发明优选的实施方案，步骤1)中，计算空间目标1在预估接触点位置的线速度的方法为：

其中，是服务卫星2的本体坐标系到空间目标1的本体坐标系的旋转矩阵，为向量r_P在服务卫星2的本体坐标系中表示的分量。

参照图1，作为本发明优选的实施方案，步骤1)中，计算机械臂2-1末端在预估接触点位置的最大速度的方法为：

其中，N为机械臂的关节数目，为机械臂末端移动到预估的接触点时机械臂的第i个连接段相对于第i-1个连接段的旋转矩阵，r_k为机械臂第k+1个关节的位置在第k个连接段上的坐标，ω_k,max为机械臂第k个关节的最大旋转速度。

作为本发明优选的实施方案，步骤2)中，服务卫星自转角速度的安全区域的定义为：

[-βω_c,max,βω_c,max]

其中ω_c,max为服务卫星可控的最大自旋角速度，β为安全系数，通常可取β＝0.5，在特殊情况下可以适当调整安全系数的大小。

如图2所示，作为本发明优选的实施方案，步骤1)中，若v_a＜v_t，则会有碰撞力过大的危险，必须调整服务卫星2与空间目标1的相对位置，若调整位置10次后仍无法使机械臂2-1的移动速度更大(即机械臂在预估的接触点P处的最大移动速度大于空间目标在预估的接触点P处的最大线速度)，则放弃抓捕任务。

作为本发明优选的实施方案，步骤2)中，机械臂2-1的任意关节角度的安全区域定义为

[βθ_i,min,βθ_i,max]

其中，θ_i,min和θ_i,max分别为第i各关节角允许的最小转角与最大转角。

作为本发明优选的实施方案，步骤3)中，碰撞过程中产生的冲量大小空间目标角动量改变的大小其中，t_o和t_f分别为服务卫星姿态稳定控制过程的开始时刻和结束的时刻，F_c(t)为t时刻服务卫星受到的控制力。

作为本发明优选的实施方案，步骤3)中，已知服务卫星2本身的质量m_c，直接根据碰撞后服务卫星质心的移动速度Δv_c计算碰撞冲量大小ΔW的方法为：

ΔW＝Δv_cm_c

其中，m_c为服务卫星的质量，Δv_c为碰撞后服务卫星质心的移动速度。

作为本发明优选的实施方案，步骤3)中，空间目标转动惯量I的观测模型如下：

实施例1

本实施例的基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法包括以下步骤：

步骤1)服务卫星第一次与空间目标接触前预估接触点P的位置，然后计算服务卫星2的机械臂2-1末端在预估的接触点P处所能达到的最大移动速度，然后比较空间目标1在接触点P处的最大线速度v_t与机械臂2-1在该处的最大移动速度v_a；

得到v_a＜v_t，则会有碰撞力过大的危险，调整服务卫星2与空间目标1的相对位置，经过10次调整，服务卫星2与空间目标1的相对位置仍无法使机械臂2-1的移动速度更大(即机械臂在预估的接触点P处的最大移动速度大于空间目标在预估的接触点P处的最大线速度)，放弃抓捕任务。

实施例2

本实施例的基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法包括以下步骤：

步骤1)服务卫星第一次与空间目标接触前预估接触点P的位置，然后计算服务卫星2的机械臂2-1末端在预估的接触点P处所能达到的最大移动速度，然后比较空间目标1在接触点P处的最大线速度v_t与机械臂2-1在该处的最大移动速度v_a；

得到v_a＞v_t，进行步骤2)；

步骤2)控制机械臂2-1沿平行于服务卫星质心与空间目标质心连线的方向向预估接触点P移动，直至机械臂2-1与空间目标1接触。在机械臂2-1与空间目标1接触后，机械臂2-1沿碰撞力的反方向施加控制力，以使空间目标1的旋转降低，同时机械臂2-1的关节角在碰撞力和控制力的共同作用下产生偏移，而服务卫星2本身也由于受碰撞力的影响而开始旋转。当机械臂2-1的任意关节角度或者服务卫星2的自转角速度超过安全区域时，则控制机械臂2-1以最大速度沿着碰撞力的方向移动，以解除与目1的接触状态。

步骤3)在服务卫星2的机械臂2-1与空间目标1脱离接触状态后，服务卫星2借助自身的姿态控制系统将自身的姿态稳定下来，同时重新接近空间目标1并与空间目标1保持相对位置的稳定。服务卫星2在自身姿态稳定的过程中计算控制力对时间的积分，得到碰撞过程中产生的冲量大小ΔW，即可得到空间目标角动量改变的大小ΔL_t。然后继续观测得到空间目标的旋转速度在碰撞前后的改变量Δω_t，即可建立对空间目标转动惯量I的观测模型；通过多次碰撞，可以得到多组测量值，使用最小二乘方法确定转动惯量估测值。

步骤4)利用碰撞后的角速度和转动惯量的估计值计算空间目标1碰撞后的角动量大小L_t；

步骤5)空间目标1的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，则下次接触过程不再解除接触状态，实现最终捕获。

实施例3

本实施例的基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法包括以下步骤：

步骤1)服务卫星第一次与空间目标接触前预估接触点P的位置，然后计算服务卫星2的机械臂2-1末端在预估的接触点P处所能达到的最大移动速度，然后比较空间目标1在接触点P处的最大线速度v_t与机械臂2-1在该处的最大移动速度v_a；

得到v_a＞v_t，进行步骤2)；

步骤2)控制机械臂2-1沿平行于服务卫星质心与空间目标质心连线的方向向预估接触点P移动，直至机械臂2-1与空间目标1接触。在机械臂2-1与空间目标1接触后，机械臂2-1沿碰撞力的反方向施加控制力，以使空间目标1的旋转降低，同时机械臂2-1的关节角在碰撞力和控制力的共同作用下产生偏移，而服务卫星2本身也由于受碰撞力的影响而开始旋转。当机械臂2-1的任意关节角度或者服务卫星2的自转角速度超过安全区域时，则控制机械臂2-1以最大速度沿着碰撞力的方向移动，以解除与目1的接触状态。

步骤3)在服务卫星2的机械臂2-1与空间目标1脱离接触状态后，服务卫星2借助自身的姿态控制系统将自身的姿态稳定下来，同时重新接近空间目标1并与空间目标1保持相对位置的稳定。服务卫星2在自身姿态稳定的过程中，根据服务卫星2本身的质量m_c和碰撞后服务卫星2质心的移动速度Δv_c计算得到碰撞冲量大小ΔW。然后继续观测得到空间目标的旋转速度在碰撞前后的改变量Δω_t，即可建立对空间目标转动惯量I的观测模型；通过多次碰撞，可以得到多组测量值，使用最小二乘方法确定转动惯量估测值。

步骤4)利用碰撞后的角速度和转动惯量的估计值计算空间目标1碰撞后的角动量大小L_t；

步骤5)空间目标1的角动量不小于服务卫星的最大捕获能力，则重复步骤2)至步骤4)，直至空间目标的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，服务卫星将空间目标捕获。

Claims (10)

1.一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)服务卫星第一次与空间目标接触前预估接触点的位置，然后计算服务卫星机械臂末端在预估的接触点处所能达到的最大移动速度，然后比较空间目标在预估的接触点处的最大线速度v_t与机械臂在预估的接触点处的最大移动速度v_a；

若v_a≥v_t，则进行步骤2)；

若v_a＜v_t，则调整服务卫星与空间目标的相对位置，若通过调整位置仍无法使机械臂在预估的接触点处的最大移动速度大于空间目标在预估的接触点处的最大线速度，则放弃抓捕任务；

步骤2)控制机械臂沿平行于服务卫星质心与空间目标质心连线的方向向预估的接触点移动，直至机械臂与空间目标接触；

在机械臂与空间目标接触接触后，机械臂沿碰撞力的反方向施加控制力，使空间目标旋转降低；当机械臂的任意关节角度或者服务卫星自转角速度超过安全区域时，则控制机械臂以最大速度沿着碰撞力的方向移动，解除与空间目标的接触状态；

步骤3)在服务卫星的机械臂与空间目标脱离接触状态后，服务卫星将自身的姿态稳定下来，同时重新接近空间目标并与之保持相对位置的稳定；

服务卫星在自身姿态稳定的过程中计算碰撞过程中产生的冲量大小ΔW，得到空间目标角动量改变的大小ΔL_t；然后再得到空间目标的旋转速度在碰撞前后的改变量Δω_t，建立对空间目标转动惯量I的观测模型；

通过多次碰撞，确定转动惯量估测值；

步骤4)利用碰撞后的转动惯量的估计值和角速度计算空间目标碰撞后的角动量大小L_t；

步骤5)若空间目标的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，则服务卫星下次与空间目标接触过程不再解除接触状态，实现最终捕获；

若空间目标的角动量大于等于服务卫星的最大捕获能力，则重复步骤2)至步骤4)，直至空间目标的角动量小于服务卫星的最大捕获能力，服务卫星将空间目标捕获。

2.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤1)中，预估的接触点位置位于空间目标前缘点与外缘点之间的中点处，其中前缘点指服务卫星质心与空间目标质心的连线与空间目标前缘的交点，外缘点指空间目标前缘线与迎着服务星旋转一侧的外缘线的交点。

3.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤1)中，空间目标在预估的接触点处的最大线速度v_t为：

其中，是服务卫星本体坐标系到空间目标本体坐标系的旋转矩阵，为向量r_P在服务卫星本体坐标系中表示的分量，向量r_P为服务卫星质心指向预估的接触点的向量。

4.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤1)中，机械臂在预估的接触点处的最大移动速度v_a为：

其中，N为机械臂的关节数目，为机械臂末端移动到预估的接触点时机械臂的第i个连接段相对于第i-1个连接段的旋转矩阵，r_k为机械臂第k+1个关节的位置在第k个连接段上的坐标，ω_k,max为机械臂第k个关节的最大旋转速度。

5.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤2)中，服务卫星自转角速度的安全区域为：

[-βω_c,max,βω_c,max]

其中，ω_c,max为服务卫星可控的最大自旋角速度，β为安全系数。

6.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤2)中，机械臂的任意关节角度的安全区域为：

[βθ_i,min,βθ_i,max]

其中，θ_i,min和θ_i,max分别为机械臂第i各关节角允许的最小转角与最大转角。

7.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤3)中，碰撞过程中产生的冲量大小空间目标角动量改变的大小其中，t_o和t_f分别为服务卫星姿态稳定控制过程的开始时刻和结束的时刻，F_c(t)为t时刻服务卫星受到的控制力。

8.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤3)中，碰撞过程中产生的冲量大小ΔW＝Δv_cm_c，其中，m_c为服务卫星的质量，Δv_c为碰撞后服务卫星质心的移动速度。

9.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤3)中，空间目标转动惯量I的观测模型为

10.根据权利要求1所述的一种基于尝试性碰触和消旋的空间非合作目标捕获方法，其特征在于，步骤3)中，通过多次碰撞，得到多组测量值，使用最小二乘方法确定转动惯量估测值。