CN109682370A - 一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统及方法 - Google Patents

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朱文山
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朱虹
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Abstract

本发明公开了一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统及方法，该系统分为：目标星六自由度运动模拟系统和追踪星六自由度运动模拟系统，均包括：若干条床身、横梁、立柱、三维转台及运动控制部件；其中，床身平行放置于地面，为目标星与追踪星共用；横梁滑动设置在床身上，可沿床身延伸方向运动；立柱滑动设置在横梁上，且与横梁和床身所在的平面垂直，可沿横梁延伸方向运动；三维转台滑动设置在立柱上，可沿立柱延伸方向运动，并进行三维转动；运动控制部件用于控制横梁、立柱、三维转台的运动。本发明的系统及方法能够对两颗卫星的位置、姿态的12个维度独立模拟，实现全维度模拟，适用于远、近各种星间测量的运动模拟。

Description

一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统及方法
技术领域
本发明涉及一种双星空间相对位姿模拟方法，具体涉及一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统及方法。
背景技术
随着科学技术的迅速发展，卫星应用的需求也越来越高，卫星自主导航在减轻地面测控负担、降低卫星运行费用、提高卫星的生存能力、扩展卫星的应用潜力及军事指控系统、通信系统等具有重要意义。
目前，卫星上使用的导航方法主要还是依靠地面或导航星座。导航星座的应用可以使卫星摆脱地面站测轨的种种限制，大大提高导航精度，但导航星座自身要求的高精度定位也须依靠地面测量来完成。如果战时地面站受到攻击而被破坏，可能导致卫星甚至导航星座不能正常运行，后果将相当严重。因此研究建立在星群、星座中卫星之间具有精确的相对测量系统的基础上，不依靠地面支持只靠星间相对测量进行自主定轨的技术途径，具有重大的意义和应用价值。
双星编队、卫星星座、空间攻防等新的需求，促进了星间相对测量技术的发展，微波雷达、光电组合、激光雷达等多种星间相对测量产品不断涌现，并已成功在轨运用。
在星间相对测量设备接入GNC(Guidance Navigation and Control，制导/导航与控制)系统，开展闭环半物理试验过程中，都是用到了“两轴转台”，将追踪星(卫星1)的位置、姿态，相对于目标星(卫星2)的位置、姿态，等效为两轴的相对姿态和一个相对位置来模拟，即(距离、方位角、俯仰角)。
在等效试验的实现过程中，带来了系统构建误差，误差的主要来源是由于等效前提，即将追踪星(卫星1)和目标星(卫星2)作为点来处理，星间相对测量的相对位置则以距离、方位角、俯仰角三个量描述，但是未考虑到两颗卫星自身的姿态变化。
等效试验的方式在两颗卫星距离较远时，等效误差可以近似忽略；但是作用于近距离的模拟，即目标卫星不能作为点目标，而是面或者立体目标时(如两星交会、对接过程)，原等效试验的方法则不能再适用。
发明内容
本发明提供一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统及方法，该系统解决了现有等效试验在问题近距离模拟时不能适用的问题，能够对两颗卫星的位置、姿态的12个维度独立模拟，实现全维度模拟，适用于远、近各种星间测量的运动模拟。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统，该系统分为：目标星六自由度运动模拟系统和追踪星六自由度运动模拟系统，均包括：若干条床身、横梁、立柱、三维转台及运动控制部件。
其中，所述床身平行放置于地面，为目标星与追踪星共用；所述横梁滑动设置在所述床身上，可沿床身延伸方向运动；所述立柱滑动设置在所述横梁上，且与横梁和床身所在的平面垂直，可沿横梁延伸方向运动；所述三维转台滑动设置在所述立柱上，可沿立柱延伸方向运动，并进行三维转动；所述运动控制部件用于控制所述横梁、立柱、三维转台的运动，在运动控制部件的协同控制下，横梁、立柱、三维转台可进行同步运动，从而实现追踪星或目标星的六自由度运动模拟。
优选地，所述床身平行设置四条。
本发明还提供了一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟方法，该方法包含：
通过上位机总控系统接收需要模拟的双星相对位置和相对姿态信息；采用六自由度运动模拟系统对在轨两颗卫星的相对位置和相对姿态进行模拟；
在双星空间相对位姿模拟方法中，追踪星的位置、姿态与目标星的位置、姿态能够通过六自由度运动模拟系统实现独立控制，在目标星的运动控制部件的六自由度运动控制输入信息上加上相对位置和相对姿态信息，作为追踪星的六自由度运动控制输入信息，驱动追踪星的位置和姿态运动，从而实现全维度的双星空间相对位姿运动模拟。
其中，所述六自由度运动模拟系统为所述的用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统。
优选地，所述相对位置采用平对坐标系表示，相对姿态采用转动坐标系表示。
优选地，所述六自由度运动包含：三个平动和三个转动。
优选地，所述三个平动为前后平动、左右平动和上下平动；所述三个转动为滚动运动、俯仰运动、偏航运动(即绕机体坐标系竖轴的短时旋转运动)。
本发明提供的用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统及方法，解决了现有等效试验在问题近距离模拟时不能适用的问题，具有以下优点：
(1)本发明的方法能够对两颗卫星的位置、姿态的12个维度独立模拟，实现全维度模拟，适用于远、近各种星间测量的运动模拟；
(2)本发明的方法直接地、分别模拟两颗卫星在轨运动的三个平动、三个转动共12个维度的相对运动，真实实现了全维度的直接模拟。
附图说明
图1为本发明的用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统，如图1所示，为本发明的用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统的结构示意图，该系统分为：目标星六自由度运动模拟系统和追踪星六自由度运动模拟系统，均包含：床身1、横梁2、立柱3、三维转台4及运动控制部件。
其中，四条床身1平行等距放置于地面，为目标星与追踪星共用，目标星六自由度运动模拟系统和追踪星六自由度运动模拟系统均分别设有：横梁2、立柱3、三维转台4及运动控制部件。横梁2滑动设置在四条床身1上，可以沿床身1进行前后运动；立柱3滑动设置在横梁2上，且与横梁2和床身1所在的平面垂直，可在横梁2上进行“左右”运动；三维转台4滑动设置在立柱3上，可沿立柱3进行“上下”运动，还可进行三维转动。运动控制部件用于控制横梁2、立柱3、三维转台4的运动，在运动控制部件的协同控制下，横梁2、立柱3、三维转台4可进行同步运动，从而实现追踪星或目标星的六自由度运动模拟。
一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟方法，该方法包括：
通过上位机总控系统接收需要模拟的双星相对位置和相对姿态信息；采用六自由度运动模拟系统对在轨两颗卫星的相对位置和相对姿态进行模拟；其中，相对位置采用平对坐标系表示，相对姿态采用转动坐标系表示。
在双星空间相对位姿模拟方法中，追踪星(卫星1)的位置、姿态与目标星(卫星2)的位置、姿态能够通过六自由度运动模拟系统实现独立控制，在目标星的运动控制部件的六自由度运动控制输入信息上加上相对位置和相对姿态信息，作为追踪星的六自由度运动控制输入信息，驱动追踪星的位置和姿态运动，从而实现全维度的双星空间相对位姿运动模拟。
六自由度包含：三平动和三转动，三平动是指“前后、左右、上下”运动，用于模拟卫星在轨位置变化；三转动是指“滚动、俯仰、偏航”运动，用于模拟卫星在轨姿态变化。
本发明的方法通过两套六自由度运动模拟系统，两套系统的横梁、立柱、三维转台及运动控制部件完全独立，描述卫星在轨的6个维度，即前后、左右、上下，全面覆盖，直接模拟试验，降低试验等效带来的误差。本发明通过上位机总控系统进行双星的独立运动控制与协同运动控制，踪星和目标星的六自由度运动模拟系统配合使用，实现相对位置和相对姿态的同步模拟。
综上所述，本发明的系统及方法能够适用于远、近各种星间测量的运动模拟，实现两颗卫星的位置、姿态的12个维度独立模拟。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统，其特征在于，该系统分为：目标星六自由度运动模拟系统和追踪星六自由度运动模拟系统，均包括：若干条床身(1)、横梁(2)、立柱(3)、三维转台(4)及运动控制部件；其中，所述床身(1)平行放置于地面，为目标星与追踪星共用；所述横梁(2)滑动设置在所述床身(1)上，可沿床身(1)延伸方向运动；所述立柱(3)滑动设置在所述横梁(2)上，且与横梁(2)和床身(1)所在的平面垂直，可沿横梁(2)延伸方向运动；所述三维转台(4)滑动设置在所述立柱(3)上，可沿立柱(3)延伸方向运动，并进行三维转动；所述运动控制部件用于控制所述横梁(2)、立柱(3)、三维转台(4)的运动，在运动控制部件的协同控制下，横梁(2)、立柱(3)、三维转台(4)可进行同步运动，从而实现追踪星或目标星的六自由度运动模拟。
2.根据权利要求1所述的用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统，其特征在于，所述床身(1)平行设置四条。
3.一种用于全维度的双星空间相对位姿模拟方法，其特征在于，该方法包含：
通过上位机总控系统接收需要模拟的双星相对位置和相对姿态信息；
采用六自由度运动模拟系统对在轨两颗卫星的相对位置和相对姿态进行模拟；
在双星空间相对位姿模拟方法中，追踪星的位置、姿态与目标星的位置、姿态能够通过六自由度运动模拟系统实现独立控制，在目标星的运动控制部件的六自由度运动控制输入信息上加上相对位置和相对姿态信息，作为追踪星的六自由度运动控制输入信息，驱动追踪星的位置和姿态运动，从而实现全维度的双星空间相对位姿运动模拟；
其中，所述六自由度运动模拟系统为如权利要求1或2所述的用于全维度的双星空间相对位姿模拟系统。
4.根据权利要求3所述的用于全维度的双星空间相对位姿模拟方法，其特征在于，所述相对位置采用平对坐标系表示，相对姿态采用转动坐标系表示。
5.根据权利要求3所述的用于全维度的双星空间相对位姿模拟方法，其特征在于，所述六自由度运动包含：三个平动和三个转动。
6.根据权利要求5所述的用于全维度的双星空间相对位姿模拟方法，其特征在于，所述三个平动为前后平动、左右平动和上下平动；所述三个转动为滚动运动、俯仰运动、偏航运动。
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