CN110751886A - 一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统 - Google Patents

一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统，使用动力学仿真系统生成目标星和主动星的姿态、轨道运动数据；以动力学仿真系统输出的目标星和主动星的位置、姿态信息驱动双六自由度运动模拟系统产生目标星模拟器和主动星模拟器的位置、姿态运动；通过目标星模拟器上的三维力传感器获得系绳对目标的拉力，通过陀螺仪获得目标星模拟器帆板和本体的姿态信息，将数据传给动力学仿真系统，经过转换处理后将相对状态信息、目标星受力信息发送给GNC计算机进行拖曳控制律解算，将控制指令传给主动星模拟器上的绳系收放装置进行系绳收放控制。本发明用于对失效航天器进行飞网捕获后拖曳移除控制的地面半物理闭环试验，为在轨清障服务提供技术支撑。

Description

一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统
技术领域
本发明涉及绳系拖拽领域，特别涉及一种绳系拖曳控制地面运动试验验证方法及系统。
背景技术
空间技术的应用领域在近一、二十年中得到了飞速的拓展，除了在空间科学应用方面得到继续深化外，随着航天技术的快速发展，越来越多的航天器发射进入太空，随之也有越来越多的老旧航天器故障失效成为了空间碎片。这些空间碎片占据了宝贵的轨道资源，并严重地威胁着在轨运行航天器的安全。
通过飞网捕获目标并将目标拖曳至离轨轨道，是一种新兴的清理空间碎片的方案，并且由于其适应性强，可重复使用等特点受到了广泛的关注和研究。
绳网捕获目标后，主动星和目标星构成以系绳为连接介质的柔性组合体，主动星通过自身的平台控制和绳系收放装置控制，实现对目标星的拖曳离轨，并保证在拖曳过程中绳系系统不发生振荡发散、缠绕等情况。
由于地面无法长时间模拟空间失重环境，因此目前绳系拖曳控制的地面半物理试验都是采用桌面联调方式，绳系拖曳过程中的力学特性都是靠数学仿真进行保证。本发明提出一种绳系拖曳控制的地面试验验证方法，通过运动模拟系统模拟两星的轨道、姿态运动，通过安装测力装置和陀螺，实现系绳真实拉力的测量并反馈到动力学系统，从而实现用真实的受力模型进行绳系拖曳控制方法的地面试验验证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统，其是采用飞网捕获失效目标后对目标的拖曳离轨控制方案的地面半物理验证方法，能够真实模拟绳系系统在轨受力状态，进行拖曳控制方案的地面半物理验证，本发明利用两个六自由度模拟主动星和目标星轨道、姿态运动，并通过安装力测角单元直接获得系绳对目标的拉力，可用于对失效航天器进行飞网捕获后拖曳移除控制的地面半物理闭环试验，从而为在轨清障服务提供技术支撑。
为了达到上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种绳系拖曳控制地面试验验证系统，包含：主动星模拟器，安装在第一六自由度运动模拟器上；绳系收放装置，其一端与所述主动星模拟器连接，另一端与系绳连接；目标星模拟器，安装在第二六自由度运动模拟器上；所述目标星模拟器的帆板上设有用于测力的三维力传感器且所述三维力传感器与系绳连接；目标星模拟器的帆板上与目标星本体上分别设置有用于测角度的陀螺仪；动力学仿真机，用于对所述目标星模拟器和所述主动星模拟器的轨道、姿态初值进行设定与仿真，并驱动对应的六自由度运动模拟器运动，目标星模拟器和主动星模拟器产生平动和转动运动；所述动力学仿真机接收所述目标星模拟器的三维力传感器和陀螺仪的测量数据，用以获取绳系收放装置的系绳对所述目标星模拟器的真实拉力；GNC计算机，与所述动力学仿真机连接，接收所述动力学仿真机发送的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据，解算拖曳控制律并控制所述系绳收放装置进行系绳的收放。
优选地，所述动力学仿真机分别与目标控制上位机和目标控制下位机相连，以及所述目标控制上位机与所述目标控制下位机也相连；所述主动星模拟器、所述目标星模拟器和所述目标控制下位机相连，使得所述目标控制下位机实时获取目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据，以及所述目标控制下位机还与所述第一六自由度运动模拟器和所述第二六自由度运动模拟器连接，用于实时驱动对应的六自由度运动模拟器运动。
优选地，所述目标星模拟器包含两块帆板，每块帆板外侧的两个角点处各自安装一个所述三维力传感器；所述绳系收放装置的系绳分出四根次系绳，分别对应地与各个三维力传感器连接；所述三维力传感器的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。
优选地，所述三维力传感器包含：帆板连接工装，用于将三维力传感器连接在目标星模拟器的帆板上；高精度测力传感器，用于测量系绳张力的大小和方向；拖曳绳压紧块，用于连接所述系绳与所述高精度测力传感器
优选地，所述目标星模拟器的每个帆板上分别安装一个帆板陀螺仪以及所述目标星本体上安装一个本体陀螺仪，用于获取各自的陀螺仪测量数据并得到帆板陀螺仪测量数据与本体陀螺仪测量数据的差值，进一步得到帆板形变的角度大小；各陀螺仪的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。
优选地，所述陀螺仪包含：高精度惯导传感器，用于测量目标星模拟器的帆板及目标星本体的角度数据；帆板连接工装，用于将陀螺仪安装在帆板上。
本发明公开了一种绳系拖曳控制地面试验验证方法，该方法包含以下步骤：S1、搭建如上文所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统；S2、建立目标星模拟器、主动星模拟器的轨道动力学和姿态动力学，并控制六自由度运动模拟系统运动；S3、获得三维力传感器和陀螺仪的测量数据，通过数据转换测量得到绳系收放装置的系绳对目标星模拟器的真实拉力；S4、GNC计算机解算拖曳控制律并控制系绳收放装置进行收放；重复步骤S2-S4的过程进行实时更新，观察目标星模拟器和主动星模拟器的实际运动状态，直至目标星模拟器不发生俯仰、偏航方向的翻转，且横向位移不发生振荡发散；
所述步骤S1中，进一步包含：根据主动星、目标星结构尺寸，加工1:1模型，分别得到主动星模拟器、目标星模拟器，并分别安装在第一六自由度运动模拟系统和第二六自由度运动模拟系统上；在主动星模拟器上安装绳系收放装置；在目标星模拟器的帆板上分别安装三维力传感器，并确保三维力传感器的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；在目标星模拟器的帆板上、目标星本体上分别安装陀螺仪，并确保陀螺仪的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；在绳系收放装置的一端引出系绳作为拖曳的牵引主系绳，在主系绳的另一端分出四根次系绳，分别连接在目标星模拟器的帆板外侧的各个三维力传感器上；将GNC计算机、动力学仿真机、与目标控制上位机、目标控制下位机相连、双六自由度运动模拟系统进行连接。
优选地，所述步骤S2中，进一步包含：在所述动力学仿真机中设定目标星模拟器和主动星模拟器的轨道、姿态初值并进行仿真；所述动力学仿真机将目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据实时发送给目标控制上位机，所述目标控制上位机解算出相对位置、相对姿态量，并发送给目标控制下位机；所述目标控制下位机根据接收到的目标星模拟器和主动星模拟的位置、姿态数据，实时驱动对应的六自由度运动模拟器进行运动，同时产生目标星模拟器和主动星模拟器的平动和转动运动。
优选地，所述步骤S3中，进一步包含：
目标星模拟器在运动过程中受到系绳牵引，将目标星模拟器上的各个个三维力传感器测得的力的数据和各个陀螺仪的测量数据，通过所述目标控制下位机发送到所述动力学仿真机；
定义帆板上陀螺仪坐标系OfXfYfZf原点在陀螺仪中心，Xf轴为帆板负法向，Yf轴沿帆板轴向向外，Zf轴符合右手定律；本体上陀螺仪的坐标系ObXbYbZb原点在本体陀螺仪中心，坐标轴与帆板上陀螺仪平行；对三个陀螺仪的数测量据分别进行积分获得三轴角度数据，帆板陀螺仪数据积分后的Zf角度值与本体陀螺仪数据积分后的Zb角度值不同；
三维力传感器获得的拉力方向转换到目标星本体系上，设定测得的拉力为Ffn，n代表三维力传感器的编号，则目标星本体系下受到的拉力Fbn为:
Figure BDA0002206136570000041
式中，γb为本体上陀螺仪的数据积分值，γf为帆板上陀螺仪的数据积分值；
将各个三维力传感器的测量数据进行转换后得到目标星本体系下的拉力，并输入到动力学模型中，获得最新的轨道、姿态数据。
优选地，所述步骤S4中，进一步包含：
所述动力学仿真机将目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据发送给GNC计算机，所述GNC计算机根据输入的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据解算相对状态量，并根据相对运动状态和设定的绳系收放控制律得到绳系收放指令；所述GNC计算机将所述绳系收放指令发送给主动星模拟器上的绳系收放装置，绳系收放装置根据指令控制系绳的收放。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明利用运动模拟系统模拟和主动星、目标星模拟器模拟两星真实的相对运动状态，通过对两星之间的系绳拉力大小、方向进行测量获得真实的绳系系统内部的系绳张力，反馈到动力学中，并通过GNC计算机的拖曳控制律计算和对绳系收放装置的控制，实现绳系拖曳控制地面半物理试验验证；该方法实现了绳系系统在轨力学状态的真实模拟，能更加真实地模拟在轨飞行状态，测试数据真实可信，能够更加可靠地通过地面试验验证拖曳控制方案的有效性。
附图说明
图1为本发明的绳系拖曳控制地面试验系统示意图；
图2为本发明的地面试验系统信号流向图；
图3为本发明的三维力传感器安装示意图；
图4为本发明的陀螺仪安装示意图。
具体实施方式
通过阅读参照图1-图4所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的特征、目的和优点将会变得更明显。参见示出本发明实施例的图1-图4，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以由许多不同形式实现，并且不应解释为受到在此提出的实施例的限制。
如图1和图2结合所示，本发明提供了一种绳系拖曳控制地面试验系统，包含主动星模拟器1、目标星模拟器2、绳系收放装置5、双六自由度平台运动控制系统、GNC计算机、动力学仿真机、目标控制上位机和目标控制下位机。其中，图中的总控台由所述GNC计算机、所述动力学仿真机和所述目标控制上位机组成。主动星模拟器1、目标星模拟器2分别是根据主动星、目标星结构尺寸而进行加工1:1模型得到的模拟器。
目标星模拟器2包含目标星本体21以及两块帆板22。每块帆板22沿其长度方向且远离目标星本体21的一侧(简称外侧)的两个角点(两个角点分别位于帆板宽度方向的两边)，各自安装有一个三维力传感器23(也称测力单元)，所以，本发明的目标星模拟器2上两块帆板22外侧的四个角点共计安装了四个三维力传感器23，同时，确保三维力传感器23的坐标轴与目标星本体21的坐标轴平行。本实施例中，目标星本体21可选为长方体结构，帆板22分别安装在相对的一组平面上。
绳系收放装置5安装在主动星模拟器1的主动星本体11上。其中，在绳系收放装置5的一端引出系绳作为拖曳的牵引主系绳，由于飞网捕获目标后，绳网主要钩挂在星体的外侧的突出端，因此绳网对目标模拟器的拉力主要作用在目标模拟器2的两块帆板22的外侧四个角点上，从而在主系绳的另一端分出四根次系绳，分别对应地连接在目标模拟器2的帆板22外侧角点的四个三维力传感器23上。因此，帆板22在系绳拉力作用下会产生弯曲变形。
如图3所示，每个三维力传感器23包括帆板连接工装231、高精度测力传感器232和拖曳绳压紧块233。其中，帆板连接工装231用于将三维力传感器23紧密连接在目标星模拟器的帆板22上，高精度测力传感器232用于测量系绳张力的大小和方向，拖曳绳压紧块233用于连接系绳与高精度测力传感器232。
如图1和图4结合所示，本发明同时在每个帆板22和目标星本体21上分别安装一个陀螺仪24，从而可以获得两个帆板22上的陀螺仪测量数据(陀螺仪测量的数据是目标星模拟器帆板以及目标本体的角度)与目标星本体上的陀螺仪测量数据的差值，从而获得帆板形变的角度大小。其中，该差值是指每个帆板陀螺仪的测量数据与本体陀螺仪测量数据的差值，因为两个帆板的形变大小是不同的，所以需要分开计算，即可以得到两个帆板各自的形变角度大小。如图4所示，每个陀螺仪24包含：高精度惯导传感器241，用于测量目标帆板及目标本体的角度数据；帆板连接工装242，用于将陀螺仪紧密安装在帆板上。进一步地，目标星模拟器2上两块帆板22的各自外侧的边沿，以及在目标星本体21上与帆板22法线相同的一面的边沿上，分别各安装一个陀螺仪24(分别称之为帆板陀螺仪和本体陀螺仪)并确保陀螺仪24(也称测角单元)的坐标轴与目标星本体21的坐标轴平行。
如图1和图2结合所示，双六自由度平台运动控制系统包含第一六自由度运动模拟系统3、第二六自由度运动模拟系统4。第一六自由度运动模拟系统3包含第一六自由度运动模拟器，第二六自由度运动模拟系统4包含第二六自由度运动模拟器。主动星模拟器1、目标星模拟器2分别对应地安装在第一六自由度运动模拟器上和第二六自由度运动模拟器上，当六自由度运动模拟器被驱动运动时，会带动对应的星模拟器运动。GNC计算机、动力学仿真机、目标控制上位机和目标控制下位机依次相连。同时，主动星模拟器1、目标星模拟器2和目标控制下位机相连，以及目标控制下位机还与第一六自由度运动模拟系统3和第二六自由度运动模拟系统4连接。
其中，在动力学仿真机中设置目标星模拟器2和主动星模拟器1的轨道、姿态初值并进行仿真；动力学仿真机将目标星模拟器2和主动星模拟器1的姿态、轨道数据实时发送给目标控制上位机，目标控制上位机解算出相对位置、相对姿态量，并发送给目标控制下位机；目标控制下位机根据收到的两星模拟器的位置、姿态数据，实时驱动对应的六自由度运动模拟系统的六自由度运动模拟器运动，带动对应的星模拟器运动。目标星模拟器2在运动过程中受到系绳牵引，将目标星模拟器2上的的四个三维力传感器23和三个陀螺仪24的测量数据通过目标控制下位机发送到动力学仿真机。
本发明的绳系拖曳控制地面试验验证方法，该方法包含以下实施步骤：
(一)首先利用双六自由度平台运动控制系统、GNC/动力学仿真系统、主动星和目标星模拟器、系绳和绳系收放装置、三维力传感器和陀螺仪搭建上文所述的绳系拖曳控制地面试验系统，具体为：
(1)根据主动星、目标星结构尺寸，加工1:1模型，得到主动星模拟器1、目标星模拟器2并分别安装在第一六自由度运动模拟系统3和第二六自由度运动模拟系统4上；
(2)在主动星模拟器1上安装绳系收放装置5；
(3)在目标星模拟器2的两块帆板22上分别安装三维力传感器23，并确保三维力传感器23的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；
(4)在目标星模拟器2的帆板上、目标星本体21上分别安装陀螺仪24，并确保陀螺仪24的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；
(5)绳系收放装置5安装在主动星模拟器1的主动星本体11上。其中，在绳系收放装置5的一端引出系绳作为拖曳的牵引主系绳，在主系绳的另一端分出四根次系绳，分别连接在目标星模拟器2的帆板22外侧角点的四个三维力传感器23上；
(6)将总控台中的GNC计算机、动力学仿真机、目标控制上位机依次相连，并将目标控制上位机与目标控制下位机连接，且目标控制下位机与双六自由度运动模拟系统相连。
(二)建立两星(目标星模拟器、主动星模拟器)的轨道动力学和姿态动力学，并控制六自由度运动模拟系统运动，具体为：
(1)如图2所示，在动力学仿真机中设计目标星模拟器和主动星模拟器的轨道、姿态初值并进行仿真；
(2)动力学仿真机将目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据实时发送给目标控制上位机，目标控制上位机解算出相对位置、相对姿态量，并发送给目标控制下位机；
(3)目标控制下位机根据收到的两个星模拟器的位置、姿态数据，实时驱动对应的六自由度运动模拟系统的六自由度运动模拟器进行运动，同时产生目标星模拟器和主动星模拟器的平动和转动运动。
(三)获得三维力传感器和陀螺仪的测量数据，通过数据转换从而测量得到绳系收放装置5的系绳对目标星模拟器的真实拉力，具体为：
(1)目标星模拟器在运动过程中受到系绳牵引，将目标星模拟器上的四个三维力传感器测得的力的数据和三个陀螺仪的测量数据，通过目标控制下位机发送到动力学仿真机；
(2)定义帆板上陀螺仪坐标系OfXfYfZf原点在陀螺仪中心，Xf轴为帆板负法向，Yf轴沿帆板轴向向外，Zf轴符合右手定律；本体上陀螺仪的坐标系ObXbYbZb原点在本体陀螺仪中心，坐标轴与帆板上陀螺仪平行；这样操作的目的是为了将四个三维力传感器获得的力的大小与方向，根据帆板形变的角度大小，转换到目标星本体系上受到的系绳拉力，从而获得绳系拖曳目标在轨受到的真实绳系拉力。
(3)分别对三个陀螺仪的数据进行积分获得三轴角度数据，由于帆板在系绳拉力作用下会产生弯曲变形，因此，帆板陀螺仪数据积分后的Zf角度值与本体陀螺仪数据积分后的Zb角度值不同；
(4)三维力传感器获得的拉力方向需要转换到目标星本体系上，假设测得的拉力为Ffn，n代表三维力传感器的编号，则目标星本体系下受到的拉力Fbn为:
Figure BDA0002206136570000081
其中，γb为本体上陀螺仪的数据积分值，γf为帆板上陀螺仪的数据积分值。
(5)将四个三维力传感器的测量数据进行转换后得到目标星本体系下的拉力，并输入到动力学模型中，获得最新的轨道、姿态数据。其中，该动力学模型是指目标星的轨道、姿态动力学模型，可采用现有技术，用于数学仿真，得到目标星的轨道、姿态数据。
(四)GNC计算机根据运动学数据和力学数据解算拖曳控制律并控制系绳收放装置，根据两星模拟器的实际运动状态判断半物理试验的有效，具体为：
(1)动力学仿真机将目标星模拟器、主动星模拟器的姿态、轨道数据发送给GNC计算机，GNC计算机根据该输入的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据解算相对状态量(是指目标星与主动星的相对距离、相对姿态)，并根据相对运动状态和设计的绳系收放控制律得到绳系收放指令；其中，绳系收放指令是由拖曳控制律解算得到，拖曳控制律还包括控制主动星的喷气推力；
(2)GNC计算机将绳系收放指令发送给主动星模拟器上的绳系收放装置，绳系收放装置根据指令控制系绳的收放。
由上可知，整个试验系统重复步骤二、三、四的过程进行实时更新，通过观察目标星模拟器和主动星模拟器的实际运动状态，判断两个星模拟器的运动状态是否与输入的指令一致，如果目标星模拟器不发生俯仰、偏航方向的翻转，且横向位移不发生振荡发散，则证明绳系拖曳控制方案有效。
综上所述，本发明是一种绳系拖曳控制地面试验验证方法，可在地面真实模拟拖曳目标在轨受到的绳系拉力，并结合运动学系统、GNC计算机、绳系收放装置实现绳系拖曳控制的地面半物理闭环集成验证；首先使用动力学仿真系统生成目标星和主动星的姿态、轨道运动数据；以动力学仿真系统输出的目标星和主动星的位置、姿态信息驱动双六自由度运动模拟系统产生目标星模拟器和主动星模拟器的位置、姿态运动；通过目标星模拟器上的三维力传感器获得系绳对目标的拉力，通过陀螺仪获得目标星模拟器帆板和本体的姿态信息，将这些数据传给动力学仿真系统，经过转换处理后将相对状态信息、目标星受力信息发送给GNC计算机；GNC计算机进行拖曳控制律解算，并将控制指令传给主动星模拟器上的绳系收放装置，进行系绳收放控制。本发明可在地面真实模拟拖曳目标在轨受到的绳系拉力，并结合运动学系统、GNC计算机、绳系收放装置实现绳系拖曳控制的地面半物理闭环集成验证。
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 (10)

1.一种绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，包含：
主动星模拟器，安装在第一六自由度运动模拟器上；
绳系收放装置，其一端与所述主动星模拟器连接，另一端与系绳连接；
目标星模拟器，安装在第二六自由度模拟器上；所述目标星模拟器的帆板上设有用于测力的三维力传感器且所述三维力传感器与系绳连接；目标星模拟器的帆板上与目标星本体上分别设置有用于测角度的陀螺仪；
动力学仿真机，对所述目标星模拟器和所述主动星模拟器的轨道、姿态初值进行设定与仿真，用以实现驱动对应的六自由度运动模拟器运动，目标星模拟器和主动星模拟器产生平动和转动运动；所述动力学仿真机接收所述目标星模拟器的三维力传感器和陀螺仪的测量数据，用以获取绳系收放装置的系绳对所述目标星模拟器的真实拉力，该真实拉力通过动力学模型转换成对应的最新的轨道、姿态数据；
GNC计算机，与所述动力学仿真机连接，接收所述动力学仿真机发送的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据，解算拖曳控制律用以控制所述系绳收放装置进行系绳的收放。
2.如权利要求1所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述动力学仿真机分别与目标控制上位机和目标控制下位机相连，以及所述目标控制上位机与所述目标控制下位机相连；
所述主动星模拟器、所述目标星模拟器和所述目标控制下位机相连，使得所述目标控制下位机实时获取目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据，以及所述目标控制下位机还与所述第一六自由度运动模拟器和所述第二六自由度运动模拟器连接，用于实时驱动对应的六自由度运动模拟器运动。
3.如权利要求1所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述目标星模拟器包含两块帆板，每块帆板外侧的两个角点处各自安装一个所述三维力传感器；
所述绳系收放装置的系绳分出四根次系绳，分别对应地与各个三维力传感器连接；
所述三维力传感器的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。
4.如权利要求3所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述三维力传感器包含：
帆板连接工装，用于将三维力传感器连接在目标星模拟器的帆板上；
高精度测力传感器，用于测量系绳张力的大小和方向；
拖曳绳压紧块，用于连接所述系绳与所述高精度测力传感器。
5.如权利要求1所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述目标星模拟器的每个帆板上分别安装一个帆板陀螺仪以及所述目标星本体上安装一个本体陀螺仪，用于获取各自的陀螺仪测量数据并得到帆板陀螺仪测量数据与本体陀螺仪测量数据的差值，进一步得到帆板形变的角度大小；
各陀螺仪的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。
6.如权利要求5所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述陀螺仪包含：
高精度惯导传感器，用于测量目标星模拟器的帆板及目标星本体的角度数据；
帆板连接工装，用于将陀螺仪安装在帆板上。
7.一种绳系拖曳控制地面试验验证方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
S1、搭建如权利要求1-6任意一项所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统；
S2、建立目标星模拟器、主动星模拟器的轨道动力学和姿态动力学，并控制六自由度运动模拟器运动；
S3、获得三维力传感器和陀螺仪的测量数据，通过数据转换测量得到绳系收放装置的系绳对目标星模拟器的真实拉力；
S4、GNC计算机解算拖曳控制律并控制系绳收放装置进行收放；
重复步骤S2-S4的过程进行实时更新，观察目标星模拟器和主动星模拟器的实际运动状态，直至目标星模拟器不发生俯仰、偏航方向的翻转，且横向位移不发生振荡发散；所述步骤S1中，进一步包含：
根据主动星、目标星结构尺寸，加工1:1模型，分别得到主动星模拟器、目标星模拟器，并分别安装在第一六自由度运动模拟器统和第二六自由度运动模拟器上；
在主动星模拟器上安装绳系收放装置；
在目标星模拟器的帆板上分别安装三维力传感器，并确保三维力传感器的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；
在目标星模拟器的帆板上、目标星本体上分别安装陀螺仪，并确保陀螺仪的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；
在绳系收放装置的一端引出系绳作为拖曳的牵引主系绳，在主系绳的另一端分出四根次系绳，分别连接在目标星模拟器的帆板外侧的各个三维力传感器上；
将GNC计算机、动力学仿真机、与目标控制上位机、目标控制下位机相连、双六自由度运动模拟器进行连接。
8.如权利要求7所述的绳系拖曳控制地面试验验证方法，其特征在于，所述步骤S2中，进一步包含：
在所述动力学仿真机中设定目标星模拟器和主动星模拟器的轨道、姿态初值并进行仿真；
所述动力学仿真机将目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据实时发送给目标控制上位机，所述目标控制上位机解算出相对位置、相对姿态量，并发送给目标控制下位机；
所述目标控制下位机根据接收到的目标星模拟器和主动星模拟的位置、姿态数据，实时驱动对应的六自由度运动模拟器进行运动，同时产生目标星模拟器和主动星模拟器的平动和转动运动。
9.如权利要求8所述的绳系拖曳控制地面试验验证方法，其特征在于，所述步骤S3中，进一步包含：
目标星模拟器在运动过程中受到系绳牵引，将目标星模拟器上的各个个三维力传感器测得的力的数据和各个陀螺仪的测量数据，通过所述目标控制下位机发送到所述动力学仿真机；
定义帆板上陀螺仪坐标系OfXfYfZf原点在陀螺仪中心，Xf轴为帆板负法向，Yf轴沿帆板轴向向外，Zf轴符合右手定律；本体上陀螺仪的坐标系ObXbYbZb原点在本体陀螺仪中心，坐标轴与帆板上陀螺仪平行；
对三个陀螺仪的数测量据分别进行积分获得三轴角度数据，帆板陀螺仪数据积分后的Zf角度值与本体陀螺仪数据积分后的Zb角度值不同；
三维力传感器获得的拉力方向转换到目标星本体系上，设定测得的拉力为Ffn，n代表三维力传感器的编号，则目标星本体系下受到的拉力Fbn为:
式中，γb为本体上陀螺仪的数据积分值，γf为帆板上陀螺仪的数据积分值；
将各个三维力传感器的测量数据进行转换后得到目标星本体系下的拉力，并输入到动力学模型中，获得最新的轨道、姿态数据。
10.如权利要求9所述的绳系拖曳控制地面试验验证方法，其特征在于，所述步骤S4中，进一步包含：
所述动力学仿真机将目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据发送给GNC计算机，所述GNC计算机根据该输入的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据解算相对状态量，并根据相对运动状态和设定的绳系收放控制律得到绳系收放指令；
所述GNC计算机将所述绳系收放指令发送给主动星模拟器上的绳系收放装置，绳系收放装置根据指令控制系绳的收放。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114721297A (zh) * 2022-05-18 2022-07-08 伸瑞科技（北京）有限公司 空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法
CN116280295A (zh) * 2023-03-31 2023-06-23 中国科学院力学研究所 一种超高速精瞄控制释放分离系统及控制方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102410901A (zh) * 2011-08-22 2012-04-11 东南大学 航天员舱外攀爬活动训练用的四维抓取力的测力装置
CN103970142A (zh) * 2013-02-01 2014-08-06 上海新跃仪表厂 在轨拖曳的组合体航天器姿轨复合控制方法
CN103984349A (zh) * 2014-04-01 2014-08-13 西北工业大学 一种基于sopc的空间绳系机器人控制系统及方法
CN104252574A (zh) * 2014-07-17 2014-12-31 西北工业大学 一种基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法
CN106184830A (zh) * 2016-07-07 2016-12-07 西北工业大学 空间碎片自动移除装置及其移除方法
CN106184829A (zh) * 2015-06-01 2016-12-07 北京空间飞行器总体设计部 多自由度调节指向机构和方法
CN106516177A (zh) * 2016-10-18 2017-03-22 南京航空航天大学 一种基于绳系技术的空间碎片回收控制方法
CN106774362A (zh) * 2016-11-25 2017-05-31 集美大学 一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统
CN107640333A (zh) * 2017-09-11 2018-01-30 上海宇航系统工程研究所 一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统
CN107719709A (zh) * 2017-09-21 2018-02-23 西北工业大学 一种空间碎片清除系统构型及其设计方法
CN108225319A (zh) * 2017-11-30 2018-06-29 上海航天控制技术研究所 基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法
WO2018154603A1 (en) * 2017-02-22 2018-08-30 Pes University Ultra-thin wires as drag-enhancing system for space craft, method of deployment
CN108820264A (zh) * 2018-08-01 2018-11-16 北京理工大学 一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法
CN109760860A (zh) * 2018-12-11 2019-05-17 上海航天控制技术研究所 一种双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102410901A (zh) * 2011-08-22 2012-04-11 东南大学 航天员舱外攀爬活动训练用的四维抓取力的测力装置
CN103970142A (zh) * 2013-02-01 2014-08-06 上海新跃仪表厂 在轨拖曳的组合体航天器姿轨复合控制方法
CN103984349A (zh) * 2014-04-01 2014-08-13 西北工业大学 一种基于sopc的空间绳系机器人控制系统及方法
CN104252574A (zh) * 2014-07-17 2014-12-31 西北工业大学 一种基于空间系绳抓捕系统的非合作目标质量辨识方法
CN106184829A (zh) * 2015-06-01 2016-12-07 北京空间飞行器总体设计部 多自由度调节指向机构和方法
CN106184830A (zh) * 2016-07-07 2016-12-07 西北工业大学 空间碎片自动移除装置及其移除方法
CN106516177A (zh) * 2016-10-18 2017-03-22 南京航空航天大学 一种基于绳系技术的空间碎片回收控制方法
CN106774362A (zh) * 2016-11-25 2017-05-31 集美大学 一种柔性六自由度绳牵引的船模水池试验控制方法和系统
WO2018154603A1 (en) * 2017-02-22 2018-08-30 Pes University Ultra-thin wires as drag-enhancing system for space craft, method of deployment
CN107640333A (zh) * 2017-09-11 2018-01-30 上海宇航系统工程研究所 一种基于系绳连接的柔性组合体拖曳移除控制地面试验验证系统
CN107719709A (zh) * 2017-09-21 2018-02-23 西北工业大学 一种空间碎片清除系统构型及其设计方法
CN108225319A (zh) * 2017-11-30 2018-06-29 上海航天控制技术研究所 基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法
CN108820264A (zh) * 2018-08-01 2018-11-16 北京理工大学 一种用于清除空间碎片的绳系拖曳系统及方法
CN109760860A (zh) * 2018-12-11 2019-05-17 上海航天控制技术研究所 一种双臂协同抓捕非合作旋转目标的地面试验系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
冯吉根: "空间绳系组合体地面拖曳模拟技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 *
樊星星: "空间绳系组合体地面模拟实验测量技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114721297A (zh) * 2022-05-18 2022-07-08 伸瑞科技（北京）有限公司 空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法
CN114721297B (zh) * 2022-05-18 2022-08-30 伸瑞科技（北京）有限公司 空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法
CN116280295A (zh) * 2023-03-31 2023-06-23 中国科学院力学研究所 一种超高速精瞄控制释放分离系统及控制方法
CN116280295B (zh) * 2023-03-31 2023-09-05 中国科学院力学研究所 一种超高速精瞄控制释放分离系统及控制方法

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