CN111332499A - 一种针对空间非合作目标的协同围捕系统及其围捕方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对空间非合作目标的协同围捕系统及其围捕方法，母星系统携带、释放和回收子星系统，且具有轨道转移、姿态机动、远程监控和星间通讯功能；母星上携带若干个子星系统，母星进行释放及回收操作，并对子星系统捕获的目标进行回收操作，子星系统进行轨道姿态机动和执行目标探测任务，并完成协同围捕任务。本发明利用柔性围捕载荷技术，避免了与目标的刚性碰撞，减少空间碎片产生，还可以增大捕获范围，实现对大范围空间碎片或者大型空间目标的捕获，一方面可节省子星的燃料并便于子星的回收，实现经济性；另一方面，远程释放可以避免被目标探测，构建多子星组合系统，以隐蔽捕获意图，实现隐蔽接近。

Description

一种针对空间非合作目标的协同围捕系统及其围捕方法

技术领域

本发明涉及太空目标抓捕领域，尤其是一种利用多颗小卫星进行协同围捕的系统及其围捕方法。

背景技术

在轨服务与维护的对象包括失效航天器、失控航天器、空间垃圾及敌对航天器等高动态非合作目标，对此类目标的在轨自主捕获是完成空间飞行器在轨服务与维护的前提，也是实现在轨服务的关键所在。因此，空间抓捕与操控是在轨服务与维护的核心技术之一，具有重要的理论与工程研究价值。近年来，国外尤其是美国进行了多次与航天器在轨服务相关的技术试验，并在此基础上制定和规划了多个针对非合作目标的演示验证项目，例如：2003年的XSS-10、2005年的低轨道非合作目标自主接近操作XSS-11和DART、2006年的空间在轨服务“轨道快车”、静止轨道非合作目标空间操作小卫星MiTex计划，以及在研的RSGS项目、“凤凰”计划等。国内也开展了与在轨服务相关的技术试验与预先研究，如“空间维护技术与科学试验任务”、“天舞计划”等。NASA Goddard空间飞行中心的综述调研报告分析了在轨服务的重要性、现状和发展方向。从相关项目、计划和调研报告中不难看出国外对此类研究的重视程度，并得出未来空间在轨服务与操作的发展方向：从合作目标向非合作目标方向发展；从非自主向自主方向发展；从抵近操作向抓捕操作方向发展；从无接触式操作向接触式操作方向发展；从操控低动态非合作目标向操控高动态非合作目标方向发展。

结合国内外研究现状，已有的几种非合作目标捕获技术都具有一定局限性。最早提出的方案是利用空间机器人进行非合作目标的抓捕方案。由于目标的高动态，机械臂会与目标之间发生硬碰撞，会产生新的空间碎片。而且抓捕范围受到机械臂工作空间限制，不利于捕获的执行。目前，常用的系绳离轨方案包括电动系绳离轨、系绳动量交换离轨和绳系拖曳离轨。电动力系绳离轨过程虽然不需要消耗推进剂，主要通过电动力交换，但是GEO轨道的等离子体稀薄，难以应用；系绳动量交换方法借助系绳使两个飞行器发生动量交换，应用受限。为了增加捕获范围，ESA提出了柔性绳网捕获方案，ROGER机器人机动到目标前方，发射绳网，利用张开的绳网实现目标的包覆与锁定。但是该方案的绳网发射后不可控，对于高机动非合作目标的适应性不强。日本学者在FUROSHIKI项目提出空间飞网的思路，利用四个小型航天器实现飞网或薄膜的控制，可实现大范围可容错的捕获。该方案的缺陷在于四个用于收口的航天器易发生碰撞，安全性降低。美国NASA在2016年投资的一项概念研究提出采用特殊的薄膜材料做成新概念二维宇宙飞船来包覆住目标并将其带离轨道。综上，利用绳网的方案可以增加捕获范围，避免硬碰撞，便于对目标上有价值载荷的再利用，对比系绳和空间机器人有很大的优势。但是已有方案仍存在安全性差、隐蔽性弱、机动性差的缺陷。所以，发展自主化、智能化的星网捕获系统，高精度、高可靠性完成空间非合作目标捕获的未来趋势所在。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对空间非合作目标的协同围捕系统及其围捕方法。基于对空间非合作目标进行捕获的任务需求，利用多颗小卫星进行协同围捕，为保护正常运行的航天器，尤其是中高轨高价值航天器的安全，本发明为基于集群卫星协同的自主捕获空间非合作目标的方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种针对空间非合作目标的协同围捕系统，包括母星系统和子星系统，所述母星系统携带、释放和回收子星系统，且具有轨道转移、姿态机动、远程监控和星间通讯功能；母星上携带若干个子星系统，母星系统上具有一对冗余自由度的机械臂对子星系统进行释放及回收操作，并对子星系统捕获的目标进行回收操作，进行包括但不限于在轨维修的在轨服务任务；在母星系统的侧面安装有八个多向喷气口，提供三轴六个方向的力矩，完成对母星的姿态控制；

所述子星系统包括观测子星、协同围捕子星和围捕载荷，其中每组观测子星中大于等于1颗子星，观测子星与母星系统进行通信，并进行轨道姿态机动和执行目标探测任务；协同围捕子星与观测子星之间进行通信，并完成协同围捕任务；

所述围捕载荷采用柔性绳网或柔性薄膜，用于捕获具有高动态、不确定构型的非合作目标，每组协同围捕子星包括3-4颗子星，围捕载荷的每个角端通过引导绳与协同围捕子星的一颗子星相连，与协同围捕子星共同构成空间协同围捕系统；每颗子星通过连接柱与一个球形接口固连，协同围捕子星共同携带一个围捕载荷；通过安装于每颗子星和围捕载荷之间的收线器调节连接围捕载荷角端引导绳的预紧力，控制围捕载荷的围捕构型，以适应不同的空间非合作目标。

所述协同围捕子星包括3个子星时，3个子星呈品字形，共同控制围捕载荷的围捕构型。

所述协同围捕子星包括4个子星时，其中3个子星位于同一平面控制围捕载荷的围捕构型，第4颗子星与3颗子星不在同一平面，但是投影于3个子星所在平面的几何中心，3个子星控制围捕载荷的围捕构型，第4颗子星维持围捕载荷结构稳定并观测围捕载荷状态。

本发明还提供一种针对空间非合作目标的协同围捕系统的围捕方法，步骤如下：

步骤1：在轨释放：利用母星上的机械臂将子星系统释放，并通过通信链路为子星系统指示空间非合作目标及其运动信息，为子星系统开展后续的隐蔽接近建立先决条件；

步骤2：隐蔽接近：子星系统以收拢状态，利用轨道机动，隐蔽接近空间非合作目标，若目标存在逃逸机动子星系统与目标间展开追逃博弈，利用追逃博弈技术，在对非合作目标运动的预测基础上，通过优化己方性能指标，得到对应的控制策略，实现对目标的隐蔽接近，并将目标的运动范围限制在围捕载荷的抓捕区域内；

步骤3：协同围捕：目标进入子星系统的不可逃逸区后，协同围捕子星分离展开围捕载荷，观测子星绕飞对非合作目标以及协同围捕系统，并进行观测，通过对目标进行观测得到运动数据，利用隐马尔可夫方法对目标的运动进行预测，利用动态博弈方法进行规划捕获路径，使协同围捕子星中的多个子星相互配合，调整网口位置以对准目标，协同围捕子星利用模型预测控制方法跟踪规划好的路径，牵拉引导绳控制围捕载荷对非合作目标完成有效包络；

步骤4：在轨收网：围捕载荷完成对目标包络后，为防止目标的逃逸及挣脱，安装于协同围捕子星每颗子星和围捕载荷之间收线器进行主动收网，同时每颗子星向外牵拉，将网口收紧；

步骤5：拖曳离轨：围捕载荷收紧完成后，非合作目标被完整的包络在围捕载荷之中，控制协同围捕子星实施轨道机动；基于线性二次型追逃博弈的控制方法，首先，根据非合作目标拖曳任务的控制需求设计子星与非合作目标的二次型目标函数，在考虑二者动力学约束的情况下求最优化问题，最优化问题为子星最小化目标函数且非合作目标最大化目标函数的方式，对非合作目标的运动行为进行预测，获得子星的控制策略；通过最优化问题的求解得到纳什均衡控制策略，在燃耗最小的情况下将非合作目标拖曳离轨，完成对其捕获过程；

步骤6：回收利用：捕获过程完成后，协同围捕子星的所有子星与围捕载荷分离，并返回母星被机械臂回收，完成燃料补加、系统升级和围捕载荷安装操作，等待下一次的攻防任务。

所述步骤4中当目标情况存在自主机动时，为防止目标的逃逸及挣脱，控制柔性绳网角端的子星实施轨道机动，完成绳网的轨道打结和收紧，从而限制住非合作目标进一步的运动，这个方案相比收紧网口来说反应速度更快，但对子星的机动能力要求更高。

本发明的有益效果在于针对空间目标的非合作性，设计了柔性安全隐蔽捕获方案。利用柔性围捕载荷技术，避免了与目标的刚性碰撞，减少空间碎片产生，还可以增大捕获范围，实现对大范围空间碎片或者大型空间目标的捕获。采用母星与子星相配合的方式，由母星接近目标并释放多子星系统，一方面可节省子星的燃料并便于子星的回收，实现经济性；另一方面，远程释放可以避免被目标探测，构建多子星组合系统，以隐蔽捕获意图，实现隐蔽接近。

针对空间非合作目标可能存在较大机动情况，设计了一种多星协同围捕方案，利用多个协同围捕子星来调整网口，以对准目标；而子星也可以调整位姿有效避免碰撞。设计子星与非合作目标的博弈机制，能够对具有主动机动能力的非合作目标进行围捕。通过子星之间合作博弈机制，以实现多颗子星协同发力，实现目标的拖曳。

附图说明

图1为本发明子母星协同围捕系统的总体示意图。

图2为本发明子母星协同围捕系统结构示意图。

图3为本发明母星总体结构示意图。

图4为本发明协同围捕子星携带围捕载荷示意图，其中，图4(a)为主视图，图4(b)为右视图。

图5空间非合作目标的围捕方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的功能定位主要在于提供基于集群与柔性绳网/薄膜的脱离母体式的隐蔽空间操控任务。其中母星主要提供目标探测、指令传输、空间协调、在轨维修等功能，多颗子星(大于等于4)按照特定构型携带柔性绳网/柔性薄膜对目标进行柔性灵巧操控。和平期间，多子星构成的系统可执行空间碎片清理、空间站防护等功能；战时子星可由母星释放，隐蔽快速接近非合作目标，执行空间突袭、在轨缠绕、集群围捕、协同拖曳等任务。

本发明的协同围捕系统基于渔民捕鱼理念，参考多个渔民利用渔网在海中捕鱼的方式，结合博弈理论，设计了智能的空间非合作目标捕获系统。系统总体方案包括子母星协同围捕系统设计以及空间非合作目标围捕方案设计。其中，子母星协同围捕系统包含母星系统和子星系统(如图1和图2所示)，子星系统又包含观测子星、协同围捕子星、围捕载荷(柔性绳网/薄膜)；空间非合作目标的围捕方案基于动态博弈理念，由母星释放协子星系统，隐蔽接近目标，多子星协同配合完成对非合作目标柔性安全地捕获，并对目标进行合作拖曳。

一种针对空间非合作目标的协同围捕系统，包括母星系统和子星系统，所述母星系统其结构示意图如图3所示，母星系统携带、释放和回收子星系统，且具有轨道转移、姿态机动、远程监控和星间通讯功能；母星上携带若干个子星系统，母星系统上具有一对冗余自由度的机械臂对子星系统进行释放及回收操作，并对子星系统捕获的目标进行回收操作，同时进行包括但不限于在轨维修的在轨服务任务；在母星系统的侧面安装有八个多向喷气口，提供三轴六个方向的力矩，完成对母星的姿态控制。

所述子星系统包括观测子星、协同围捕子星和围捕载荷，其中每组观测子星中大于等于1颗子星，观测子星与母星系统进行通信，并进行轨道姿态机动和执行目标探测任务；协同围捕子星与观测子星之间进行通信，并完成协同围捕任务；单个子星包括多体制微型通信分系统、模块化先进推进分系统、分布式数据管理分系统、相对导航与控制分系统、轻量化高效能源分系统、一体化热能平衡分系统和通用承载与围捕分系统。

所述围捕载荷采用柔性绳网或柔性薄膜，用于捕获具有高动态、不确定构型的非合作目标，每组协同围捕子星包括3-4颗子星，如图4所示，围捕载荷的每个角端通过引导绳与协同围捕子星的一颗子星相连，与协同围捕子星共同构成空间协同围捕系统；每颗子星通过连接柱与一个球形接口固连，协同围捕子星共同携带一个围捕载荷(图4中为绳网)；通过安装于每颗子星和围捕载荷之间的收线器调节连接围捕载荷角端引导绳的预紧力，控制围捕载荷的围捕构型，以适应不同的空间非合作目标。

所述协同围捕子星包括3个子星时，3个子星呈品字形，共同控制围捕载荷的围捕构型。

所述协同围捕子星包括4个子星时，其中3个子星位于同一平面控制围捕载荷的围捕构型，第4颗子星与3颗子星不在同一平面，但是投影于3个子星所在平面的几何中心，3个子星控制围捕载荷的围捕构型，第4颗子星维持围捕载荷结构稳定并观测围捕载荷状态。

一种针对空间非合作目标的协同围捕系统的围捕方法，步骤如下：

具体的非合作目标捕获流程如图5所示，包括释放、逼近、围捕、在轨收网、拖曳离轨和回收利用等六个阶段。

步骤1：在轨释放：利用母星上的机械臂将子星系统释放，并通过通信链路为子星系统指示空间非合作目标及其运动信息，为子星系统开展后续的隐蔽接近建立先决条件；

步骤2：隐蔽接近：子星系统以收拢状态，利用轨道机动，隐蔽接近空间非合作目标，若目标存在逃逸机动子星系统与目标间展开追逃博弈，利用追逃博弈技术，在对非合作目标运动的预测基础上，通过优化己方性能指标，得到对应的控制策略，实现对目标的隐蔽接近，并将目标的运动范围限制在围捕载荷的抓捕区域内；

步骤3：协同围捕：目标进入子星系统的不可逃逸区后，协同围捕子星分离展开围捕载荷，观测子星绕飞对非合作目标以及协同围捕系统，并进行观测，通过对目标进行观测得到运动数据，利用隐马尔可夫方法对目标的运动进行预测，利用动态博弈方法进行规划捕获路径，使协同围捕子星中的多个子星相互配合，调整网口位置以对准目标，协同围捕子星利用模型预测控制方法跟踪规划好的路径，牵拉引导绳控制围捕载荷对非合作目标完成有效包络；

步骤4：在轨收网：围捕载荷(以柔性绳网为例)完成对目标包络后，为防止目标的逃逸及挣脱，安装于协同围捕子星每颗子星和围捕载荷之间收线器进行主动收网，同时每颗子星向外牵拉，将网口收紧；

步骤5：拖曳离轨：围捕载荷收紧完成后，非合作目标被完整的包络在围捕载荷之中，控制协同围捕子星实施轨道机动，将该过程可看作子星与非合作目标的非合作博弈过程；基于线性二次型追逃博弈的控制方法，首先，根据非合作目标拖曳任务的控制需求设计子星与非合作目标的二次型目标函数，在考虑二者动力学约束的情况下求最优化问题，最优化问题为子星最小化目标函数且非合作目标最大化目标函数的方式，对非合作目标的运动行为进行预测，获得子星的控制策略；通过最优化问题的求解得到纳什均衡控制策略，以尽可能在燃耗最小的情况下将非合作目标拖曳离轨，完成对其捕获过程；

步骤6：回收利用：捕获过程完成后，协同围捕子星的所有子星与围捕载荷分离，并返回母星被机械臂回收，完成燃料补加、系统升级和围捕载荷安装操作，等待下一次的攻防任务。

所述步骤4中当目标情况存在自主机动时，为防止目标的逃逸及挣脱，控制柔性绳网角端的子星实施轨道机动，完成绳网的轨道打结和收紧，从而限制住非合作目标进一步的运动，这个方案相比收紧网口来说反应速度更快，但对子星的机动能力要求更高。

该发明的技术方案的实施例包括以下步骤：

(1)在轨释放：利用母星上的弹射装置或者机械臂将协同围捕子星系统释放，并通过通信链路为子星指示空间非合作目标及其运动信息，为子星开展后续的隐蔽接近建立先决条件；

(2)隐蔽接近：协同围捕子星以收拢状态，利用快速轨道机动，隐蔽接近空间非合作目标，若目标存在逃逸机动，子星可与目标间展开追逃博弈，将目标的运动范围限制在柔性绳网/薄膜的抓捕区域内；

(3)协同围捕：目标进入子星的不可逃逸区后，子星系统分离展开柔性绳网/薄膜，利用集群模块化卫星间的合作博弈协调策略，控制柔性绳网/薄膜实现对非合作目标的有效包络；

(4)在轨收网：柔性绳网/柔性薄膜完成对目标包络后，为防止目标的逃逸及挣脱，网口的双向收线器进行主动收网，将网口收紧，也可控制柔性绳网/薄膜角端的模块化航天器实施轨道机动，完成围捕系绳的轨道打结和收紧，从而限制住非合作目标进一步的运动，实现对其攻击的目标；

(5)拖曳离轨：轨道打结与收紧完成后，非合作目标被完整的包络在柔性绳网/柔性薄膜之中，可再次控制柔性绳网/薄膜角端的模块化航天器实施轨道机动，将捕获的非合作目标进行拖曳离轨或回收，完成对其捕获过程；

(6)回收利用：捕获过程完成后，构成协同围捕子星的模块化航天器可与柔性绳网/柔性薄膜分离，并返回母星附近被机械臂回收，完成燃料补加、系统升级、柔性绳网/薄膜安装等操作，伺机等待下一次的攻防任务。

Claims (5)

1.一种针对空间非合作目标的协同围捕系统，包括母星系统和子星系统，其特征在于：

所述母星系统携带、释放和回收子星系统，且具有轨道转移、姿态机动、远程监控和星间通讯功能；母星上携带若干个子星系统，母星系统上具有一对冗余自由度的机械臂对子星系统进行释放及回收操作，并对子星系统捕获的目标进行回收操作，进行包括但不限于在轨维修的在轨服务任务；在母星系统的侧面安装有八个多向喷气口，提供三轴六个方向的力矩，完成对母星的姿态控制；

所述子星系统包括观测子星、协同围捕子星和围捕载荷，其中每组观测子星中大于等于1颗子星，观测子星与母星系统进行通信，并进行轨道姿态机动和执行目标探测任务；协同围捕子星与观测子星之间进行通信，并完成协同围捕任务；

所述围捕载荷采用柔性绳网或柔性薄膜，用于捕获具有高动态、不确定构型的非合作目标，每组协同围捕子星包括3-4颗子星，围捕载荷的每个角端通过引导绳与协同围捕子星的一颗子星相连，与协同围捕子星共同构成空间协同围捕系统；每颗子星通过连接柱与一个球形接口固连，协同围捕子星共同携带一个围捕载荷；通过安装于每颗子星和围捕载荷之间的收线器调节连接围捕载荷角端引导绳的预紧力，控制围捕载荷的围捕构型，以适应不同的空间非合作目标。

2.根据权利要求1所述的针对空间非合作目标的协同围捕系统，其特征在于：

所述协同围捕子星包括3个子星时，3个子星呈品字形，共同控制围捕载荷的围捕构型。

3.根据权利要求1所述的针对空间非合作目标的协同围捕系统，其特征在于：

所述协同围捕子星包括4个子星时，其中3个子星位于同一平面控制围捕载荷的围捕构型，第4颗子星与3颗子星不在同一平面，但是投影于3个子星所在平面的几何中心，3个子星控制围捕载荷的围捕构型，第4颗子星维持围捕载荷结构稳定并观测围捕载荷状态。

4.一种利用权利要求1所述针对空间非合作目标的协同围捕系统的围捕方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：在轨释放：利用母星上的机械臂将子星系统释放，并通过通信链路为子星系统指示空间非合作目标及其运动信息，为子星系统开展后续的隐蔽接近建立先决条件；

步骤2：隐蔽接近：子星系统以收拢状态，利用轨道机动，隐蔽接近空间非合作目标，若目标存在逃逸机动子星系统与目标间展开追逃博弈，利用追逃博弈技术，在对非合作目标运动的预测基础上，通过优化己方性能指标，得到对应的控制策略，实现对目标的隐蔽接近，并将目标的运动范围限制在围捕载荷的抓捕区域内；

步骤3：协同围捕：目标进入子星系统的不可逃逸区后，协同围捕子星分离展开围捕载荷，观测子星绕飞对非合作目标以及协同围捕系统，并进行观测，通过对目标进行观测得到运动数据，利用隐马尔可夫方法对目标的运动进行预测，利用动态博弈方法进行规划捕获路径，使协同围捕子星中的多个子星相互配合，调整网口位置以对准目标，协同围捕子星利用模型预测控制方法跟踪规划好的路径，牵拉引导绳控制围捕载荷对非合作目标完成有效包络；

步骤4：在轨收网：围捕载荷完成对目标包络后，为防止目标的逃逸及挣脱，安装于协同围捕子星每颗子星和围捕载荷之间收线器进行主动收网，同时每颗子星向外牵拉，将网口收紧；

步骤5：拖曳离轨：围捕载荷收紧完成后，非合作目标被完整的包络在围捕载荷之中，控制协同围捕子星实施轨道机动；基于线性二次型追逃博弈的控制方法，首先，根据非合作目标拖曳任务的控制需求设计子星与非合作目标的二次型目标函数，在考虑二者动力学约束的情况下求最优化问题，最优化问题为子星最小化目标函数且非合作目标最大化目标函数的方式，对非合作目标的运动行为进行预测，获得子星的控制策略；通过最优化问题的求解得到纳什均衡控制策略，在燃耗最小的情况下将非合作目标拖曳离轨，完成对其捕获过程；

步骤6：回收利用：捕获过程完成后，协同围捕子星的所有子星与围捕载荷分离，并返回母星被机械臂回收，完成燃料补加、系统升级和围捕载荷安装操作，等待下一次的攻防任务。

5.根据权利要求4所述针对空间非合作目标的协同围捕系统的围捕方法，其特征在于包括下述步骤：

所述步骤4中当目标情况存在自主机动时，为防止目标的逃逸及挣脱，控制柔性绳网角端的子星实施轨道机动，完成绳网的轨道打结和收紧，从而限制住非合作目标进一步的运动。

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