CN114721297B - 空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法，属于飞行器地面仿真技术领域。跟踪星运动模拟部件用于模拟跟踪星的三自由度平动运动和三自由度转动运动，目标星运动模拟部件用于模拟目标星的三自由度平动运动和三自由度转动运动，抓捕拖拽模拟部件用于模拟跟踪星对目标星的抓捕和拖拽过程，控制部件用于根据试验需求向跟踪星运动模拟部件和目标星运动模拟部件发出控制指令，完成跟踪星对目标星的跟踪动作、抓捕动作和拖拽动作，以提供一种用于在地面仿真回收废弃卫星过程的试验装置，该试验装置结构简单，不会在实际使用过程中出现未经过试验的其他捕获形式。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器地面仿真技术领域，尤其涉及一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法。
背景技术
由于空间轨道资源有限，对于废弃卫星的高效回收或者是销毁（比如拖曳到坟墓轨道）具有重要的现实意义，实现废弃卫星的高效回收或者是销毁的常规手段有拖曳、飞爪抓取和机械臂操控，这些手段中会涉及很多新兴技术，必须在地面进行全面的试验与验证后才可以投入使用，以确保发射上天后能够实现预期的目标。
但目前所用的试验装置结构都比较复杂，在实际使用过程中可能会出现未经过试验的其他捕获形式，基于此，亟需一种结构简单的试验装置及试验方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本发明用于提供一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置，所述试验装置包括跟踪星运动模拟部件、目标星运动模拟部件、抓捕拖拽模拟部件和控制部件；所述控制部件分别与所述跟踪星运动模拟部件、所述目标星运动模拟部件和所述抓捕拖拽模拟部件通信连接；
所述跟踪星运动模拟部件包括第一平动平台以及安装于所述第一平动平台上的第一转动平台；所述第一转动平台用于模拟跟踪星；所述跟踪星运动模拟部件用于模拟所述跟踪星的三自由度平动运动和三自由度转动运动；
所述目标星运动模拟部件包括第二平动平台以及安装于所述第二平动平台上的第二转动平台；所述第二转动平台用于模拟目标星；所述目标星运动模拟部件用于模拟所述目标星的三自由度平动运动和三自由度转动运动；
所述抓捕拖拽模拟部件安装于所述跟踪星上；所述抓捕拖拽模拟部件用于模拟所述跟踪星对所述目标星的抓捕和拖拽过程；
所述控制部件用于根据试验需求向所述跟踪星运动模拟部件和所述目标星运动模拟部件发出控制指令，完成所述跟踪星对所述目标星的跟踪动作、抓捕动作和拖拽动作。
第二方面，本发明用于提供一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验方法，所述试验方法包括：
将跟踪星运动模拟部件和目标星运动模拟部件分别调整至初始位姿；
根据目标星的目标位姿控制所述目标星运动模拟部件运动；
接收所述跟踪星运动模拟部件返回的跟踪星与所述目标星的相对位姿，并根据所述相对位姿控制所述跟踪星运动模拟部件运动，进行所述跟踪星对所述目标星的跟踪动作；
根据所述相对位姿确定所述目标星是否进入抓捕范围；若是，则控制抓捕拖拽模拟部件进行所述跟踪星对所述目标星的抓捕动作；
根据拖拽动作的目标位姿，控制所述跟踪星运动模拟部件运动，进行所述跟踪星对所述目标星的拖拽动作。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明用于提供一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置与方法，包括跟踪星运动模拟部件、目标星运动模拟部件、抓捕拖拽模拟部件和控制部件。跟踪星运动模拟部件用于模拟跟踪星的三自由度平动运动和三自由度转动运动，目标星运动模拟部件用于模拟目标星的三自由度平动运动和三自由度转动运动，抓捕拖拽模拟部件用于模拟跟踪星对目标星的抓捕和拖拽过程，控制部件用于根据试验需求向跟踪星运动模拟部件和目标星运动模拟部件发出控制指令，完成跟踪星对目标星的跟踪动作、抓捕动作和拖拽动作，以提供一种用于在地面仿真回收废弃卫星过程的试验装置，该试验装置结构简单，不会在实际使用过程中出现未经过试验的其他捕获形式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1所提供的试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1所提供的航天器姿轨运动模拟平台的结构示意图；
图3为本发明实施例1所提供的抓捕拖拽模拟部件的结构示意图；
图4为本发明实施例1所提供的目标星本体坐标系的示意图；
图5为本发明实施例1所提供的跟踪星本体坐标系的示意图；
图6为本发明实施例1所提供的3个第二力传感器的安装示意图；
图7为本发明实施例1所提供的y轴串扰示意图；
图8为本发明实施例1所提供的y轴串扰与转动角度的关系曲线图；
图9为本发明实施例1所提供的x轴和z轴串扰侧视图；
图10为本发明实施例1所提供的x轴和z轴串扰示意图；
图11为本发明实施例1所提供的x轴与z轴串扰与转动角度关系图。
附图标记：
1-跟踪星运动模拟部件；2-目标星运动模拟部件；3-抓捕拖拽模拟部件；4-控制部件；11-第一平动平台；12-第一转动平台；21-第二平动平台；22-第二转动平台；23-帆板；31-第一柔性绳索；32-第一绳网抓捕自适应装置；33-第一牵引绳索；34-重力卸载组件；41-动力学及GNC计算机；42-数据传输系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
实施例1：
目前，在地面模拟废弃卫星的回收过程所用的试验装置可包括如下方案：（1）提出一种面向空间服务需求的新型多面体网型空间抓捕机构，以3-RRS并联机构为本体，将其动平台用空间单闭环六杆机构Bricard机构替代，通过Bricard网口的缩放运动和本体的包拢变形对空间目标进行抓捕以及位置和姿态的调整，并通过仿真，分析该机构强度、热平衡以及关节受力情况，确保了其能够满足实际使用的需求。但该方案所用的装置结构过于复杂，在工作时很可能产生运动奇异问题，并会对卫星本体产生复杂的残余力矩，加大了卫星运动以及姿态控制的难度。（2）提出一种空间机械臂的末端柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型，通过建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型，并对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息，验证了模型的准确性，补充了空间机械臂的末端柔性捕获机构软捕获过程的理论基础。但该方案所用的柔性捕获机构结构复杂，无法避免在实际使用中出现其他捕获姿态和形式，且缺少地面试验平台的测试验证分析。（3）总结交会对接地面仿真验证技术的实现途径，着重分析交会对接九自由度半物理仿真验证系统的设计特点。但两个飞行器在轨最多具有十二个自由度的轨道和姿态，故该方案中的九自由度半物理仿真验证系统在地面验证上还具有一定局限性。（4）提出一种基于在轨抓捕地面试验系统的空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统，通过将第一第二模拟星分别配置为模拟机械臂所在的卫星和目标星，利用目标抵近模拟模块、姿态修正模块和抓捕仿真模块进行动作，检验第一模拟星上的机械臂能否完成针对第二模拟星的抓捕任务，并通过第一模拟星的姿态信息计算机械臂运动对卫星本体的干扰力矩。但该方案利用四个冷推力器占空比以及其他姿态信息用来计算抓捕过程机械臂运动对卫星本体干扰力情况，误差较大，且没有针对目标星所受力和力矩的分析情况。
可见，现有的试验装置结构都比较复杂，在实际使用过程中可能会出现未经过试验的其他捕获形式，基于此，本实施例用于提供一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置，如图1所示，所述试验装置包括跟踪星运动模拟部件1、目标星运动模拟部件2、抓捕拖拽模拟部件3和控制部件4，控制部件4分别与跟踪星运动模拟部件1、目标星运动模拟部件2和抓捕拖拽模拟部件3通信连接。
如图2所示，跟踪星运动模拟部件1包括第一平动平台11以及安装于第一平动平台11上的第一转动平台12，第一转动平台12用于模拟跟踪星，即以第一转动平台12作为跟踪星，跟踪星运动模拟部件1用于模拟跟踪星的三自由度平动运动和三自由度转动运动。跟踪星运动模拟部件1的一种可选的实现方式可为，第一平动平台11包括3条正交的导轨，定义左右运动为X轴，前后运动为Y轴，上下运动为Z轴，则3条导轨分别记为X轴导轨，Y轴导轨和Z轴导轨，Y轴导轨安装于X轴导轨上，并与X轴导轨相垂直，Z轴导轨安装于Y轴导轨上，并与地面相垂直，第一转动平台12安装于Z轴导轨上，通过设置驱动组件，可使Y轴导轨沿X轴导轨进行沿X轴方向的左右直线运动，使Z轴导轨沿Y轴导轨进行沿Y轴方向的前后直线运动，使第一转动平台12沿Z轴导轨进行沿Z轴方向的上下直线运动，以提供X、Y和Z轴三个方向的单自由度高精度直线运动，进行三自由度的高精度平动模拟，实现跟踪星的三自由度平动运动模拟，驱动组件可包括电机和丝杠滑块机构，第一转动平台12可为三自由度平台，也可为气浮台，以提供三自由度的高精度转动模拟，实现跟踪星的三自由度转动运动模拟。当然，本实施例的X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨的数量任意，如图2所示，其设置有两条相平行的X轴导轨。
目标星运动模拟部件2包括第二平动平台21以及安装于第二平动平台21上的第二转动平台22，第二转动平台22用于模拟目标星，即以第二转动平台22作为目标星，目标星运动模拟部件2用于模拟目标星的三自由度平动运动和三自由度转动运动。目标星运动模拟部件2的一种可选的实现方式可为，第二平动平台21包括3条正交的导轨，定义左右运动为X轴，前后运动为Y轴，上下运动为Z轴，则3条导轨分别记为X轴导轨，Y轴导轨和Z轴导轨，Y轴导轨安装于X轴导轨上，并与X轴导轨相垂直，Z轴导轨安装于Y轴导轨上，并与地面相垂直，第二转动平台22安装于Z轴导轨上，通过设置驱动组件，可使Y轴导轨沿X轴导轨进行沿X轴方向的左右直线运动，使Z轴导轨沿Y轴导轨进行沿Y轴方向的前后直线运动，使第二转动平台22沿Z轴导轨进行沿Z轴方向的上下直线运动，以提供X、Y和Z轴三个方向的单自由度高精度直线运动，进行三自由度的高精度平动模拟，实现目标星的三自由度平动运动模拟，驱动组件可包括电机和丝杠滑块机构，第二转动平台22可为三自由度平台，以提供三自由度的高精度转动模拟，实现目标星的三自由度转动运动模拟。当然，本实施例的X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨的数量任意，如图2所示，其设置有两条相平行的X轴导轨。
本实施例的跟踪星运动模拟部件1和目标星运动模拟部件2组成航天器姿轨运动模拟平台，两台三自由度平台分别安放在两个平动平台上，用来模拟跟踪星和目标星，可提供目标星运动模拟部件2和跟踪星运动模拟部件1各三自由度的高精度平动模拟和各三自由度的高精度转动模拟。该航天器姿轨运动模拟平台放置于地面基座平台上，用来模拟跟踪星和目标星在空间轨道的动力学、运动学的相对运动情况。
抓捕拖拽模拟部件3安装于跟踪星上，抓捕拖拽模拟部件3用于模拟跟踪星对目标星的抓捕和拖拽过程。
作为一种可选的实施方式，如图3所示，本实施例的抓捕拖拽模拟部件3包括第一模拟组件、第二模拟组件和重力卸载组件34。第一模拟组件包括第一牵引绳索33和多条第一柔性绳索31，第一牵引绳索33用于牵引被捕获的目标星运动，多条第一柔性绳索31用于模拟抓捕网，以模拟目标星被捕获后的形态。第一牵引绳索33的一端通过第一绳网抓捕自适应装置32与多条第一柔性绳索31的一端相连接，多条第一柔性绳索31的另一端均与目标星相连接，第一牵引绳索33的另一端与跟踪星相连接，重力卸载组件34与第一牵引绳索33相连接，重力卸载组件34用于消除第一模拟组件产生的重力影响，用来模拟抓捕拖拽模拟部件3真实的捕获状态。第二模拟组件包括第二牵引绳索和多条第二柔性绳索，第二牵引绳索通过第二绳网抓捕自适应装置与多条第二柔性绳索的一端相连接，多条第二柔性绳索的另一端悬空，第二牵引绳索的另一端与跟踪星相连接。
在非工作状态下，第一牵引绳索33处于松弛状态，第二模拟组件处于折叠状态，并位于跟踪星上，折叠状态是指第二牵引绳索和多条第二柔性绳索叠放；在工作状态下，第一牵引绳索33处于张紧状态，第二模拟组件被弹射，且第二牵引绳索的另一端与跟踪星断开连接，工作状态为模拟跟踪星对目标星的抓捕和拖拽过程的状态。具体的，在转变为工作状态时，先将第二模拟组件弹射，再使第一牵引绳索33处于张紧状态。
第一模拟组件提前与跟踪星运动模拟部件1和目标星运动模拟部件2连接好，并且为松弛状态，在跟踪星运动模拟部件1弹射第二模拟组件后，第一模拟组件张紧，以模拟目标星被捕获的状态。作为另一种可选的实施方式，本实施例取消第一模拟组件的预连接，在跟踪星运动模拟部件1上安装弹射部件，在目标星运动模拟部件2进入捕获范围时，将抓捕拖拽模拟部件3弹射并展开。具体的，本实施例的抓捕拖拽模拟部件3包括模拟组件、重力卸载组件34以及多条第一柔性绳索，模拟组件包括牵引绳索以及多条第二柔性绳索，第一柔性绳索和第二柔性绳索一一对应，每一第一柔性绳索一端与目标星相连接，另一端安装有磁铁，每一第二柔性绳索一端安装有磁铁，另一端通过绳网抓捕自适应装置与牵引绳索相连接，牵引绳索的另一端与跟踪星相连接。
在非工作状态下，模拟组件处于折叠状态，并位于跟踪星上；在工作状态下，模拟组件被弹射，第一柔性绳索与第二柔性绳索通过磁铁相连接，此时二者的组合相当于上一种实施方式的第一柔性绳索31，重力卸载组件34与牵引绳索相连接，工作状态为模拟跟踪星对目标星的抓捕和拖拽过程的状态。
优选的，模拟组件中的每一第二柔性绳索上每隔一段距离则安装一块磁铁，以确保抓捕拖拽模拟部件3能够成功捕获目标星，并且能真实的模拟其被捕获的状态。重力卸载组件34采用无人机视觉识别并悬吊，牵引绳索上标有靶标，在抓捕拖拽模拟部件3被弹射完成后，无人机进行靶标寻找，找到靶标后放下悬吊绳索与牵引绳索相连接，完成悬吊以卸载重力。
本实施例的重力卸载组件34可为吊丝装置或者氦气球，该重力卸载组件34用于消除抓捕拖拽模拟部件3的重力影响，可以通过吊丝装置或者氦气球实现重力卸载。
控制部件4用于根据试验需求向跟踪星运动模拟部件1和目标星运动模拟部件2发出控制指令，完成跟踪星对目标星的跟踪动作、抓捕动作和拖拽动作。具体的，控制部件4也可称为动力学及GNC测控系统，其由动力学及GNC计算机41和数据传输系统42组成。动力学及GNC计算机41首先给出目标星运动模拟部件2和跟踪星运动模拟部件1的初始位姿，并给出目标星运动模拟部件2下一时刻的目标位置、速度、运动轨迹及控制指令，跟踪星运动模拟部件1上安装有相对位姿敏感部件，该相对位姿敏感部件可以测量出跟踪星与目标星的相对位姿，并将该相对位姿数据反馈给动力学及GNC计算机41，由动力学及GNC计算机41计算给出跟踪星运动模拟部件1的目标位姿及控制量，实现跟踪动作，相对位姿敏感部件可为相机。动力学及GNC计算机41还用于根据相对位姿判断目标星是否进入抓捕范围，判断方式可为：预先设定抓捕范围对应的位姿阈值范围，当相对位姿处于该位姿阈值范围内，则代表目标星进入抓捕范围。待目标星运动模拟部件2进入抓捕范围后，跟踪星运动模拟部件1弹射第二模拟组件，该动作用于模拟跟踪星弹射抓捕拖拽模拟组件3时的状态，第二模拟组件在弹射完成后与跟踪星运动模拟部件1断开连接，并张紧预连接好的第一模拟组件，实现捕获动作，再由动力学及GNC计算机41给出拖拽动作的目标位姿及控制量，实现拖拽动作。
本实施例的试验装置还包括与控制部件4通信连接的目标星扰动力矩测量部件。该目标星扰动力矩测量部件包括多个第一力传感器，第一力传感器为高精度的单维力传感器。第一力传感器与第一柔性绳索31一一对应，第一力传感器安装于目标星上，并与其对应的第一柔性绳索31相连接，即每一第一柔性绳索31均通过一第一力传感器预连接至目标星运动模拟部件2上。第一力传感器用于在目标星被捕获及被拖拽时，测量第一柔性绳索31的拉力，控制部件4用于综合所有第一力传感器的测量数据计算目标星在被捕获及被拖拽时的干扰力矩。具体的，在利用多个第一力传感器测量得到每一根第一柔性绳索31上的拉力后，建立目标星本体坐标系，并将第一力传感器测量得到的拉力分解到目标星本体坐标系各个轴上，从而计算得到目标星被捕获及被拖拽时三个轴上所受干扰力矩大小。
如图4所示，以目标星运动模拟部件2的被牵引方向为z轴，帆板23的轴线方向（即竖直方向）为y轴，法向方向为x轴，建立目标星本体坐标系。设第i个第一柔性绳索31上的拉力为Fi(i=1,2,…,n)，将该拉力分解到x、y和z轴上后分别为Fix，Fiy，Fiz，则有：
其中，Mx为目标星沿x轴方向的干扰力矩；My为目标星沿y轴方向的干扰力矩；Mz为目标星沿z轴方向的干扰力矩；rix，riy，riz分别为Fix，Fiy，Fiz与坐标轴原点（以目标星的中心作为坐标轴原点）的垂直距离。
本实施例的试验装置还包括与控制部件4通信连接的跟踪星扰动力矩测量部件。该跟踪星扰动力矩测量部件包括多个第二力传感器，第二力传感器为高精度的三维力传感器。第二力传感器安装于跟踪星上，第二力传感器用于测量跟踪星弹射抓捕拖拽模拟部件3、捕获目标星以及拖拽目标星这一过程对跟踪星产生的力，控制部件4用于综合所有第二力传感器的测量数据计算跟踪星在弹射抓捕拖拽模拟部件3、捕获目标星以及拖拽目标星时的干扰力矩。通过在跟踪星运动模拟部件1的三自由度平台（即跟踪星）上按一定角度安装三维力传感器，建立跟踪星本体坐标系，并将三维力传感器测量得到的力分解到跟踪星本体坐标系各个轴上，从而计算得到跟踪星运动模拟部件1在执行弹射抓捕拖拽模拟部件3，捕获及拖拽目标星时三个轴所受干扰力矩大小。
如图5所示，以跟踪星运动模拟部件1沿运动轨道指向目标星运动模拟部件2的方向为z轴，竖直方向为x轴，建立跟踪星本体坐标系。如图6所示，本实施例的跟踪星扰动力矩测量部件可包括3个第二力传感器，第二力传感器均安装于跟踪星的侧壁上，其中一第二力传感器安装于跟踪星的上侧壁，并与跟踪星的中心位于同一竖直线上，将其记为Q1，且相邻两个第二力传感器分别与中心的连线之间所形成的夹角为120度，逆时针方向定义另两个第二力传感器分别为Q2和Q3，所有第二力传感器处于同一竖直面内。即3个第二力传感器Q1，Q2和Q3分别以夹角120°安装在跟踪星运动模拟部件1的三自由度平台的边缘，Q1安装在目标星本体坐标系的x轴上，且Q1，Q2和Q3保持在同一竖直平面内。安装时，每一第二力传感器的z轴正方向指向跟踪星的中心，y轴正方向水平指向目标星，即y轴与跟踪星本体坐标系的z轴平行并指向同一方向，x轴正方向指向跟踪星绕通过中心并与y轴平行的旋转轴逆时针旋转时的切线方向，即x轴沿切线指向三自由度平台（跟踪星）绕跟踪星本体坐标系的z轴逆时针旋转的方向，这种安装方法可以有效降低第二力传感器测量串扰对计算结果带来的影响。
安装完成后，3个第二力传感器可测得其三个轴上受力情况共9组数据：F1x，F1y，F1z，F2x，F2y，F2z，F3x，F3y，F3z，下标1、2、3代表第二力传感器的序号，下标x、y、z代表第二力传感器的坐标轴，F1x即为第二力传感器Q1沿x轴的力。将该数据进行分析计算，即可得到跟踪星本体坐标系三个轴的干扰力矩。
其中，Mx，My，Mz分别代表跟踪星本体坐标系x、y和z轴干扰力矩的解算值；r为第二力传感器到跟踪星中心的距离。本实施例中，3个第二力传感器至跟踪星中心的距离相等。
本实施例还对跟踪星干扰力矩的测量精度进行试验验证：
（1）当跟踪星受到z轴上的力矩时，理想情况下第二力传感器只有x轴有示数，但在实际中，第二力传感器固连机构的形变也同样会导致其y轴产生示数，从而引入了串扰。
如图7所示，其为第二力传感器y轴串扰示意图，h为第二力传感器离基座的高度，即y轴固连机构的长度，△lx和△ly分别为跟踪星绕z轴微小角度转动时，第二力传感器x，y轴上固连机构的形变。
根据几何关系有：
如图8所示，其为y轴串扰与转动角度θ的关系曲线图，转动角度在0.1°时，该比值为0.0008727；转动角度为0.5°时，该比值为0.004363；若实际转动角度不超过0.1°，则该串扰的影响在1‰以内。
（2）当跟踪星有x轴上的力矩时，理想情况下第二力传感器只有y轴有示数，但在实际情况下，跟踪星的微小角度运动会在
连线方向上产生n2和n3两个力，导致第二力传感器x轴和z轴上产生示数，从而引入串扰。
如图9所示，其为x轴和z轴串扰侧视图，L为第二力传感器Q2、Q3距离跟踪星x轴的距离，n2和n3分别为第二力传感器Q2、Q3在跟踪星y轴方向上测得的力，将该力分解到第二力传感器的x轴和z轴上，即为第二力传感器Q2、Q3的x轴和z轴示数，如图10所示，其为x轴和z轴串扰示意图，形变量l2用来产生第二力传感器y轴上的示数，形变量l1则是串扰产生的原因。
根据几何关系，有：
如图11所示，其为x轴与z轴串扰与转动角度关系图。当角度θ为0.1°时，该比值为0.0008727，影响在1‰以内，且n2，n3在分解到第二力传感器z轴和x轴上的数值只会更小，该影响会进一步降低。
（3）当三自由度平台有y轴上力矩时，产生的串扰和其绕x轴微小角度旋转时产生的串扰为同种串扰，故分析方法与（2）中相同，第二力传感器z轴和x轴上的示数均可忽略。
基于上述实验，可证明本实施例的跟踪星扰动力矩测量部件能够准确测得跟踪星所受的干扰力矩。
本实施例所提供的基于航天器姿轨运动模拟平台的空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置，由航天器姿轨运动模拟平台、抓捕拖拽模拟部件、动力学及GNC测控系统、目标星扰动力矩测量部件以及跟踪星扰动力矩测量部件组成。该航天器姿轨运动模拟平台放置于地面基座平台上，用来模拟跟踪星和目标星在空间轨道的动力学、运动学的相对运动情况；抓捕拖拽模拟部件安装在跟踪星运动模拟部件的三自由度平台上，并在抓捕动作完成后，通过第一力传感器与目标星运动模拟部件上的三自由度平台相连接，用来模拟跟踪星的空间柔性抓捕机构；目标星扰动力矩测量部件为连接抓捕拖拽模拟部件和目标星运动模拟部件的高精度力传感器，用来分析目标星在被捕并拖拽时所受的干扰力和干扰力矩情况；跟踪星扰动力矩测量部件安装在跟踪星运动模拟部件的三自由度平台上，用于测量跟踪星在释放抓捕拖拽模拟部件、捕获目标星以及拖拽过程中的所受干扰力矩情况。本实施例从工程可行性和应用性特点出发，创新性地提出了利用抓捕拖拽模拟部件捕获目标星，并使用重力卸载组件悬吊抓捕拖拽模拟部件来卸载重力，通过利用在基于三自由度平台的跟踪星运动模拟部件上安装高精度三轴力传感器来对跟踪星捕获目标星并拖拽的过程进行干扰力矩分析，利用抓捕拖拽模拟部件与目标星运动模拟部件连接的柔性绳索高精度力传感器测量目标星被捕获和拖拽过程中的干扰力矩。本实施例的优点在于捕获方式简单高效，抓捕拖拽模拟部件试验过程中重力卸载方法简便适用，能高度模拟抓捕拖拽机构在空间的工作状态，三轴力传感器测量跟踪星干扰力矩的方法简便实用，应用范围广，且可以有效避免测量串扰带来的影响，在不同测量工况下，测量精度高。
实施例2：
本实施例用于提供一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验方法，利用实施例1所述的试验装置进行工作，所述试验方法包括：
S1：将跟踪星运动模拟部件和目标星运动模拟部件分别调整至初始位姿；
S2：根据目标星的目标位姿控制所述目标星运动模拟部件运动；
S3：接收所述跟踪星运动模拟部件返回的跟踪星与所述目标星的相对位姿，并根据所述相对位姿控制所述跟踪星运动模拟部件运动，进行所述跟踪星对所述目标星的跟踪动作；
S4：根据所述相对位姿确定所述目标星是否进入抓捕范围；若是，则控制抓捕拖拽模拟部件进行所述跟踪星对所述目标星的抓捕动作；
针对于抓捕拖拽模拟部件的两种结构，控制抓捕拖拽模拟部件进行跟踪星对目标星的抓捕动作可以包括如下两种方式：
（1）抓捕拖拽模拟部件包括第一模拟组件、第二模拟组件和重力卸载组件。第一模拟组件包括第一牵引绳索和多条第一柔性绳索，第一牵引绳索的一端通过第一绳网抓捕自适应装置与多条第一柔性绳索的一端相连接，多条第一柔性绳索的另一端均与目标星相连接，第一牵引绳索的另一端与跟踪星相连接。重力卸载组件与第一牵引绳索相连接，重力卸载组件用于消除第一模拟组件产生的重力影响。第二模拟组件包括第二牵引绳索和多条第二柔性绳索，第二牵引绳索通过第二绳网抓捕自适应装置与多条第二柔性绳索的一端相连接，第二牵引绳索的另一端与跟踪星相连接。
此时，控制抓捕拖拽模拟部件进行跟踪星对目标星的抓捕动作具体包括：弹射第二模拟组件，并切断第二牵引绳索与跟踪星之间的连接；再使第一牵引绳索处于张紧状态。
（2）抓捕拖拽模拟部件包括模拟组件、重力卸载组件以及多条第一柔性绳索。模拟组件包括牵引绳索以及多条第二柔性绳索，第一柔性绳索和第二柔性绳索一一对应，每一第一柔性绳索一端与目标星相连接，另一端安装有磁铁，每一第二柔性绳索一端安装有磁铁，另一端通过绳网抓捕自适应装置与牵引绳索相连接，牵引绳索的另一端与跟踪星相连接。
此时，控制抓捕拖拽模拟部件进行跟踪星对目标星的抓捕动作具体包括：弹射模拟组件，使第一柔性绳索与第二柔性绳索通过磁铁相连接，重力卸载部件与牵引绳索相连接。
S5：根据拖拽动作的目标位姿，控制所述跟踪星运动模拟部件运动，进行所述跟踪星对所述目标星的拖拽动作。
在进行跟踪星对目标星的抓捕动作以及跟踪星对目标星的拖拽动作时，本实施例的试验方法还包括：接收第一力传感器测量得到的第一柔性绳索的拉力，并综合所有第一力传感器的测量数据计算目标星在被捕获及被拖拽时的干扰力矩；接收第二力传感器测量得到的对跟踪星产生的力，并综合所有第二力传感器的测量数据计算跟踪星在弹射抓捕拖拽模拟部件、捕获目标星以及拖拽目标星时的干扰力矩。本实施例的测量方式更为简便、直观，且可行性更高，并通过特定的传感器安装方法有效避免了串扰带来的影响，保证了测量的精度，并且能够测量弹射瞬间的干扰力和干扰力矩。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验装置，其特征在于，所述试验装置包括跟踪星运动模拟部件、目标星运动模拟部件、抓捕拖拽模拟部件和控制部件；所述控制部件分别与所述跟踪星运动模拟部件、所述目标星运动模拟部件和所述抓捕拖拽模拟部件通信连接；
所述跟踪星运动模拟部件包括第一平动平台以及安装于所述第一平动平台上的第一转动平台；所述第一转动平台用于模拟跟踪星；所述跟踪星运动模拟部件用于模拟所述跟踪星的三自由度平动运动和三自由度转动运动；
所述目标星运动模拟部件包括第二平动平台以及安装于所述第二平动平台上的第二转动平台；所述第二转动平台用于模拟目标星；所述目标星运动模拟部件用于模拟所述目标星的三自由度平动运动和三自由度转动运动；
所述抓捕拖拽模拟部件安装于所述跟踪星上；所述抓捕拖拽模拟部件用于模拟所述跟踪星对所述目标星的抓捕和拖拽过程；
所述控制部件用于根据试验需求向所述跟踪星运动模拟部件和所述目标星运动模拟部件发出控制指令，完成所述跟踪星对所述目标星的跟踪动作、抓捕动作和拖拽动作；
所述抓捕拖拽模拟部件包括第一模拟组件、第二模拟组件和重力卸载组件；
所述第一模拟组件包括第一牵引绳索和多条第一柔性绳索；所述第一牵引绳索的一端通过第一绳网抓捕自适应装置与多条所述第一柔性绳索的一端相连接，多条所述第一柔性绳索的另一端均与所述目标星相连接，所述第一牵引绳索的另一端与所述跟踪星相连接；所述重力卸载组件与所述第一牵引绳索相连接；所述重力卸载组件用于消除所述第一模拟组件产生的重力影响；
所述第二模拟组件包括第二牵引绳索和多条第二柔性绳索；所述第二牵引绳索通过第二绳网抓捕自适应装置与多条所述第二柔性绳索的一端相连接，所述第二牵引绳索的另一端与所述跟踪星相连接；
在非工作状态下，所述第一牵引绳索处于松弛状态，所述第二模拟组件处于折叠状态，并位于所述跟踪星上；在工作状态下，所述第一牵引绳索处于张紧状态，所述第二模拟组件被弹射，且所述第二牵引绳索的另一端与所述跟踪星断开连接；所述工作状态为模拟所述跟踪星对所述目标星的抓捕和拖拽过程的状态；
或者，所述抓捕拖拽模拟部件包括模拟组件、重力卸载组件以及多条第一柔性绳索；所述模拟组件包括牵引绳索以及多条第二柔性绳索；所述第一柔性绳索和所述第二柔性绳索一一对应；
每一所述第一柔性绳索一端与所述目标星相连接，另一端安装有磁铁；每一所述第二柔性绳索一端安装有磁铁，另一端通过绳网抓捕自适应装置与所述牵引绳索相连接；所述牵引绳索的另一端与所述跟踪星相连接；
在非工作状态下，所述模拟组件处于折叠状态，并位于所述跟踪星上；在工作状态下，所述模拟组件被弹射，所述第一柔性绳索与所述第二柔性绳索通过所述磁铁相连接，所述重力卸载组件与所述牵引绳索相连接；所述工作状态为模拟所述跟踪星对所述目标星的抓捕和拖拽过程的状态。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括与所述控制部件通信连接的目标星扰动力矩测量部件；
所述目标星扰动力矩测量部件包括多个第一力传感器；所述第一力传感器与所述第一柔性绳索一一对应；所述第一力传感器安装于所述目标星上，并与其对应的所述第一柔性绳索相连接；所述第一力传感器用于在所述目标星被捕获及被拖拽时，测量所述第一柔性绳索的拉力；
所述控制部件用于综合所有所述第一力传感器的测量数据计算所述目标星在被捕获及被拖拽时的干扰力矩。
3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括与所述控制部件通信连接的跟踪星扰动力矩测量部件；
所述跟踪星扰动力矩测量部件包括多个第二力传感器；所述第二力传感器安装于所述跟踪星上；所述第二力传感器用于测量所述跟踪星弹射所述抓捕拖拽模拟部件、捕获所述目标星以及拖拽所述目标星这一过程对所述跟踪星产生的力；
所述控制部件用于综合所有所述第二力传感器的测量数据计算所述跟踪星在弹射所述抓捕拖拽模拟部件、捕获所述目标星以及拖拽所述目标星时的干扰力矩。
4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，所述跟踪星扰动力矩测量部件包括3个所述第二力传感器；所述第二力传感器均安装于所述跟踪星的侧壁上，其中一所述第二力传感器安装于所述跟踪星的上侧壁，并与所述跟踪星的中心位于同一竖直线上，且相邻两个所述第二力传感器分别与所述中心的连线之间所形成的夹角为120度；所有所述第二力传感器处于同一竖直面内；
每一所述第二力传感器的z轴正方向指向所述跟踪星的中心，y轴正方向水平指向所述目标星，x轴正方向指向所述跟踪星绕通过所述中心并与y轴平行的旋转轴逆时针旋转时的切线方向。
5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述重力卸载组件为吊丝装置或者氦气球。
6.一种空间非合作目标抓捕拖拽及组合体控制试验方法，利用权利要求1所述的试验装置进行工作，其特征在于，所述试验方法包括：
将跟踪星运动模拟部件和目标星运动模拟部件分别调整至初始位姿；
根据目标星的目标位姿控制所述目标星运动模拟部件运动；
接收所述跟踪星运动模拟部件返回的跟踪星与所述目标星的相对位姿，并根据所述相对位姿控制所述跟踪星运动模拟部件运动，进行所述跟踪星对所述目标星的跟踪动作；
根据所述相对位姿确定所述目标星是否进入抓捕范围；若是，则控制抓捕拖拽模拟部件进行所述跟踪星对所述目标星的抓捕动作；
根据拖拽动作的目标位姿，控制所述跟踪星运动模拟部件运动，进行所述跟踪星对所述目标星的拖拽动作；
所述抓捕拖拽模拟部件包括第一模拟组件、第二模拟组件和重力卸载组件；所述第一模拟组件包括第一牵引绳索和多条第一柔性绳索；所述第一牵引绳索的一端通过第一绳网抓捕自适应装置与多条所述第一柔性绳索的一端相连接，多条所述第一柔性绳索的另一端均与所述目标星相连接，所述第一牵引绳索的另一端与所述跟踪星相连接；所述重力卸载组件与所述第一牵引绳索相连接；所述重力卸载组件用于消除所述第一模拟组件产生的重力影响；所述第二模拟组件包括第二牵引绳索和多条第二柔性绳索；所述第二牵引绳索通过第二绳网抓捕自适应装置与多条所述第二柔性绳索的一端相连接，所述第二牵引绳索的另一端与所述跟踪星相连接；所述控制抓捕拖拽模拟部件进行所述跟踪星对所述目标星的抓捕动作具体包括：弹射所述第二模拟组件，并切断所述第二牵引绳索与所述跟踪星之间的连接，再使所述第一牵引绳索处于张紧状态；
或者，所述抓捕拖拽模拟部件包括模拟组件、重力卸载组件以及多条第一柔性绳索；所述模拟组件包括牵引绳索以及多条第二柔性绳索；所述第一柔性绳索和所述第二柔性绳索一一对应；每一所述第一柔性绳索一端与所述目标星相连接，另一端安装有磁铁；每一所述第二柔性绳索一端安装有磁铁，另一端通过绳网抓捕自适应装置与所述牵引绳索相连接；所述牵引绳索的另一端与所述跟踪星相连接；所述控制抓捕拖拽模拟部件进行所述跟踪星对所述目标星的抓捕动作具体包括：弹射所述模拟组件，使所述第一柔性绳索与所述第二柔性绳索通过所述磁铁相连接，所述重力卸载组件与所述牵引绳索相连接。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，在进行所述跟踪星对所述目标星的抓捕动作以及所述跟踪星对所述目标星的拖拽动作时，所述试验方法还包括：
接收第一力传感器测量得到的第一柔性绳索的拉力，并综合所有所述第一力传感器的测量数据计算所述目标星在被捕获及被拖拽时的干扰力矩；
接收第二力传感器测量得到的对所述跟踪星产生的力，并综合所有所述第二力传感器的测量数据计算所述跟踪星在弹射所述抓捕拖拽模拟部件、捕获所述目标星以及拖拽所述目标星时的干扰力矩。
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