CN114859949A - 卫星远程修复地面仿真装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种卫星远程修复地面仿真装置与方法，属于全物理仿真航天器跟踪指向技术领域。本发明包括跟踪卫星模拟分系统和目标卫星模拟分系统，其中，跟踪卫星模拟分系统模拟跟踪卫星及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统模拟跟踪卫星和目标卫星的相对运动轨迹；跟踪卫星模拟分系统包括三轴气浮台，其上搭载扰动模拟单元，姿态控制单元，目标跟踪单元，载荷模拟指向单元和工业控制计算机；目标卫星模拟分系统由高精度扫描呈像单元组成，用于对目标卫星的相对运动轨迹进行模拟。本发明能够模拟卫星的相对运动，并且实现对跟踪卫星动力学及运动学特性的模拟、跟踪卫星动态性能、高精度动态跟踪技术和星上载荷高精度指向技术的考核与验证。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星远程修复地面仿真装置与方法，属于全物理仿真航天器跟踪指向技术领域。
背景技术
论文“空间飞行器姿轨控系统地面仿真验证方法研究”(哈尔滨工业大学硕士毕业论文，何朝斌，2013年7月1日)针对空间飞行器姿轨控系统的地面仿真系统的设计与实现手段、仿真方案等问题进行了深入研究。设计了空间飞行器姿轨控系统地面仿真验证系统的方案，给出了地面仿真系统的组成及各主要子系统的功能。在现有的仿真平台上，针对相对轨道机动问题进行了分析，完成了地面仿真实验。实验结果表明所设计的仿真系统能够满足轨道机动的仿真要求。针对深空探测等具有较长的运行周期的问题，为降低仿真时间，提高仿真的效率，研究了基于时间缩比的半物理仿真系统超实时仿真方案，从数学角度对仿真的时间问题进行了严格定义。基于实际工程实现的角度，设计了半物理仿真系统的超实时仿真方案，并进行了仿真验证。实验结果表明所设计的超实时方案是有效可行的。
论文“空间高精度太阳跟踪器设计与实现”(航天返回与遥感期刊，曹倩，石峰，王宇，徐彭梅，2018年6月15日)通过对"高分五号"卫星大气环境红外甚高光谱探测仪太阳跟踪器的设计,探讨了航天器高精度高稳定度跟踪指向技术,提出了一种挠性枢轴支撑、音圈电机驱动的高精度跟踪机构设计方法。跟踪控制采用基于位置反馈的闭环控制实现太阳粗跟踪,结合图像信息反馈的闭环控制实现精跟踪。通过仿真分析和试验测试,验证了机构跟踪精度可达0.065mrad、跟踪稳定度可达14.2μrad。该设计方法可为空间相似载荷的跟踪、扫描系统提供借鉴。
论文“遥感卫星高精度指向跟踪控制策略研究”(山东工业技术期刊，雷志刚，2014年6月30日)研究了遥感卫星高精度指向跟踪控制策略，阐述了具体实现方法，实现了对高仰角、高动态目标的全空域无盲区可靠捕获及稳定跟踪。
论文“空间飞行器姿轨控系统地面仿真验证方法研究”(哈尔滨工业大学硕士毕业论文，何朝斌，2013年7月1日)中的姿轨控系统地面全物理仿真验证系统方案可行且经过实际实验验证，但功能单一，仅能进行单一飞行器的姿轨控地面仿真试验，有一定的局限性。
论文“空间高精度太阳跟踪器设计与实现”(航天返回与遥感期刊，曹倩，石峰，王宇，徐彭梅，2018年6月15日)探讨了航天器高精度高稳定度跟踪指向技术，采用基于位置反馈的闭环控制实现太阳粗跟踪,结合图像信息反馈的闭环控制实现精跟踪。但仅经过了仿真分析和鉴定级振动试验，未在模拟太空失重环境中做实验，有一定的局限性。
论文“遥感卫星高精度指向跟踪控制策略研究”(山东工业技术期刊，雷志刚，2014年6月30日)研究了遥感卫星高精度指向跟踪控制策略，阐述了具体实现方法，实现了对高仰角、高动态目标的全空域无盲区可靠捕获及稳定跟踪。但该论文仅仅阐述了跟踪控制策略，未建立模型，未进行仿真，可信度不足。
现有技术与本申请的卫星远程修复地面仿真装置与方法几乎没有相似点。基于此，本专利提出卫星远程修复地面仿真装置与方法，首先，提出一种卫星远程修复地面仿真装置，实现了对跟踪卫星动力学及运动学特性的模拟、跟踪卫星动态性能的考核与验证、跟踪卫星高精度动态跟踪技术考核与验证、跟踪卫星星上载荷高精度指向技术考核与验证。其次，提出了一种卫星相对运动模拟方法，能够在地面上进行卫星远程修复的全物理仿真试验。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种卫星远程修复地面仿真装置与方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种卫星远程修复地面仿真装置，包括：跟踪卫星模拟分系统和目标卫星模拟分系统，其中，跟踪卫星模拟分系统模拟跟踪卫星及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统模拟跟踪卫星和目标卫星的相对运动轨迹；
跟踪卫星模拟分系统包括三轴气浮台，其上搭载扰动模拟单元，姿态控制单元，目标跟踪单元，载荷模拟指向单元和工业控制计算机；
扰动模拟单元用于模拟远程修复工作对卫星产生的干扰力矩；姿态控制单元用于模拟跟踪卫星的运动学与动力学特性，姿态控制单元由飞轮、喷气推力器和陀螺组成，通过动量矩的交换实现对三轴气浮台的姿态控制；目标跟踪单元由相机、激光测距仪和二维跟瞄转台组成，二维跟瞄转台带动相机与测距仪运动，实现对目标的持续跟踪；棱镜安装在载荷模拟指向单元指定处，用于载荷模拟指向单元的坐标标定；便于标定载荷模拟设备与台体的安装关系，并通过串口与工业控制计算机相连；工业控制计算机运行跟踪卫星相应的控制算法，对台上设备进行管理和控制，并通过无线网络完成与相对运动模拟计算机的数据交互；
目标卫星模拟分系统用于对目标卫星的相对运动轨迹进行模拟，目标卫星模拟分系统由高精度扫描呈像单元组成；高精度扫描呈像单元的中心处装有激光敏感屏，屏中心置有可被跟踪卫星模拟分系统测量单元中的目标跟踪单元检测到的激光源，此激光源用于模拟目标卫星的相对运动，而载荷模拟指向单元打在激光敏感屏上的激光点用于模拟载荷的相对运动。
卫星远程修复地面仿真方法，包括以下步骤：
步骤一、目标捕获跟踪：跟踪卫星模拟分系统的目标跟踪单元捕获到目标卫星的相对运动光学特性，对跟踪卫星进行姿态控制，到达模拟远程修复姿态；
步骤二、远程修复指向：到达模拟远程修复姿态后，工业控制计算机发出远程修复指令的同时，扰动模拟单元发生扰动力矩，相对运动模拟控制计算机依据C-W方程控制高精度扫描呈像单元运动，红光激光器打在高精度扫描呈像单元上，实现对载荷运动轨迹的模拟；
步骤三、目标轨迹生成及运动模拟：相对运动模拟控制计算机依据C-W方程控制高精度扫描呈像单元运动，高精度扫描呈像单元上的光学特性实现对目标卫星的模拟；模拟指向后，目标卫星和载荷以光学特性呈现在高精度扫描呈像单元上，同时相对运动模拟计算机中生成运动场景，模拟运动指向。
本发明的有益效果为：
本发明相对于现有技术的空间飞行器姿轨控系统地面仿真验证方法研究中的姿轨控系统地面全物理仿真验证系统方案，本发明能够模拟卫星的相对运动。
本发明卫星远程修复地面仿真装置可实现的总体功能包括实现对跟踪卫星动力学及运动学特性的模拟、跟踪卫星动态性能的考核与验证、跟踪卫星高精度动态跟踪技术考核与验证、跟踪卫星星上载荷高精度指向技术考核与验证。将会为我国在整体上研究跟踪卫星的关键技术提供新的仿真手段和验证方法，为我国空间卫星远程修复技术的研究做出一份贡献。
附图说明
图1为本发明卫星远程修复地面仿真装置与方法的卫星远程修复控制地面仿真系统示意图。
图2为本发明卫星远程修复地面仿真装置与方法的卫星远程修复控制地面仿真系统示意图。
图3为本发明卫星远程修复地面仿真装置与方法的跟踪卫星模拟分系统示意图。
图4为本发明卫星远程修复地面仿真装置与方法的目标卫星模拟分系统组成示意图。
图5为本发明卫星远程修复地面仿真装置与方法的坐标示意图。
图中的附图标记，1为跟踪卫星模拟分系统，2为载荷模拟指向单元，3为目标跟踪单元，4为高精度扫描呈像单元，5为三轴气浮台台体，6为二维跟瞄转台，7为载荷模拟设备，8为激光敏感屏。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1至图5所示，本实施例所涉及的卫星远程修复地面仿真装置与方法，包括：
实施例1
卫星远程修复地面仿真装置可实现的总体功能包括实现对跟踪卫星动力学及运动学特性的模拟、跟踪卫星动态性能的考核与验证、跟踪卫星高精度动态跟踪技术考核与验证、跟踪卫星星上载荷高精度指向技术考核与验证。
卫星远程修复地面仿真系统可分为跟踪卫星模拟分系统1、目标卫星模拟分系统。其中，跟踪卫星模拟分系统1模拟跟踪卫星及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统模拟跟踪卫星和目标卫星的相对运动轨迹，示意图如图1、2所示。
跟踪卫星模拟分系统1基于三轴气浮台实现，其上搭载扰动模拟单元，姿态控制单元，目标跟踪单元3，载荷模拟指向单元2和工业控制计算机，如图3所示。
扰动模拟单元用于模拟远程修复工作对卫星产生的干扰力矩；姿态控制单元用于模拟跟踪卫星的运动学与动力学特性，采用“飞轮+喷气推力器+陀螺”的组合方案，通过动量矩的交换实现对三轴气浮台的姿态控制；目标跟踪单元3选用“相机+激光测距仪+二维跟瞄转台”的组合形式，二维跟瞄转台6带动相机与测距仪运动，实现对目标的持续跟踪；棱镜安装在载荷模拟指向单元2指定处，用于载荷模拟指向单元2的坐标标定；以便于标定载荷模拟设备7与台体的安装关系，并通过串口与工业控制计算机相连。当到达指向时刻后，载荷模拟指向单元2接收来自工业控制计算机的指向指令，完成一次闪烁，激光束指向目标卫星模拟分系统中的高精度扫描呈像单元4，代表载荷从跟踪卫星发射，同时扰动模拟单元模拟载荷发射时载荷对跟踪卫星的扰动力矩，该扰动力矩同时被姿态控制单元消除。
工业控制计算机作为跟踪卫星模拟分系统1的控制核心，运行跟踪卫星相应的控制算法，对台上设备进行管理和控制，并通过无线网络完成与相对运动模拟计算机的数据交互。
目标卫星模拟分系统用于对目标卫星的相对运动轨迹进行模拟，如图4所示，其通过在高精度扫描呈像单元4上将目标卫星的相对位置以光学特性呈现，可被跟踪卫星模拟分系统1测量单元中的目标测量单元所检测，以此实现目标卫星测量信息的获取。目标卫星模拟分系统由高精度扫描呈像单元4组成。
高精度扫描呈像单元4可做四自由度的运动，模拟目标卫星，载荷与跟踪卫星的相对运动，其中心处装有激光敏感屏8，屏中心置有可被跟踪卫星模拟分系统1测量单元中的目标跟踪单元3检测到的激光源，此激光源用于模拟目标卫星的相对运动，而载荷模拟指向单元2打在激光敏感屏8上的激光点用于模拟载荷的相对运动。以此方式将目标卫星与载荷的相对位置以光学特性呈现。
依据C-W方程，目标卫星与跟踪卫星有相对运动，通过相对运动坐标转换方法，使高精度扫描呈像单元4模拟目标卫星与跟踪卫星的相对运动。
相对运动坐标转换方法将目标卫星与跟踪卫星的相对运动转换为高精度扫描呈像单元4的运动。
相对运动坐标转换方法如下所示：
在此首先对坐标系进行重新定义，如图5所示。
(1)试验平台坐标系O-XYZ
试验平台坐标系与大地固连，在平台之上。
(2)气浮台质心坐标系o-xyz：
气浮台质心坐标系又可称为参考卫星质心坐标系，在利用C-W求得的目标卫星与指向物相对于跟踪卫星运动过程中的相对位置信息，即为在该坐标系下的坐标值。其原点位于气浮台的质心(亦为转动中心)处。
(3)三轴气浮台台体坐标系OB-XBYBZB：
台体坐标系与三轴气浮台固连，以气浮台的中心作为台体坐标系的原点。
(5)跟瞄转台中心坐标系OC-XCYCZC：
跟瞄转台为一二维转台，其作为目标模拟系统中光电目标检测子系统的一部分，用于带动目标检测相机与激光测距仪转动，以此实现对目标卫星的动态扫描与捕获跟踪。其中心坐标系的坐标原点OC位于二维跟瞄转台6方位轴与俯仰轴的交点处。
(6)载荷模拟设备坐标系oP-xPyPzP：
载荷模拟设备7用于模拟在接收到指向指令后，指向物在释放的瞬间相对于三轴气浮台的速度方向。台上载荷指向模拟设备安装于三轴气浮台台体5坐标系oXB轴轴线上。
(7)高精度扫描呈像单元原点坐标系OS-XSYSZS：
高精度扫描呈像单元4原点坐标系坐标原点OS位于四自由度扫描机构右下角顶点处，各轴系与试验平台坐标系中各轴系平行且具有相同的指向。
(8)高精度扫描呈像单元中心坐标系OT-XTYTZT：
高精度扫描呈像单元4中心坐标系的坐标原点OT位于二维跟瞄转台6方位轴与俯仰轴的交点处即激光敏感屏8的屏幕中心。
为便于分析与表达，对在试验平台坐标系中一些原点位置易于求得的坐标系的原点坐标位置进行如下定义：气浮台质心坐标系与浮台台体坐标系原点OB/o：(XB,YB,ZB)T，高精度扫描呈像单元4中心坐标系原点OT：(XT,YT,ZT)T，高精度扫描呈像单元4坐标系原点OS：(XS,YS,ZS)T。其中高精度扫描呈像单元4坐标系原点OS的坐标位置中XS的值在试验过程中会依据需求而改变。
在对目标卫星相对于跟踪卫星的运动轨迹进行模拟时，在气浮台质心坐标系下，利用C-W方程，求得在某一时刻目标卫星D的相对坐标位置Do为(xD,yD,zD)T。相应的，目标卫星D即高精度扫描呈像单元4中心坐标系原点OT在试验平台坐标系下的位置DO为
为实现跟踪效果，高精度扫描呈像单元4中心坐标系OT-XTYTZT的XT轴与三轴气浮台台体5坐标系XB轴同向，此时，三轴气浮台的方位角ψ与俯仰角
为(翻滚角不影响指向)
为保证高精度扫描呈像单元4中心坐标系OT-XTYTZT的XT轴与三轴气浮台台体5坐标系XB轴同向，高精度扫描呈像单元4的方位角ψT与俯仰角
与三轴气浮台的方位角ψ与俯仰角
相同。
卫星远程修复地面仿真方法，包括如下步骤：
综合系统的功能需求，系统的运行流程主要可分为目标捕获跟踪、远程修复指向、目标轨迹生成及运动模拟三部分。
目标捕获跟踪：跟踪卫星分系统的目标跟踪单元3捕获到目标卫星的相对运动光学特性，对跟踪卫星进行姿态控制，到达模拟远程修复姿态。
远程修复指向：到达模拟远程修复姿态后，工业控制计算机发出远程修复指令的同时，扰动模拟单元发生扰动力矩，相对运动模拟控制计算机依据C-W方程控制高精度扫描呈像单元4运动，红光激光器打在高精度扫描呈像单元4上，实现对载荷运动轨迹的模拟。
目标轨迹生成及运动模拟：相对运动模拟控制计算机依据C-W方程控制高精度扫描呈像单元4运动，高精度扫描呈像单元4上的光学特性实现对目标卫星的模拟。模拟指向后，目标卫星和载荷以光学特性呈现在高精度扫描呈像单元4上，同时相对运动模拟计算机中生成运动场景，模拟运动指向。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且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该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种卫星远程修复地面仿真装置，其特征在于，包括：跟踪卫星模拟分系统和目标卫星模拟分系统，其中，跟踪卫星模拟分系统模拟跟踪卫星及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统模拟跟踪卫星和目标卫星的相对运动轨迹；
跟踪卫星模拟分系统包括三轴气浮台，其上搭载扰动模拟单元，姿态控制单元，目标跟踪单元，载荷模拟指向单元和工业控制计算机；
扰动模拟单元用于模拟远程修复工作对卫星产生的干扰力矩；姿态控制单元用于模拟跟踪卫星的运动学与动力学特性，姿态控制单元由飞轮、喷气推力器和陀螺组成，通过动量矩的交换实现对三轴气浮台的姿态控制；目标跟踪单元由相机、激光测距仪和二维跟瞄转台组成，二维跟瞄转台带动相机与测距仪运动，实现对目标的持续跟踪；棱镜安装在载荷模拟指向单元指定处，用于载荷模拟指向单元的坐标标定；便于标定载荷模拟设备与台体的安装关系，并通过串口与工业控制计算机相连；工业控制计算机运行跟踪卫星相应的控制算法，对台上设备进行管理和控制，并通过无线网络完成与相对运动模拟计算机的数据交互；
目标卫星模拟分系统用于对目标卫星的相对运动轨迹进行模拟，目标卫星模拟分系统由高精度扫描呈像单元组成；高精度扫描呈像单元的中心处装有激光敏感屏，屏中心置有可被跟踪卫星模拟分系统测量单元中的目标跟踪单元检测到的激光源，此激光源用于模拟目标卫星的相对运动，而载荷模拟指向单元打在激光敏感屏上的激光点用于模拟载荷的相对运动。
2.根据权利要求1所述的卫星远程修复地面仿真装置，其特征在于，所述高精度扫描呈像单元可做四自由度的运动，模拟目标卫星，载荷与跟踪卫星的相对运动。
3.根据权利要求1所述的卫星远程修复地面仿真装置，其特征在于，所述载荷指向替代单元在到达指向时刻后，接收到来自工业控制计算机的指向指令，完成一次闪烁，激光束指向目标卫星模拟分系统中的高精度扫描呈像单元，代表载荷从跟踪卫星发射，同时扰动模拟单元模拟载荷发射时载荷对跟踪卫星的扰动力矩，该扰动力矩同时被姿态控制单元消除。
4.基于权利要求1、2或3所述的卫星远程修复地面仿真装置的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、目标捕获跟踪：跟踪卫星模拟分系统的目标跟踪单元捕获到目标卫星的相对运动光学特性，对跟踪卫星进行姿态控制，到达模拟远程修复姿态；
步骤二、远程修复指向：到达模拟远程修复姿态后，工业控制计算机发出远程修复指令的同时，扰动模拟单元发生扰动力矩，相对运动模拟控制计算机依据C-W方程控制高精度扫描呈像单元运动，红光激光器打在高精度扫描呈像单元上，实现对载荷运动轨迹的模拟；
步骤三、目标轨迹生成及运动模拟：相对运动模拟控制计算机依据C-W方程控制高精度扫描呈像单元运动，高精度扫描呈像单元上的光学特性实现对目标卫星的模拟；模拟指向后，目标卫星和载荷以光学特性呈现在高精度扫描呈像单元上，同时相对运动模拟计算机中生成运动场景，模拟运动指向。
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|---|---|---|---|---|
| CN116080940A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-09 | 伸瑞科技（北京）有限公司 | 双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法 |
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| CN116080940B (zh) * | 2023-03-31 | 2023-07-21 | 伸瑞科技（北京）有限公司 | 双星高速交会运动时空同步模拟装置及其方法 |
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