CN114895716A - 航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统与方法，属于全物理仿真航天器跟踪指向技术技术领域。本发明包括：跟踪卫星模拟分系统、目标卫星模拟分系统、载荷模拟分系统以及台下管控分系统；跟踪卫星模拟分系统模拟跟踪卫星，载荷模拟分系统和台下管控分系统模拟载荷及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统和台下管控分系统模拟目标卫星的相对运动轨迹。本发明与现有技术的仿真验证方法中的姿轨控系统地面全物理仿真验证系统方案相比，本发明能够模拟卫星的相对运动。

Description

航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统与方法

技术领域

本发明涉及一种航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统与方法，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。

现有技术与本专利提出的航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统与方法几乎没有相似点。基于此，本专利提出航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统与方法与方法，首先，提出一种航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统，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，能够在地面上进行航天器高精度跟瞄控制的全物理仿真试验。

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，进而提供航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统，包括：跟踪卫星模拟分系统、目标卫星模拟分系统、载荷模拟分系统以及台下管控分系统；跟踪卫星模拟分系统模拟跟踪卫星，载荷模拟分系统和台下管控分系统模拟载荷及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统和台下管控分系统模拟目标卫星的相对运动轨迹。

一种航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：

步骤一、目标捕获跟踪：跟踪卫星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，到达模拟指向姿态；

步骤二、模拟精确指向：到达模拟指向姿态后，工业控制计算机发出模拟载荷发射指令的同时，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方程控制台下载荷指向模拟转台运动，红光激光器打在呈像单元上，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子系统运动，绿光激光器打在呈像单元上，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：

本发明与现有技术的仿真验证方法中的姿轨控系统地面全物理仿真验证系统方案相比，本发明能够模拟卫星的相对运动。

本发明针对卫星高精度动态跟踪技术关键技术的地面验证问题，提出了航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统的设计方案，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，为我国卫星高精度跟踪指向任务的关键技术攻关提供有效的仿真分析手段。

附图说明

图1为本发明航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统示意图。

图2为本发明航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统示意图。

图3为本发明跟踪卫星模拟分系统组成示意图。

图4为本发明目标卫星模拟分系统组成示意图。

图5为本发明载荷模拟分系统组成示意图。

图6为本发明台下管控分系统组成示意图。

图7为本发明相对运动模拟偏差示意图。

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7所示，本实施例所涉及的航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统的仿真方法，包括：

实施例1

航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统用于模拟跟踪卫星发射载荷到载荷捕获目标卫星的过程，如图1所示，其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。

航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统可分为跟踪卫星模拟分系统、目标卫星模拟分系统、载荷模拟分系统以及台下管控分系统在内的四个分系统。其中，跟踪卫星模拟分系统模拟跟踪卫星，载荷模拟分系统和台下管控分系统模拟载荷及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统和台下管控分系统模拟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：跟踪卫星模拟分系统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，目标跟踪单元和工业控制计算机，如图3所示。

扰动模拟单元用于模拟载荷发射时载荷对跟踪卫星的扰动力矩；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、喷气推力器和陀螺的组合方案，通过动量矩的交换实现对三轴气浮台的平衡状态建立与姿态控制；目标跟踪单元选用相机、激光测距仪和二维跟瞄转台的组合形式，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。

工业控制计算机作为跟踪卫星模拟分系统的控制核心，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载荷模拟指向单元和相对运动模拟计算机的数据交互。

目标卫星模拟分系统：如图4所示，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，其通过在特定屏幕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测量单元中的目标跟踪单元所检测，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运动子系统组成。台下管控分系统中的相对运动模拟计算机根据仿真需求，控制高精度扫描子系统模拟目标卫星的相对运动轨迹，同时监测高精度扫描子系统运行状态。

高精度扫描子系统由高精度扫描转台和目标模拟源组成，高精度扫描运动转台为二维转台。目标模拟源选用绿光半导体激光器，安装于高精度扫描运动转台的内环所提供的安装面上，绿光激光器打在呈像单元上，模拟目标卫星。

载荷模拟分系统：载荷模拟分系统分为载荷指向模拟单元和载荷指向替代单元两部分，用于对载荷相对运动轨迹的模拟。

载荷模拟分系统示意图以及与其它分系统的关系如图5所示。

载荷模拟指向单元安装于气浮台上，同时，在激光器附近安装棱镜，以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。载荷指向替代单元由转台和激光器组成，载荷指向替代单元的激光器选用红光激光器，载荷指向替代单元转台与高精度扫描运动转台结构相同，激光器安装于载荷指向替代单元转台的内环所提供的安装面上。

当到达指向时刻后，台上激光器接收来自工业控制计算机的指向指令，完成一次闪烁，代表载荷从跟踪卫星发射；之后指向模拟控制计算机依据C-W方程控制台下载荷指向模拟转台运动，红光激光器打在呈像单元上，实现对载荷运动轨迹的模拟。

台下管控分系统：如图6所示，台下管控分系统的相对运动模拟计算机接收跟踪卫星模拟分系统工业控制计算机的数据，进行相对动力学方程的运算；对载荷指向替代单元进行控制，模拟载荷运动轨迹；对高精度扫描子系统进行控制，模拟目标卫星与跟踪卫星的相对运动；对呈像单元进行控制，进行相对运动模拟偏差的补偿。

相对运动模拟偏差补偿装置，如图7所示，在相对运动模拟过程中，由于呈像单元平面的限制，跟踪模拟卫星与目标模拟卫星的相对距离在不断变化，产生偏差。为消除这一偏差，将呈像单元放置于一平动机构上以补偿此偏差。

航天器高精度跟瞄控制地面仿真方法，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、模拟精确指向、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，到达模拟指向姿态。

模拟精确指向：到达模拟指向姿态后，工业控制计算机发出模拟载荷发射指令的同时，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方程控制台下载荷指向模拟转台运动，红光激光器打在呈像单元上，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子系统运动，绿光激光器打在呈像单元上，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。

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 (5)

1.一种航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统，其特征在于，包括：跟踪卫星模拟分系统、目标卫星模拟分系统、载荷模拟分系统以及台下管控分系统；

其中，跟踪卫星模拟分系统模拟跟踪卫星，载荷模拟分系统和台下管控分系统模拟载荷及载荷运动轨迹，目标卫星模拟分系统和台下管控分系统模拟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、目标跟踪单元和工业控制计算机；扰动模拟单元用于模拟载荷发射时载荷对跟踪卫星的扰动力矩；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平衡状态建立与姿态控制；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；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载荷模拟指向单元和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子系统组成；高精度扫描子系统由高精度扫描运动转台和目标模拟源组成，高精度扫描运动转台为二维转台；目标模拟源选用绿光半导体激光器，安装于高精度扫描运动转台的内环所提供的安装面上，绿光激光器打在呈像单元上，模拟目标卫星；

载荷模拟分系统分为载荷指向模拟单元和载荷指向替代单元，用于对载荷相对运动轨迹的模拟；载荷模拟指向单元安装于三轴气浮台上，同时，在激光器附近安装棱镜，以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；

载荷指向替代单元由转台和激光器组成，载荷指向替代单元转台与高精度扫描运动转台结构相同，激光器安装于载荷指向替代单元转台的内环所提供的安装面上；

台下管控分系统包括相对运动模拟计算机，台下管控分系统接收跟踪卫星模拟分系统工业控制计算机的数据，进行相对动力学方程的运算，对载荷指向替代单元进行控制，模拟载荷运动轨迹；对高精度扫描子系统进行控制，模拟目标卫星与跟踪卫星的相对运动；对呈像单元进行控制，进行相对运动模拟偏差的补偿。

2.根据权利要求1所述的航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统，其特征在于，所述目标卫星模拟分系统通过在特定屏幕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测量单元中的目标跟踪单元所检测，以此实现目标卫星测量信息的获取。

3.根据权利要求1所述的航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统，其特征在于，所述载荷指向替代单元的激光器，在到达指向时刻后，接收来自工业控制计算机的指向指令，完成一次闪烁，代表载荷从跟踪卫星发射；之后指向相对运动模拟计算机依据C-W方程控制台下载荷指向模拟转台运动，红光激光器打在呈像单元上，实现对载荷运动轨迹的模拟。

4.根据权利要求1所述的航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统，其特征在于，所述相对运动模拟偏差的补偿通过将呈像单元放置于一平动机构上实现。

5.基于权利要求1、2、3或4所述的航天器高精度跟瞄控制地面仿真系统的仿真方法，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，到达模拟指向姿态；

步骤二、模拟精确指向：到达模拟指向姿态后，工业控制计算机发出模拟载荷发射指令的同时，扰动模拟单元发生扰动力矩，相对运动模拟计算机依据C-W方程控制台下载荷指向模拟转台运动，红光激光器打在呈像单元上，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：相对运动模拟计算机依据C-W方程控制高精度扫描子系统运动，绿光激光器打在呈像单元上，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。

Images