CN109305394B - 航天器近距离交会试验简化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航天器近距离交会试验简化方法，包括：S1、建立目标器与追踪器的相对运动关系；S2、构建地面试验模型；S3、对所述试验模型进行简化；S4、对简化后的试验模型进行敏感器视场验证。本发明的航天器近距离交会试验简化方法，可解决近距离交会地面试验中航天器相对运动模拟困难的问题。将追踪航天器质心和姿态的平面内运动，简化为追踪器沿直线的一维运动叠加两飞行器绕各自质心的转动。更进一步，还可简化为两飞行器质心固定情况下绕各自质心的转动。

Description

航天器近距离交会试验简化方法

技术领域

本发明是属于航天器交会对接技术领域，尤其涉及一种航天器近距离交会试验方法。

背景技术

交会对接技术是指两个飞行器于同一时间在轨道同一位置以相同速度会合并在结构上连成一个整体的技术。参与交会对接的两个飞行器通常一个为被动飞行器，一个为主动飞行器。被动飞行器不做任何机动或做少量机动，称为目标飞行器或目标器。主动飞行器要执行一系列轨道机动飞向目标器，称为追踪飞行器或追踪器。

交会对接任务按照飞行过程一般分为远程导引段、近程导引段、平移靠拢段和对接段。远程导引段从追踪飞行器入轨开始至器上敏感器捕获目标为止，导引终端两飞行器间距离为一百公里至几十公里。在近程导引段，追踪飞行器和目标飞行器的距离从一百多公里变化到几公里或几百米。近程导引段的一个重要特点是两个飞行器之间建立了相对测量机制，不再依赖于地面或天基测量系统，追踪飞行器可进行自主控制。

近程导引段中，追踪器和目标器距离较近(几公里至几百米)时，由于对接方向不同(通常情况下分为前向、后向和径向对接)，二者的相对运动轨迹及姿态在接近过程中会发生较大变化，为了保证相对导航还会进行交会测量敏感器的切换。为确保这一过程中追踪器和目标器之间交会测量设备工作的匹配性、关键飞行事件安排的合理性，地面需要通过近距离交会试验进行验证。

在轨飞行期间，近距离交会阶段追踪器和目标器通过相对导航进行相对运动控制，追踪器相对目标器的运动可描述为追踪器质心的运动和绕质心的转动。地面试验应尽可能模拟在轨飞行的相对运动关系。进行地面试验时，为了充分模拟在轨飞行时的相对运动特性，可将地面视为轨道平面，目标器保持静止，严格按照在轨的相对运动关系通过运输车、工装等地面试验设备操纵追踪器的质心及姿态从而实现与目标器的交会。为实现这一方案，需确保飞追踪器在地面的运动轨迹与在轨一致，在操作层面存在如下困难：首先，追踪器与目标器接近过程中轨迹并非直线，进行试验时需要数平方公里地势平坦的开阔场地，选址较为不易；其次，试验前需在地面绘制相对运动轨迹，试验中运输车严格按照轨迹及指定的速度行驶，并配合姿态控制，操作困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天器近距离交会试验简化方法，解决近距离交会地面试验中航天器相对运动模拟困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种航天器近距离交会试验简化方法，包括：

S1、建立目标器与追踪器的相对运动关系；

S2、构建地面试验模型；

S3、对所述试验模型进行简化；

S4、对简化后的试验模型进行敏感器视场验证。

根据本发明的一个方面，若在所述步骤S4中，对简化后的试验模型进行敏感器视场验证的结果不在正常范围内，则还包括步骤S5：对试验模型进行修正。

根据本发明的一个方面，在步骤S1中，需要确定追踪器质心到目标器质心的视线矢量、追踪器本体坐标系的纵轴、目标器本体坐标系的纵轴、追踪器纵轴与视线矢量的夹角、目标器纵轴与视线矢量的夹角。

根据本发明的一个方面，在所述步骤S2中，将地面作为轨道平面，调整追踪器质心到目标器质心的视线矢量、追踪器纵轴与视线矢量的夹角和目标器纵轴与视线矢量的夹角模拟追踪器与目标器在轨实际相对运动。

根据本发明的一个方面，在所述步骤S3中，在所述追踪器纵轴与视线矢量的夹角和目标器纵轴与视线矢量的夹角的在轨变化曲线上选择多个特征点，用分段直线进行拟合对所述试验模型进行简化。

根据本发明的一个方面，在所述步骤S3中，还可以通过将目标器质心与追踪器质心之间的相对距离固定的方式对试验模型进行简化。

根据本发明的一个方面，在所述步骤S4中，根据目标器与追踪器的敏感器坐标得出目标器端敏感器指向追踪器端敏感器的矢量，根据安装角度得到目标器端敏感器的方向矢量，若目标器端敏感器指向追踪器端敏感器的矢量与目标器端敏感器的方向矢量之间的夹角小于敏感器最大视场半锥角，则验证结果在正常范围内。

根据本发明的一个方面，在所述步骤S5中，返回至所述步骤S3，增加所述特征点的选取个数，重复所述步骤S3至S4，直至验证结果在正常范围内。

根据本发明的一个方面，若在所述步骤S3中通过将目标器质心与追踪器质心之间的相对距离固定的方式对试验模型进行简化，则在S5中调整目标器质心与追踪器质心之间的相对距离来对试验模型进行修正。

根据本发明的一个方案，通过建立追踪器和目标器的在轨相对运动关系，构造出进行地面试验时的相对运动的试验模型。考虑到飞行器舱体绕质心转动操作的简便性，将旋转角度曲线用直线段拟合。并且提出了一种交会测量敏感视场验证方法，对简化后的试验模型进行视场验证，当简化的试验模型视场情况与在轨模型不一致时，还具有模型修正方法对试验模型进行修正。本方法在满足航天器近距离交会试验需求的同时，能够极大地简化试验流程，提供了试验操作性、降低试验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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他的附图。

图1示意性表示根据本发明的航天器近距离交会试验简化方法的流程图；

图2示意性表示本发明的追踪器和目标器近距离交会过程相对位置和相对姿态关系；

图3示意性表示追踪器与目标器地面试验和在轨飞行的对比图；

图4示意性表示地面试验时追踪器与目标器相对运动关系；

图5示意性表示曲线分段直线拟合示图；

图6示意性表示追踪器与目标器交会测量敏感器视场验证示图。

具体实施方式

此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

如图1所示，本发明的航天器近距离交会试验简化方法，包括S1、建立目标器与追踪器的相对运动关系；S2、构建地面试验模型；S3、对试验模型进行简化；S4、对简化后的试验模型进行敏感器视场验证。

本发明的航天器近距离交会试验简化方法，通过建立追踪器和目标器的在轨相对运动关系，构造出进行地面试验时的相对运动的试验模型。考虑到飞行器舱体绕质心转动操作的简便性，将旋转角度曲线用直线段拟合。并且提出了一种交会测量敏感视场验证方法，对简化后的试验模型进行视场验证。在满足航天器近距离交会试验需求的同时，能够极大地简化试验流程，提供了试验操作性。

在本发明中，若在步骤S4中，对简化后的试验模型进行敏感器视场验证的结果不在正常范围内，本发明的方法还包括步骤S5，对试验模型进行修正。

以下对本发明的各个步骤进行详细说明：

在步骤S1中，需要确定追踪器质心到目标器质心的视线矢量、追踪器本体坐标系的纵轴、目标器本体坐标系的纵轴、追踪器纵轴与视线矢量的夹角、目标器纵轴与视线矢量的夹角，据此建立追踪器和目标器的相对运动关系。

在步骤S2中，将地面作为轨道平面，调整追踪器质心到目标器质心的视线矢量、追踪器纵轴与视线矢量的夹角和目标器纵轴与视线矢量的夹角模拟追踪器与目标器在轨实际相对运动。

接着进行步骤S3，在追踪器纵轴与视线矢量的夹角和目标器与视线矢量的夹角的在轨变化曲线上选择多个特征点，用分段直线进行拟合对所述试验模型进行简化。在步骤S3中，还可以通过将目标器质心与追踪器质心之间的相对距离固定的方式对试验模型进行简化。

之后进行步骤S4，根据目标器与追踪器的敏感器坐标得出目标器端敏感器指向追踪器端敏感器的矢量，根据安装角度得到目标器端敏感器的方向矢量，若目标器端敏感器指向追踪器端敏感器的矢量与目标器端敏感器的方向矢量之间的夹角小于敏感器最大视场半锥角，则验证结果在正常范围内。

若经过步骤S4的验证，验证结果不在正常范围内，则进行步骤S5，对试验模型进行修正。具体包括，返回至步骤S3，增加特征点的选取个数，重复步骤S3至S4，直至验证结果在正常范围内。

若步骤S3中是通过将目标器质心与追踪器质心之间的相对距离固定的方式对试验模型进行简化的，则在S5中调整目标器质心与追踪器质心之间的相对距离来对试验模型进行修正。

以下通过具体实施例对本发明的航天器近距离交会试验简化方法的步骤进行详细说明。

S1、建立目标器与追踪器的相对运动关系

如图2所示，令目标器质心为o₁，追踪器质心为o₂，由追踪器质心指向目标器质心的视线矢量为r。则o₁x₁为空间站本体坐系下的纵轴，与r的夹角为θ₁；o₂x₂为飞船本体坐标系下的纵轴，与o₁x₁的夹角为θ₂,与r的夹角为θ₃。忽略轨道面差异，在同一平面内追踪器与目标器相对位置和相对姿态的关系即可用θ₁、θ₃和r共3个变量完全描述。显然，r为两飞行器相对距离，θ₁为追踪器向目标器看去的飞行仰角，θ₂为追踪器俯仰角，θ₃＝θ₁-θ₂。

S2、构建地面试验模型

结合图3图4所示，进行地面试验时，将地面看做轨道平面，通过调整θ₁、θ₃和r共3个变量即可完全模拟追踪器与目标器在轨实际相对运动。追踪器无需在地面按照在轨飞行的曲线路径移动，只需沿呈直线的道路移动，因此矢量r的方位固定，与试验道路重合。将目标器质心固定，通过追踪器沿试验道路的直线运动调节两飞行器间的相对距离r；通过调整θ₁、θ₃实现追踪器与目标器的相对姿态和方位。这样，只要确保地面试验时相对距离r、θ₁和θ₃按照在轨飞行时的规律变化，地面就可完全复现在轨飞行的相对运动状态。

操作时，将目标器位置固定，通过气浮台可实现舱体绕质心的转动；追踪器由运输车搭载，通过运输车行驶模拟质心运动，通过运输车上的转台模拟俯仰运动。若道路长度有限，不足以模拟实际相对距离，试验中可将相对距离r适当缩短。此外为了简化试验，也可将r设置为固定值。仿真结果表明，相对距离以百米量级替代千米量级时，对相对测量敏感器视场影响很小。

S3、对试验模型进行简化

如图5所示，进行地面试验时，通过操作气浮台或转台实现飞行器绕质心转动。在轨飞行时的θ₁、θ₃为变速运动，角速度不恒定，给气浮台或转台的操作带来一定难度。为使地面模型进一步简化，可在θ₁、θ₃的在轨变化曲线上选择若干特征点，用分段直线进行拟合。此时，气浮台或转台只需分段按照恒定角速度旋转。设曲线上两点坐标分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，则过两点的直线公式为：

y＝kx+b (1)

其中，x、y为变量，k为斜率，b为直线在y轴上的截距。分别由下式确定：

k＝(y₂-y₁)/(x₂-x₁) (2)

b＝y₁-kx₁ (3)

k即为气浮台或转台的旋转角速度。在曲线上选择特征点后，可根据式(1)～(3)确定相邻两点间的直线。

S4、对简化后的试验模型进行敏感器视场验证

通过步骤3获得的简化模型是否可用于地面试验，需要经过交会测量敏感器视场验证。即判断目标器和追踪器在各自的敏感器视场情况是否与在轨时一致，方法如下：

以目标器质心为原点，以视线矢量r为x轴建立试验坐标系。则目标器在试验坐标系中的自由度为θ₁，追踪器的自由度为θ₃及沿x轴方向与目标器的相对距离r。确定目标器和追踪器之间相配合的交会测量敏感器在各自本体坐标系下的坐标，经过坐标转换得到交会测量敏感器在试验坐标系下的坐标。以目标器端敏感器视场验证为例，如图6所示：

当目标器与追踪器按照在轨实际的θ₁、θ₃和r在试验坐标系中运动时，根据两敏感器坐标，得出目标器端敏感器指向追踪器端敏感器的矢量t，根据安装角得到目标器端敏感器的方向矢量s，求s和t之间的夹角δ，当δ小于敏感器最大视场半锥角δ₀时，认为追踪器端敏感器在目标器端敏感器视场范围内。

S5、对试验模型进行修正

简化后的试验模型敏感器视场情况与在轨模型不一致时，需要对简化模型进行调整，具体包括以下两方面：增加步骤3中选取的特征点数量，进一步精确拟合在轨运动曲线。若采用固定两飞行器相对距离r的简化方式获取简化模型，应适当调整r的取值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种航天器近距离交会试验简化方法，包括：

步骤S1、确定追踪器质心到目标器质心的视线矢量、追踪器本体坐标系的纵轴、目标器本体坐标系的纵轴、追踪器纵轴与视线矢量的夹角、目标器纵轴与视线矢量的夹角来建立目标器与追踪器的相对运动关系；

步骤S2、构建地面试验模型，将地面作为轨道平面，调整追踪器质心到目标器质心的视线矢量、追踪器纵轴与视线矢量的夹角和目标器纵轴与视线矢量的夹角模拟追踪器与目标器在轨实际相对运动；

步骤S3、在追踪器纵轴与视线矢量的夹角和目标器与视线矢量的夹角的在轨变化曲线上选择多个特征点，用分段直线进行拟合对所述试验模型进行简化；

步骤S4、对简化后的试验模型进行敏感器视场验证，根据目标器与追踪器的敏感器坐标得出目标器端敏感器指向追踪器端敏感器的矢量，根据安装角度得到目标器端敏感器的方向矢量，若目标器端敏感器指向追踪器端敏感器的矢量与目标器端敏感器的方向矢量之间的夹角小于敏感器最大视场半锥角，则验证结果在正常范围内。

2.根据权利要求1所述的航天器近距离交会试验简化方法，其特征在于，若在所述步骤S4中，对简化后的试验模型进行敏感器视场验证的结果不在正常范围内，则还包括步骤S5：对试验模型进行修正。

3.根据权利要求2所述航天器近距离交会试验简化方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对试验模型进行简化的方法还包括通过将目标器质心与追踪器质心之间的相对距离固定的方式。

4.根据权利要求2所述的航天器近距离交会试验简化方法，其特征在于，在所述步骤S5中，返回至所述步骤S3，增加特征点的选取个数，重复所述步骤S3至步骤S4，直至验证结果在正常范围内。

5.根据权利要求3所述的航天器近距离交会试验简化方法，其特征在于，若在所述步骤S3中通过将目标器质心与追踪器质心之间的相对距离固定的方式对试验模型进行简化，则在步骤S5中调整目标器质心与追踪器质心之间的相对距离来对试验模型进行修正。

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