超近距离的高精度相对位置保持控制方法技术

本发明专利技术公开一种超近距离的高精度相对位置保持控制方法，方法为了解决两个航天器超近距离停靠的相对导航和相对控制方法，采用把相对坐标系建立在追踪星的轨道系下，测量信息从测量坐标系下转换到相对坐标系下，使用了追踪器的姿态信息，追踪器采用星敏感器加陀螺的高精度定姿方法，比相对姿态的精度高，因此降低了相对测量信息的对相对导航精度的影响，因此提高了相对导航精度。从而保证了高精度的相对位置控制。由于对追踪器的姿态控制精度要求高于相对姿态的测量精度，因此不采用相对姿态控制，而采用绝对姿态控制。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开一种，方法为了解决两个航天器超近距离停靠的相对导航和相对控制方法，采用把相对坐标系建立在追踪星的轨道系下，测量信息从测量坐标系下转换到相对坐标系下，使用了追踪器的姿态信息，追踪器采用星敏感器加陀螺的高精度定姿方法，比相对姿态的精度高，因此降低了相对测量信息的对相对导航精度的影响，因此提高了相对导航精度。从而保证了高精度的相对位置控制。由于对追踪器的姿态控制精度要求高于相对姿态的测量精度，因此不采用相对姿态控制，而采用绝对姿态控制。【专利说明】
本专利技术涉及航天器在轨与另外一个航天器进行跟踪接近或交会时用到的相对导航和相对位置控制方法，可以用于相对距离小于Irn(超近距离)的位置保持控制。
技术介绍
航天器在空间进行交会，是一个航天器接近另一个航天器的过程，就是在太空飞行中两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达空间同一位置的过程。目前我国在轨完成空间交会对接为神舟飞船和天宫一号，在最后阶段，神舟飞船采用光学成像敏感器的相对位置和相对姿态测量信息，进行相对位置和相对姿态导航，然后进行相对位置和相对姿态控制。因为SY-7卫星的光学成像敏感器的相对姿态精度差，为了在超近距离情况下，获得高精度的相对位置控制，必须有高精度的相对位置导航信息，在光学成像敏感器测量精度一定的情况下，必须减小测量信息在转换过程的误差传播。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种，该方法提高了相对导航精度，从而保证了高精度的相对位置控制。本专利技术包括如下技术方案:，方法包括追踪器姿态控制和相对位置控制两部分；其中追踪器姿态控制采用相平面控制方法进行；追踪器姿态控制部分实时向 相对位置控制提供追踪器的姿态信息；相对位置控制具体步骤如下:(I)利用追踪器姿态控制部分提供的追踪器姿态信息，构建追踪器本体系到相对坐标系的姿态转移矩阵；所述的相对坐标系原点Or为追踪器的质心，OrZr轴指向地球的质心，O1^轴垂直于O1^轴,指向轨道角速度的反方向，轴与O1^轴构成右手系；(2)利用步骤⑴中构建的姿态转移矩阵，将追踪器上光学成像敏感器的测量量转换到相对坐标系下；以及将追踪器上加速度计测量的三轴速度增量转换到相对坐标系下；(3)对步骤(2)中转换后的结果进行滤波，得到追踪器相对于目标器的相对位置和相对速度；(4)根据任务需求，设置在相对坐标系下的目标位置；将步骤(3)中得到的相对位置和相对速度与目标位置求差，根据差值利用相平面控制方法控制追踪器到达目标位置。所述的追踪器姿态控制利用追踪器上星敏感器和陀螺联合定姿获得三轴姿态角和角速度，采用相平面控制方法进行控制。本专利技术与现有技术相比的有益效果是:(I)本专利技术把相对坐标系建立在追踪星的轨道系下，优点是相对测量信息到相对坐标系下的转换只与追踪星的绝对姿态有关，可以扩展应用到非合作目标的相对导航和控制中O(2)本专利技术中追踪星采用星敏感器+陀螺高精度绝对定姿方法，和测量的相对姿态0.5°的精度相比，星敏+陀螺定姿精度可以到0.03°，降低了定姿误差对测量信息的误差传播。(3)本专利技术中追踪星采用绝对姿态进行控制，因为相对姿态精度差，采用高精度的绝对姿态控制有利于提高姿态控制精度。(4)本专利技术由于降低了相对测量信息的传播误差，因此提高了相对导航精度，从而保证了高精度的相对位置控制。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术控制方法流程图；图2为本专利技术的控制结果-滚动角曲线图图3为本专利技术的控制结果-俯仰角曲线图图4为本专利技术的控制结果-偏航角曲线图图5为本专利技术的控制结果-X轴相对位置曲线图图6为本专利技术的控制结果_y轴相对位置曲线图图7为本专利技术的控制结果-Z轴相对位置曲线图【具体实施方式】为了更清楚的理解本专利技术，首先对本专利技术中涉及的坐标系进行说明:追踪器本体系:坐标系原点Oso位于追踪器质心-,OsoXso轴沿追踪器的纵轴方向，OsoYso轴在零姿态是指向轨道角速度的反方向，OsoXso轴、OsoYso轴、OsoZso轴成右手系。星敏感器、陀螺、光学成像敏感器和加速度计敏感器安装在追踪器本体系下。光学成像敏感器(相机)测量坐标系:坐标系原点O为相机的主点,相机光轴方向为+X。方向，从相机主点指向安装面的方向为+Z。方向，0Y。轴、与0X。轴和0Z。轴方向符合右手坐标系。相对坐标系:原点Or为追踪器的质心，OrZr轴指向地球的质心，OrYr轴垂直于OrZr轴，指向轨道角速度的反方向，OrXr轴与oryr轴构成右手系。如图1所示，本专利技术，包括追踪器姿态控制和相对位置控制两部分；(一 )追踪器姿态控制追踪器的姿态控制有2种控制方式，一种是利用相对姿态信息进行相对姿态控制，一种是采用追踪器的绝对姿态进行控制。由于相对姿态测量精度比较差，而绝对姿态精度高，采用绝对姿态控制的精度还依赖于目标器的姿态控制精度，追踪器的绝对姿态控制精度优于0.1°，目标器的姿态控制精度优于0.2°，总的控制精度优于0.22°。而相对姿态的测量精度为0.5°，相对姿态控制精度大于0.5°。为了提高姿态控制精度，因此追踪器的姿态控制选择采用绝对姿态控制，实时向相对位置控制提供追踪器的姿态信息，即根据陀螺测量的角速度信息和星敏感器测量的姿态角信息，进行kalman滤波，得到追踪器的三轴姿态角I,, Solif, P,?,(量纲:弧度)和三轴角速度信I炉,θ , ψ (量纲:弧度/秒)，姿态控制采用相平面控制算法。( 二)相对位置控制实现两个航天器的超近距离的高精度位置保持控制，首先选择相对坐标系，一种是建立在目标器的轨道系下，相对测量数据从追踪器的本体系转换到相对坐标系下，需要有相对姿态信息；一种是建立在追踪器的轨道系下，相对测量数据从追踪器的本体系转换到相对坐标系下，需要有追踪器的姿态信息；相对测量敏感器可以测量相对姿态，但是精度比较差，精度不大于0.5°，追踪器采用星敏感器+陀螺定姿方法，定姿精度优于0.03°，为了减小转换关系带来的误差，相对坐标系选择建立在追踪器的轨道系下。光学成像敏感器安装在追踪器的本体系下，测量信息需要从本体系转换到相对坐标系下，已知追踪器的姿态信息，可以计算转移矩阵，利用姿态转移矩阵，把测量信息转换到相对坐标系下，利用相对运动方程进行预报，然后进行kalman滤波计算，得到相对导航信息。由于采用了追踪器的姿态信息，降低了相对测量信息的传播误差，因此提高了相对导航精度。根据相对导航信息，相对位置控制采用相平面控制方法，由于提高了相对导航的精度，因此相对位置控制精度也得到了提高。相对位置控制具体步骤如下:(I)利用追踪器姿态控制部分提供的追踪器姿态信息φαα (滚动)，iut (俯仰)，Ψ (偏航)(量纲:弧度)，构建追踪器本体系到相对坐标系的姿态转移矩阵；姿态转移矩阵为【权利要求】1.，其特征在于:方法包括追踪器姿态控制和相对位置控制两部分；其中追踪器姿态控制采用相平面控制方法进行；追踪器姿态控制部分实时向相对位置控制提供追踪器的姿态信息；相对位置控制具体步骤如下: (1)利用追踪器姿态控制部分提供的追踪器姿态信息，构建追踪器本体系到相对坐标系的姿态转移矩阵；所述的相对坐标系原点Α为追踪器的质心，OrZr轴指向地球的质心，0ryr轴垂直于O1^本文档来自技高网...

【技术保护点】
超近距离的高精度相对位置保持控制方法，其特征在于：方法包括追踪器姿态控制和相对位置控制两部分；其中追踪器姿态控制采用相平面控制方法进行；追踪器姿态控制部分实时向相对位置控制提供追踪器的姿态信息；相对位置控制具体步骤如下：(1)利用追踪器姿态控制部分提供的追踪器姿态信息，构建追踪器本体系到相对坐标系的姿态转移矩阵；所述的相对坐标系原点or为追踪器的质心，orzr轴指向地球的质心，oryr轴垂直于orzr轴，指向轨道角速度的反方向，orxr轴与orzr、oryr轴构成右手系；(2)利用步骤(1)中构建的姿态转移矩阵，将追踪器上光学成像敏感器的测量量转换到相对坐标系下；以及将追踪器上加速度计测量的三轴速度增量转换到相对坐标系下；(3)对步骤(2)中转换后的结果进行滤波，得到追踪器相对于目标器的相对位置和相对速度；(4)根据任务需求，设置在相对坐标系下的目标位置；将步骤(3)中得到的相对位置和相对速度与目标位置求差，根据差值利用相平面控制方法控制追踪器到达目标位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王颖，谌颖，韩冬，毕鹏波，汤文澜，张怡，张占良，刘涛，刘洁，郭明姝，杨彬，付若愚，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11