一种航天器交会对接仿真系统技术方案

一种航天器交会对接仿真系统，包括水平支撑模块、目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台、主控模块、监测与显示模块，通过采用六自由度气浮台模拟交会对接航天器的真实重量和质量特性，按照交会对接航天器上安装真实的对接机构等器上设备，开展最后平移靠拢段的6自由度交会对接试验。本发明专利技术仿真系统与现有技术相比，通过室内GPS单元模块进行测量位置和姿态测量并实时传递至主控模块、监测显示模块，直观、精准、真实的控制和模拟航天器交会对接过程，提高了仿真试验的成功率，另外本发明专利技术仿真系统验证了航天器交会对接过程中工作时序的合理性，提高了航天器交会对接的可靠性和有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器交会对接仿真系统
本专利技术涉及航天器交会对接领域，特别是一种航天器交会对接仿真系统。
技术介绍
航天器轨道交会对接和样品转移是探测行星的重要环节，而样品转移正是以交会对接为基础，因此在航天器发射之前需要对航天器在太空真实模拟环境中进行交会对接的仿真验证，现有交会对接仿真系统在真实模拟空间交会对接实际工况方面存在以下问题：(1)现有交会对接仿真系统对试验设备间相对距离的测量，往往是通过被测航天器自身所带敏感器的测量或多自由度运动装置的自身测量，在交会对接试验全程中缺乏高精度动态测量手段，不利于评价对接过程的性能，缺少一种精确的外在测量手段，可以对仿真结果进行评估；(2)仿真系统中对试验过程的监测往往是局部的，缺乏监测显示系统，不能对仿真试验系统整体情况进行实时显示，不利于直观确认仿真试验过程。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种更为精准、真实的模拟航天器在太空中进行交会对接的航天器交会对接仿真系统。本专利技术的技术解决方案是：一种航天器交会对接仿真系统，包括水平支撑模块、目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台、主控模块、监测与显示模块，其中水平支撑模块，包括台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元；水平度台阶差测量单元，测量台面的水平度、台阶差并判断，如果水平度大于2″或者台阶差大于10μm，则发送调节台面指令至主动支撑，否则控制主动支撑发送台面调节完毕指令至主控模块；主动支撑，当接收到水平度台阶差测量单元发送的调节台面指令时，调节台面直至水平度小于等于2″且台阶差小于等于10μm，并发送台面调节完毕指令至主控模块；台面，由至少两块花岗岩平台拼接得到，承载目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台；目标六自由度气浮台包括目标平动单元、目标姿态单元、被测目标航天器、目标室内GPS单元；目标平动单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令调节被测目标航天器向被测追踪航天器三维平动；目标姿态单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令调节被测目标航天器相对于被测追踪航天器三维转动；被测目标航天器，为结构形状与真实航天器完全相同的航天器模型，被测目标航天器设有能够被被测追踪航天器抓捕并锁紧的被动件；目标室内GPS单元，实时测量被测目标航天器的位置姿态并送至主控模块、监测与显示模块；追踪六自由度气浮台包括跟踪平动单元、跟踪姿态单元、被测追踪航天器、追踪室内GPS单元；跟踪平动单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令控制被测追踪航天器向被测目标航天器三维平动，跟踪姿态单元，实时接收控制模块发送的靠近指令并按照靠近指令控制被测追踪航天器相对于被测目标航天器三维转动；被测追踪航天器，为结构形状与真实航天器完全相同的航天器模型，被测追踪航天器设有抱爪机构，在接收主控模块发送的对接指令后，使用抱爪机构抓捕并锁紧被测目标航天器的被动件；追踪室内GPS单元，实时测量追踪六自由度气浮台的位置姿态并送至主控模块、监测与显示模块；主控模块，接收水平支撑模块中主动支撑发送的台面调节完毕指令后，接收追踪室内GPS单元发送的被测追踪航天器位置姿态、目标室内GPS单元发送的被测目标航天器位置姿态，实时计算被测目标航天器与被测跟踪航天器之间的位置差与姿态差并判断，如果被测目标航天器与被测跟踪航天器的位置差大于1m或被测目标航天器与被测跟踪航天器的姿态差大于5°，则根据被测目标航天器与被测跟踪航天器的位置差与姿态差产生靠近指令，并送至追踪平动单元、追踪姿态单元、目标平动单元与目标姿态单元；如果被测目标航天器与被测跟踪航天器的位置差位于[0m-1m]之间且目标六自由度气浮台与跟踪六自由度气浮台的姿态差位于[0°-5°]之间，则发送对接指令至被测目标航天器、被测追踪航天器；监测与显示模块，包括监测单元、显示单元；监视单元，实时监测台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元的工作场景并送至显示单元；显示单元，接收目标室内GPS模块发送的被测目标航天器的位置姿态、跟踪室内GPS模块发送的被测跟踪航天器的位置姿态、监测单元发送的台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元的工作场景并实时显示。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术仿真系统克服了现有的航天器交会对接仿真系统通过航天器本身的测量敏感器或六自由度机械转台的反馈机制获得航天器运动轨迹及姿态而精度不高的缺陷，通过引入室内GPS单元模块进行测量位置和姿态测量并实时传递至主控模块、监测显示模块，能更直观、精准、真实的控制和模拟航天器交会对接过程；(2)本专利技术仿真系统与现有技术相比，克服了仿真试验过程中忽视支撑台面实时变化可能导致水平度及台阶差超差的问题，不仅使用室内GPS模块发送的运动轨迹姿态判断支撑平台水平度和台阶差信息，还实时监测显示水平度、台阶差及六自由度气浮台的工作场景，提高了仿真试验的成功率；(3)本专利技术仿真系统实现了对航天器在太空环境中交会对接的真实模拟，验证了航天器交会对接工作时序的合理性，提高了航天器交会对接的可靠性和有效性。附图说明图1为本专利技术一种航天器交会对接仿真系统结构图。具体实施方式本专利技术提供了一种航天器交会对接仿真系统，通过采用六自由度气浮台模拟交会对接航天器的真实重量和质量特性，按照交会对接航天器上安装真实的对接机构等器上设备，开展最后平移靠拢段的6自由度交会对接试验，其中，每个六自由度气浮台包括3自由度平动和3自由度转动，分为姿态平台和平动平台两部分，通过可升降支柱联接。平动平台由3个气垫支撑，浮于大型超平支撑平台上，可以自由漂移；姿态平台采用球轴承桌面构型，搭载参试敏感器，安装推力器组件和相应气路。气浮球轴承将上台面与其余部分隔离，实现三自由度转动与平动的隔离，避免耦合。可升降机构模拟面外相对位置变化。气浮台设计采用等比模拟方式。本专利技术仿真系统依托的设备，如图1所示包括水平支撑模块(包括台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元)、目标六自由度气浮台(包括目标平动单元、目标姿态单元、被测目标航天器、目标室内GPS单元)、追踪六自由度气浮台(跟踪平动单元、跟踪姿态单元、被测追踪航天器、追踪室内GPS单元)、主控模块、监测与显示模块(包括监测单元、显示单元)等。在水平支撑模块上的目标六自由度气浮台模拟了交会对接目标航天器的真实重量和质量特性，按照目标航天器上的状态安装真实的被动件等器上设备；在水平支撑模块上的追踪六自由度气浮台模拟了交会对接追踪航天器的真实重量和质量特性，按照追踪航天器上的状态安装真实的抱爪机构等器上设备。这样构建的交会对接仿真系统就可以开展最后平移靠拢段的6自由度交会对接试验。下面结合附图对本专利技术仿真系统详细说明，如图1所示：水平度台阶差测量单元(包括水平仪与测微计)，测量台面的水平度、台阶差并判断，如果水平度大于2″或者台阶差大于10μm，则发送调节台面指令至主动支撑，否则控制主动支撑发送台面调节完毕指令至主控模块；主动支撑，当接收到水平度台阶差测量单元发送的调节台面指令时，调节台面直至水平度小于等于2″且台阶差小于等于10μm，并发送台面调节完毕指令至主控模块；台面，为至少两块花岗岩平台拼接形成的平台，用来承载目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台，目标六自由度气浮台放置在水平支撑模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器交会对接仿真系统，其特征在于包括水平支撑模块、目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台、主控模块、监测与显示模块，其中水平支撑模块，包括台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元；水平度台阶差测量单元，测量台面的水平度、台阶差并判断，如果水平度大于2″或者台阶差大于10μm，则发送调节台面指令至主动支撑，否则控制主动支撑发送台面调节完毕指令至主控模块；主动支撑，当接收到水平度台阶差测量单元发送的调节台面指令时，调节台面直至水平度小于等于2″且台阶差小于等于10μm，并发送台面调节完毕指令至主控模块；台面，由至少两块花岗岩平台拼接得到，承载目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台；目标六自由度气浮台包括目标平动单元、目标姿态单元、被测目标航天器、目标室内GPS单元；目标平动单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令调节被测目标航天器向被测追踪航天器三维平动；目标姿态单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令调节被测目标航天器相对于被测追踪航天器三维转动；被测目标航天器，为结构形状与真实航天器完全相同的航天器模型，被测目标航天器设有能够被被测追踪航天器抓捕并锁紧的被动件；目标室内GPS单元，实时测量被测目标航天器的位置姿态并送至主控模块、监测与显示模块；追踪六自由度气浮台包括跟踪平动单元、跟踪姿态单元、被测追踪航天器、追踪室内GPS单元；跟踪平动单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令控制被测追踪航天器向被测目标航天器三维平动，跟踪姿态单元，实时接收控制模块发送的靠近指令并按照靠近指令控制被测追踪航天器相对于被测目标航天器三维转动；被测追踪航天器，为结构形状与真实航天器完全相同的航天器模型，被测追踪航天器设有抱爪机构，在接收主控模块发送的对接指令后，使用抱爪机构抓捕并锁紧被测目标航天器的被动件；追踪室内GPS单元，实时测量追踪六自由度气浮台的位置姿态并送至主控模块、监测与显示模块；主控模块，接收水平支撑模块中主动支撑发送的台面调节完毕指令后，接收追踪室内GPS单元发送的被测追踪航天器位置姿态、目标室内GPS单元发送的被测目标航天器位置姿态，实时计算被测目标航天器与被测跟踪航天器之间的位置差与姿态差并判断，如果被测目标航天器与被测跟踪航天器的位置差大于1m或被测目标航天器与被测跟踪航天器的姿态差大于5°，则根据被测目标航天器与被测跟踪航天器的位置差与姿态差产生靠近指令，并送至追踪平动单元、追踪姿态单元、目标平动单元与目标姿态单元；如果被测目标航天器与被测跟踪航天器的位置差位于[0m‑1m]之间且目标六自由度气浮台与跟踪六自由度气浮台的姿态差位于[0° ‑5°]之间，则发送对接指令至被测目标航天器、被测追踪航天器；监测与显示模块，包括监测单元、显示单元；监视单元，实时监测台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元的工作场景并送至显示单元；显示单元，接收目标室内GPS模块发送的被测目标航天器的位置姿态、跟踪室内GPS模块发送的被测跟踪航天器的位置姿态、监测单元发送的台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元的工作场景并实时显示。...

【技术特征摘要】
1.一种航天器交会对接仿真系统，其特征在于包括水平支撑模块、目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台、主控模块、监测与显示模块，其中水平支撑模块，包括台面、主动支撑、水平度台阶差测量单元；水平度台阶差测量单元，测量台面的水平度、台阶差并判断，如果水平度大于2″或者台阶差大于10μm，则发送调节台面指令至主动支撑，否则控制主动支撑发送台面调节完毕指令至主控模块；主动支撑，当接收到水平度台阶差测量单元发送的调节台面指令时，调节台面直至水平度小于等于2″且台阶差小于等于10μm，并发送台面调节完毕指令至主控模块；台面，由至少两块花岗岩平台拼接得到，承载目标六自由度气浮台、追踪六自由度气浮台；目标六自由度气浮台包括目标平动单元、目标姿态单元、被测目标航天器、目标室内GPS单元；目标平动单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令调节被测目标航天器向被测追踪航天器三维平动；目标姿态单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令调节被测目标航天器相对于被测追踪航天器三维转动；被测目标航天器，为结构形状与真实航天器完全相同的航天器模型，被测目标航天器设有能够被被测追踪航天器抓捕并锁紧的被动件；目标室内GPS单元，实时测量被测目标航天器的位置姿态并送至主控模块、监测与显示模块；追踪六自由度气浮台包括跟踪平动单元、跟踪姿态单元、被测追踪航天器、追踪室内GPS单元；跟踪平动单元，实时接收主控模块发送的靠近指令并按照靠近指令控制被测追踪航天器向被测目标航天器三维平动，跟踪姿态单元，实时接...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾永，徐希悦，汤亮，牟小刚，朱志斌，郝永波，
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