一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法技术方案

一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法，属于航天控制地面仿真领域。步骤为：1)按照验证对象任务参数及地面试验系统参数关系确定基本量纲对应物理量的相似比系数；2)根据相似比系数在计算机仿真中分别建立目标模拟器和追踪模拟器运动的动力学方程；3)将模拟器动力学方程、模拟器(含控制)、运动测量敏感器以及自主交会控制器相连搭建形成地面试验闭环系统；4)控制模拟器跟踪计算机中动力学方程解算出的运动轨迹，在地面试验室再现航天器自主交会运动过程。本发明专利技术的试验方法为自主交会控制半物理仿真试验奠定了理论基础，可在地面同时反映出模拟器和追踪航天器的绝对与相对运动特征，可验证全方向自主交会控制任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天控制地面仿真领域，具体涉及一种用于航天器自主交会控制系统地面验证的仿真试验方法。
技术介绍
航天器自主交会技术是一项非常复杂的空间技术，需要具有高可靠性和高精度，对航天器控制系统提出了严格的性能要求，为此，科研人员提出了各种创新性控制技术以更加可靠地完成空间自主交会任务。然而在新的技术应用于真实空间任务之前，为了降低任务风险，顺利完成航天任务，必须在地面进行充分的实验，国内外各航天机构都非常重视航天器在地面的仿真试验。在航天器地面仿真试验过程中，常用的一种手段是半物理仿真方法。半物理仿真是指针对仿真研究内容,将被仿真对象系统的一部分以实物(或物理模型)方式引入仿真回路；被仿真对象系统的其余部分以数学模型描述,并把它转化为仿真计算模型。特别适用于对分系统进行验收和分系统模型效验。因此在开展航天器交会控制系统地面仿真试验时，通常采用的就是半物理仿真方法，本专利技术所提出的一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法就是应用于地面半物理仿真系统。在航天器交会任务过程中，目标航天器与追踪航天器都具有高速的轨道运动特性，同时追踪航天器相对于目标航天器的相对运动速度与航天器本身的绝对运动速度相比具有很小的数量级。目前，在可查阅的文献中可以发现，地面仿真试验都是忽略航天器的绝对轨道运动，假设目标航天器位置固定，只考虑追踪航天器近距离接近目标航天器的相对运动，如中国专利技术专利申请号：200910243276.1，专利名称《人控交会对接半物理仿真试验系统》，该专利技术就是将目标模拟器固定于地面一点；中国专利技术专利申请号：201310547320.4，专利名称《空间飞行器交会对接多自由度半物理仿真方法及其装置》，该专利技术目标模拟器虽然设计有六个自由度，即可以完成轨道运动，但从专利技术中装置及方法来看，目标模拟器的运动方式与空间真实轨道运动状态不具有相似性，与目标模拟器位置固定没有本质区别，与本专利技术方法不相同。对于验证自主交会技术，目标位置固定不动或无规则运动都与真实空间过程差异较大，会导致地面仿真验证结果的可信度降低，为了提高仿真试验的可行度，需要在地面同时再现出航天器的绝对运动与相对运动过程。因此，本专利技术针对这样一种仿真试验需求，提出一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法，可在地面同时反映出模拟器和追踪航天器的绝对与相对运动特征，可验证全方向自主交会控制任务。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法，运用动力学计算与运动学等效的半物理仿真思想，基于相似理论原理，可实现在地面仿真航天器空间交会过程中的绝对运动过程和相对运动过程，提高地面仿真试验的可行度。本专利技术的技术解决方案是：一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法，步骤如下：(1)按照验证对象任务参数及地面试验系统参数关系确定基本量纲对应物理量的相似比系数；(2)根据相似比系数在计算机仿真中分别建立目标模拟器和追踪模拟器运动的动力学方程；(3)将模拟器动力学方程、模拟器(含控制)、运动测量敏感器以及自主交会控制器相连搭建形成地面试验闭环系统；(4)控制模拟器跟踪计算机中动力学方程解算出的运动轨迹，在地面试验室再现航天器自主交会运动过程；所述步骤(1)中验证对象任务参数包括：目标航天器运行轨道半长轴a，追踪航天器相对目标航天器初始相对距离d，自主交会任务完成所需时间t1；地面试验系统参数包括：地面正方形试验场地边长l，地面允许试验最大时长t2；基本量纲对应物理量包括：地心惯性轨道坐标系(坐标原点在地心，指向近地点方向为X轴，垂直于轨道平面指向北极方向为Z轴，Y轴与X、Z构成右手坐标系)的长度量纲LI,Hill坐标系(坐标原点在目标航天器质心，XY平面为目标航天器轨道面，X轴沿轨道周向指向目标航天器运动方向，Z轴沿轨道面正法方法，Y轴与X、Z构成右手坐标系)的长度量纲LH，时间量纲T；基本量纲对应物理量的相似比系数指的是地面试验对应物理量与空间航天器运动涉及物理量的比值，确定原则如下：地心惯性坐标系长度量纲的相似比系数Hill坐标系长度量纲的相似比系数时间量纲的相似比系数所述步骤(2)中目标模拟器动力学方程： d 2 x t d t = - μx t λ l i 3 ( x t 2 + y t 2 + z t 2 ) 3 / 2 λ t 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法，其特征在于步骤如下：(1)按照验证对象任务参数及地面试验系统参数关系确定基本量纲对应物理量的相似比系数；所述步骤中验证对象任务参数包括：目标航天器运行轨道半长轴a，追踪航天器相对目标航天器初始相对距离d，自主交会任务完成所需时间t1；所述步骤中地面试验系统参数包括：地面正方形试验场地边长l，地面允许试验最大时长t2；所述基本量纲对应物理量包括：地心惯性轨道坐标系(坐标原点在地心，指向近地点方向为X轴，垂直于轨道平面指向北极方向为Z轴，Y轴与X、Z构成右手坐标系)的长度量纲LI,Hill坐标系(坐标原点在目标航天器质心，XY平面为目标航天器轨道面，X轴沿轨道周向指向目标航天器运动方向，Z轴沿轨道面正法方法，Y轴与X、Z构成右手坐标系)的长度量纲LH，时间量纲T；所述基本量纲对应物理量的相似比系数指的是地面试验对应物理量与空间航天器运动涉及物理量的比值，确定原则如下：地心惯性坐标系长度量纲的相似比系数Hill坐标系长度量纲的相似比系数时间量纲的相似比系数(2)根据相似比系数在计算机仿真中分别建立目标模拟器和追踪模拟器运动的动力学方程；所述步骤中目标模拟器动力学方程：d2xtdt=-μxtλli3(xt2+yt2+zt2)3/2λt2d2ytdt=-μytλli3(xt2+yt2+zt2)3/2λt2d2ztdt=-μztλli3(xt2+yt2+zt2)3/2λt2]]>初始条件：位置：zt0＝0，速度：其中，μ是地心引力常数，xt、yt、zt是目标模拟器在地面惯性坐标系中的位置，xt0、yt0、是目标模拟器的初始位置和速度，Xt0、Yt0、是自主交会任务开始时刻目标航天器地心惯性轨道坐标系中的初始位置和速度；所述步骤中追踪模拟器动力学方程：d2xcdt=x··t+d2dt(ytR)xct+d2dt(xtR)yct+2ddt(ytR)x·ct+2ddt(xtR)y·ct+ytRx··ct+xtRy··ctd2ycdt=y··t-d2dt(xtR)xct+d2dt(ytR)yct-2ddt(xtR)x·ct+2ddt(ytR)y·ct-xtRx··ct+ytRy··ctd2zcdt=z··ct]]>其中x··t=-μxtλli3(xt2+yt2)3/2λt2,y··t=-μytλli3(xt2+yt2)3/2λt2,R=xt2+yt2,d2dt(xtR)=x··tyt2-y··txtyt+x·ty·tyt-y·t2xt(xt2+yt2)3/2-3(xtx·t+yty·t)(x·tyt2-y·txtyt)(xt2+yt2)5/2]]>d2dt(ytR)=y··txt2-x··txtyt+x·ty·txt-x·t2xt(xt2+yt2)3/2-3(xtx·t+yty·t)(y·txt2-x·txtyt)(xt2+yt2)5/2,ddt(xtR)=x·tyt2-y·txtyt(xt2+yt2)3/2,ddt(ytR)=y·txt2-x·txtyt(xt2+yt2)3/2]]>x··ct=2ωλty·ct-kω3/2λt2xct+ω2λt2xct+ω·λt2yct+axλlhλt2...

【技术特征摘要】
1.一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法，其特征在于步骤如下：(1)按照验证对象任务参数及地面试验系统参数关系确定基本量纲对应物理量的相似比系数；所述步骤中验证对象任务参数包括：目标航天器运行轨道半长轴a，追踪航天器相对目标航天器初始相对距离d，自主交会任务完成所需时间t1；所述步骤中地面试验系统参数包括：地面正方形试验场地边长l，地面允许试验最大时长t2；所述基本量纲对应物理量包括：地心惯性轨道坐标系(坐标原点在地心，指向近地点方向为X轴，垂直于轨道平面指向北极方向为Z轴，Y轴与X、Z构成右手坐标系)的长度量纲LI,Hill坐标系(坐标原点在目标航天器质心，XY平面为目标航天器轨道面，X轴沿轨道周向指向目标航天器运动方向，Z轴沿轨道面正法方法，Y轴与X、Z构成右手坐标系)的长度量纲LH，时间量纲T；所述基本量纲对应物理量的相似比系数指的是地面试验对应物理量与空间航天器运动涉及物理量的比值，确定原则如下：地心惯性坐标系长度量纲的相似比系数Hill坐标系长度量纲的相似比系数时间量纲的相似比系数(2)根据相似比系数在计算机仿真中分别建立目标模拟器和追踪模拟器运动的动力学方程；所述步骤中目标模拟器动力学方程： d 2 x t d t = - μx t λ l i 3 ( x t 2 + y t 2 + z t 2 ) 3 / 2 λ t 2 d 2 y t d t = - μy t λ l i 3 ( x t 2 + y t 2 + z t 2 ) 3 / 2 λ t 2 d 2 z t d t = - μz t λ l i 3 ( x t 2 + y t 2 + z t 2 ) 3 / 2 λ t 2 ]]>初始条件：位置：zt0＝0，速度：其中，μ是地心引力常数，xt、yt、zt是目标模拟器在地面惯性坐标系中的位置，xt0、yt0、是目标模拟器的初始位置和速度，Xt0、Yt0、是自主交会任务开始时刻目标航天器地心惯性轨道坐标系中的初始位置和速度；所述步骤中追踪模拟器动力学方程： d 2 x c d t = x ·· t + d 2 d t ( y t R ) x c t + d 2 d t ( x t R ) y c t + 2 d d t ( y t R ) x · c t + 2 d d t ( x t R ) y · c t + y t R x ·· c t + x t R y ·· c t d 2 y c d t = y ·· t - d 2 d t ( x t R ) x c t + d 2 d t ( y t R ) y c t - 2 d d t ( x t R ) x · c t + 2 d d t ( y t R ) y · c t - x t R x ·· c t + y t R y ·· c t d 2 z c d t = z ·· c t ]]>其中 x ·· t = - μx t λ l i 3 ( x t 2 + y t 2 ) 3 / 2 λ t 2 , y ·· t = - μy t λ l i 3 ( x t 2 + y t 2 ) 3 / 2 λ t 2 , R = x t 2 + y t 2 , d 2 d t ( x t R ) = x ·· t y t 2 - y ·· t x t y t + x · t y · t y t - y · t 2 x t ( x t 2 + y t 2 ) 3 / 2 - 3 ( x t x · t + y t y · t ) ( x · t y t 2 - y · t x t y t ) ( x t 2 + y t 2...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾英民，孙施浩，贾娇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11