一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统及方法。该系统包括星体姿控模拟系统、主动指向超静平台控制模拟系统、载荷模拟器、动目标模拟组件、光学补偿快反镜控制模拟系统和验证计算单元。星体姿控模拟系统模拟星体姿态；主动指向超静平台控制模拟系统，模拟主动指向超静平台；载荷模拟器，模拟载荷；光学补偿快反镜控制模拟系统产生激光光束，将反射后的激光光束偏转轴进行角度放大后传输至动目标模拟组件靶面上，形成光斑，通过调整光束的偏转角度，控制光斑持续跟踪动目标模拟组件靶面中心点；验证计算单元计算由三级姿态控制确定的动目标方位角，将其与动目标实际方位角作差，得到三级姿态控制确定的目标方位误差。

【技术实现步骤摘要】
一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统及方法
本专利技术属于航天器姿态控制领域，涉及一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，用于验证光学载荷对动目标的超精超稳超敏捷跟瞄，考核跟瞄超精超稳超敏捷控制系统的性能指标。
技术介绍
天基平台对空天动目标跟踪是空天信息处理与控制领域的一个核心问题，对于空间监视、自主交会、卫星编队、在轨服务等许多任务的顺利实施具有着重要意义。动目标的跟瞄精度、稳定度和敏捷度是天基动目标跟踪平台发展的瓶颈问题。具有超高精度、超高稳定度、超高敏捷度的三超平台正是瞄准这类光学载荷姿态高精度控制需求应运而生。与目前传统系统相比，动目标跟瞄三超控制系统具有以下特点：(1)多级控制系统：包括星体姿态一级控制系统、主动指向超静平台二级控制系统和快反镜三级控制系统组成；(2)三超控制性能：三超控制系统通过在星体和载荷之间安装具有隔振、抑振和主动指向能力的主动指向超静平台，以及载荷中安装具有高带宽调节能力的快反镜，实现了超高精度、超高稳定度、超高敏捷度跟瞄控制性能；(3)多级姿态确定：配备能够测量目标卫星相对位置的视线测量敏感器和能够确定平台本体姿态的惯性空间敏感器(测微陀螺和星敏感器)，通过多传感器数据融合实现定姿。动目标跟瞄的三超平台是一个全新的设计理念，三超平台相关的控制技术必须经过地面物理仿真试验系统的严格考核才能开展型号应用。因此，这就需要一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统及方法，验证动目标跟瞄的三超平台的性能指标。
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，提供一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统，在试验使的环境下，验证动目标跟瞄三超控制性能。本专利技术的技术解决方案是：一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统，该系统包括星体姿控模拟系统、载荷模拟器、光学补偿快反镜控制模拟系统、动目标模拟组件和验证计算单元，其中：星体姿控模拟系统，用于模拟星体姿态，构成动目标跟瞄的第一级姿态控制；主动指向超静平台控制模拟系统，用于模拟主动指向超静平台，所述主动指向超静平台用于连接星体和载荷，构成动目标跟瞄的第二级姿态控制；载荷模拟器，模拟载荷，测量载荷姿态；动目标模拟组件，包括跟瞄误差测量敏感器、导轨和靶面，跟瞄误差测量敏感器和靶面均固定安装在导轨上，沿导轨移动，用于模拟动目标的运动轨迹；测量光斑偏离靶面中心的位移，并将测量结果发送至验证单元；光学补偿快反镜控制模拟系统，固定安装在载荷模拟器上，随着载荷模拟器运动；产生激光光束，激光光束经过反射后，通过角度放大光路将反射后的激光光束偏转轴进行角度放大后传输至动目标模拟组件靶面上，形成光斑，通过调整光束的偏转角度，控制光斑持续跟踪动目标模拟组件靶面中心点，构成动目标跟瞄的第三级姿态控制；角度放大光路与动目标模拟组件靶面之间的距离为D，用于模拟实际目标距离L、动目标模拟组件靶面边长为l，用于模拟实际视野范围H；验证计算单元，根据光斑偏离靶面中心的位移，计算目标跟瞄误差，根据目标跟瞄误差、载荷姿态测量值θl和星体姿态测量值θs，计算由三级姿态控制确定的动目标方位角β1，将三级姿态控制确定的动目标方位角β1与动目标实际方位角β作差，得到三级姿态控制确定的目标方位误差。所述角度放大光路的放大倍数a、角度放大光路输出端口至动目标模拟组件靶面中心点的距离D和靶面边长l，根据如下关系式确定：所述测量敏感器71的分辨率三级姿态控制下的目标跟瞄误差Δθ4为：式中，n为光斑中心点与靶面中心点之间的像元个数，即光斑偏离靶面中心的位移，Δθ为快反镜转角测量值。第一级姿态或者第二级控制下的目标跟瞄误差Δθ1：式中，n为光斑中心点与靶面中心点之间的像元个数，即光斑偏离靶面中心的位移。第三级姿态控制下的目标跟瞄误差Δθ1：式中，n为光斑中心点与靶面中心点之间的像元个数，即光斑偏离靶面中心的位移。根据权利要求1所述的一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，其特征在于所述动目标实际方位角β通过外标设备实时测量得到。所述星体姿控系统包括控制力矩陀螺、星体姿控陀螺和星体质量惯量模拟器，其中，星体质量惯量模拟器，用来模拟星体；星体陀螺，用来测量星体质量惯量模拟器的姿态，获取星体姿态测量值θs，将其发送至验证计算单元；控制力矩陀螺，根据星体转动控制指令，产生星体单轴旋转转矩，驱动星体质量惯量模拟器转动；星体控制单元，根据星体质量惯量模拟器姿态信息，产生星体转动控制指令。所述主动指向超静平台控制系统包括主动指向超静平台、载荷控制单元和涡流敏感器，其中：主动指向超静平台，由多组作动器构成，在作动器驱动指令下驱动各作动器产生载荷旋转转矩，驱动载荷模拟器旋转；多个涡流敏感器，安装于主动指向超静平台的作动器上，用于测量各作动器位移量，并将测量结果发送给载荷模拟器。所述载荷模拟器包括：气浮装置、载荷模拟器、载荷测微陀螺、载荷控制单元，其中：载荷模拟器，置于气浮装置上，用于模拟载荷舱；载荷测微陀螺，用于测量载荷姿态，将载荷姿态测量值θl发送至验证计算单元；载荷控制单元，根据载荷姿态和主动指向超静平台各作动器位移量，产生作动器驱动指令，输出至主动指向超静平台控制系统，控制载荷姿态。所述光学补偿快反镜控制模拟系统包括激光发射器、反射镜、快反镜、角度放大光路、快反镜转角测量敏感器、快反镜控制单元，其中：激光发射器发射激光束，激光束经反射镜反射之后照射在快反镜上，快反镜再次将其反射，角度放大光路位于快反镜出光方向的轴线上，角度放大光路对快反镜输出的激光偏转轴进行角度放大，偏转后的激光束传输至动目标模拟组件的靶面上，快反镜控制单元，用于根据快反镜偏转角度，计算光斑偏离靶面中心的位移，根据光斑偏离靶面中心的位移实时调整快反镜的角度；快反镜转角测量敏感器用于实时测量快反镜偏转角度，并将测量结果传至快反镜控制单元。本专利技术的另一个技术解决方案是：一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统的验证方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、动目标模拟器模拟动目标运动轨迹；(2)、控制星体姿态、控制载荷姿态，发射激光光束，激光光束经过反射后，通过角度放大光路将激光光束偏转轴进行角度放大后传输至动目标模拟组件靶面上，形成光斑，通过调整光束的偏转角度，使光斑持续跟踪动目标模拟组件靶面中心点，控制快反镜转动调节光轴，使得激光器发射的激光束通过反射镜、快反镜、角度放大光路后到达靶面形成光点，控制该光点持续跟踪靶面中心点；(3)、在靶面处通过跟瞄误差测量敏感器得到靶面的视场，根据光点与靶面中心点之间的像元个数为n4，计算三级姿态控制下的目标跟瞄误差Δθ4：式中，N为跟瞄误差测量敏感器的分辨率，l为靶面边长；D为角度放大光路至靶面中心点的距离，a为角度放大光路的放大倍数，Δθ为快反镜转角测量值；(4)、根据星体姿态测量值θs、载荷姿态测量值θl和由步骤(4)得到的多级复合控制跟瞄误差Δθ4，采用数据融合函数，计算得到三级姿态控制确定的动目标方位β1；(5)、将三级姿态控制确定的动目标方位角β1与动目标实际方位角β比较，得到多级姿态确定的误差Δβ＝β1-β。上述方法还包括如下步骤：(1.1)、采用单轴气浮台将星体质量惯量模拟器气浮，星体陀螺测量星体姿态，主动指向超静平台作动器和快反镜进入锁定状态；(1.2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统，其特征在于包括星体姿控模拟系统、载荷模拟器、光学补偿快反镜控制模拟系统、动目标模拟组件和验证计算单元，其中：星体姿控模拟系统，用于模拟星体姿态，构成动目标跟瞄的第一级姿态控制；主动指向超静平台控制模拟系统，用于模拟主动指向超静平台，所述主动指向超静平台用于连接星体和载荷，构成动目标跟瞄的第二级姿态控制；载荷模拟器，模拟载荷，测量载荷姿态；动目标模拟组件，包括跟瞄误差测量敏感器(71)、导轨(72)和靶面(73)，跟瞄误差测量敏感器(71)和靶面(73)均固定安装在导轨(72)上，沿导轨(72)移动，用于模拟动目标的运动轨迹；测量光斑偏离靶面中心的位移，并将测量结果发送至验证单元；光学补偿快反镜控制模拟系统，固定安装在载荷模拟器上，随着载荷模拟器运动；产生激光光束，激光光束经过反射后，通过角度放大光路(53)将反射后的激光光束偏转轴进行角度放大后传输至动目标模拟组件靶面(73)上，形成光斑，通过调整光束的偏转角度，控制光斑持续跟踪动目标模拟组件靶面中心点，构成动目标跟瞄的第三级姿态控制；角度放大光路与动目标模拟组件靶面之间的距离为D，用于模拟实际目标距离L、动目标模拟组件靶面边长为l，用于模拟实际视野范围H；验证计算单元，根据光斑偏离靶面中心的位移，计算目标跟瞄误差，根据目标跟瞄误差、载荷姿态测量值θl和星体姿态测量值θs，计算由三级姿态控制确定的动目标方位角β1，将三级姿态控制确定的动目标方位角β1与动目标实际方位角β作差，得到三级姿态控制确定的目标方位误差。...

【技术特征摘要】
1.一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统，其特征在于包括星体姿控模拟系统、载荷模拟器、光学补偿快反镜控制模拟系统、动目标模拟组件和验证计算单元，其中：星体姿控模拟系统，用于模拟星体姿态，构成动目标跟瞄的第一级姿态控制；主动指向超静平台控制模拟系统，用于模拟主动指向超静平台，所述主动指向超静平台用于连接星体和载荷，构成动目标跟瞄的第二级姿态控制；载荷模拟器，模拟载荷，测量载荷姿态；动目标模拟组件，包括跟瞄误差测量敏感器(71)、导轨(72)和靶面(73)，跟瞄误差测量敏感器(71)和靶面(73)均固定安装在导轨(72)上，沿导轨(72)移动，用于模拟动目标的运动轨迹；测量光斑偏离靶面中心的位移，并将测量结果发送至验证单元；光学补偿快反镜控制模拟系统，固定安装在载荷模拟器上，随着载荷模拟器运动；产生激光光束，激光光束经过反射后，通过角度放大光路(53)将反射后的激光光束偏转轴进行角度放大后传输至动目标模拟组件靶面(73)上，形成光斑，通过调整光束的偏转角度，控制光斑持续跟踪动目标模拟组件靶面中心点，构成动目标跟瞄的第三级姿态控制；角度放大光路与动目标模拟组件靶面之间的距离为D，用于模拟实际目标距离L、动目标模拟组件靶面边长为l，用于模拟实际视野范围H；验证计算单元，根据光斑偏离靶面中心的位移，计算目标跟瞄误差，根据目标跟瞄误差、载荷姿态测量值θl和星体姿态测量值θs，计算由三级姿态控制确定的动目标方位角β1，将三级姿态控制确定的动目标方位角β1与动目标实际方位角β作差，得到三级姿态控制确定的目标方位误差。2.根据权利要求1所述的一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，其特征在于：所述角度放大光路(53)的放大倍数a、角度放大光路(53)输出端口至动目标模拟组件靶面(73)中心点的距离D和靶面边长l，根据如下关系式确定：3.根据权利要求2所述的一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，其特征在于：所述测量敏感器71的分辨率4.根据权利要求3所述的一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，其特征在于三级姿态控制下的目标跟瞄误差Δθ4为：式中，n为光斑中心点与靶面中心点之间的像元个数，即光斑偏离靶面中心的位移，Δθ为快反镜转角测量值。5.根据权利要求3所述的一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，其特征在于第一级姿态或者第二级控制下的目标跟瞄误差Δθ1：式中，n为光斑中心点与靶面中心点之间的像元个数，即光斑偏离靶面中心的位移。6.根据权利要求3所述的一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，其特征在于第三级姿态控制下的目标跟瞄误差Δθ1：式中，n为光斑中心点与靶面中心点之间的像元个数，即光斑偏离靶面中心的位移；所述动目标实际方位角β通过外标设备实时测量得到。7.根据权利要求1所述的一种动目标跟瞄的超精超稳超敏捷控制全物理验证系统，其特征在于：所述星体姿控系统包括控制力矩陀螺、星体姿控陀螺和星体质量惯量模拟器，其中，星体质量惯量模拟器(11)，用来模拟星体；星体陀螺(61)，用来测量星体质量惯量模拟器(11)的姿态，获取星体姿态测量值θs，将其发送至验证计算单元；控制力矩陀螺(10)，根据星体转动控制指令，产生星体单轴旋转转矩，驱动星体质量惯量模拟器(11)转动；星体控制单元，根据星体质量惯量模拟器(11)姿态信息，产生星体转动控制指令。8.根据权利要求1所述的一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统，其特征在于所述主动指向超静平台控制系统包括主动指向超静平台、载荷控制单元和涡流敏感器(63)，其中：主动指向超静平台，由多组作动器构成，在作动器驱动指令下驱动各作动器产生载荷旋转转矩，驱动载荷模拟器旋转；多个涡流敏感器(63)，安装于主动指向超静平台(2)的作动器上，用于测量各作动器位移量，并将测量结果发送给载荷模拟器。9.根据权利要求1所述的一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统，其特征在于所述载荷模拟器包括：气浮装置、载荷模拟器、载荷测微陀螺、载荷控制单元，其中：载荷模拟器，置于气浮装置上，用于模拟载荷舱；载荷测微陀螺，用于测量载荷姿态，将载荷姿态测量值θl发送至验证计算单元；载荷控制单元，根据载荷姿态和主动指向超静平台各作动器位移量，产生作动器驱动指令，输出至主动指向超静平台控制系统，控制载荷姿态。10.根据权利要求1所述的一种动目标跟瞄的三超控制全物理验证系统，其特征在于所述光学补偿快反镜控制模拟系统包括激光发射器(51)、反射镜(52)、快反镜(4)、角度放大光路(53)、快反镜转角测...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝仁剑，汤亮，关新，王有懿，张科备，郝永波，张勇智，毛晓艳，牟小刚，
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