一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统，使用动力学仿真系统生成目标星和主动星的姿态、轨道运动数据；以动力学仿真系统输出的目标星和主动星的位置、姿态信息驱动双六自由度运动模拟系统产生目标星模拟器和主动星模拟器的位置、姿态运动；通过目标星模拟器上的三维力传感器获得系绳对目标的拉力，通过陀螺仪获得目标星模拟器帆板和本体的姿态信息，将数据传给动力学仿真系统，经过转换处理后将相对状态信息、目标星受力信息发送给GNC计算机进行拖曳控制律解算，将控制指令传给主动星模拟器上的绳系收放装置进行系绳收放控制。本发明专利技术用于对失效航天器进行飞网捕获后拖曳移除控制的地面半物理闭环试验，为在轨清障服务提供技术支撑。

A method and system for ground test verification of tether towing control

【技术实现步骤摘要】
一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统
本专利技术涉及绳系拖拽领域，特别涉及一种绳系拖曳控制地面运动试验验证方法及系统。
技术介绍
空间技术的应用领域在近一、二十年中得到了飞速的拓展，除了在空间科学应用方面得到继续深化外，随着航天技术的快速发展，越来越多的航天器发射进入太空，随之也有越来越多的老旧航天器故障失效成为了空间碎片。这些空间碎片占据了宝贵的轨道资源，并严重地威胁着在轨运行航天器的安全。通过飞网捕获目标并将目标拖曳至离轨轨道，是一种新兴的清理空间碎片的方案，并且由于其适应性强，可重复使用等特点受到了广泛的关注和研究。绳网捕获目标后，主动星和目标星构成以系绳为连接介质的柔性组合体，主动星通过自身的平台控制和绳系收放装置控制，实现对目标星的拖曳离轨，并保证在拖曳过程中绳系系统不发生振荡发散、缠绕等情况。由于地面无法长时间模拟空间失重环境，因此目前绳系拖曳控制的地面半物理试验都是采用桌面联调方式，绳系拖曳过程中的力学特性都是靠数学仿真进行保证。本专利技术提出一种绳系拖曳控制的地面试验验证方法，通过运动模拟系统模拟两星的轨道、姿态运动，通过安装测力装置和陀螺，实现系绳真实拉力的测量并反馈到动力学系统，从而实现用真实的受力模型进行绳系拖曳控制方法的地面试验验证。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种绳系拖曳控制地面试验验证方法及系统，其是采用飞网捕获失效目标后对目标的拖曳离轨控制方案的地面半物理验证方法，能够真实模拟绳系系统在轨受力状态，进行拖曳控制方案的地面半物理验证，本专利技术利用两个六自由度模拟主动星和目标星轨道、姿态运动，并通过安装力测角单元直接获得系绳对目标的拉力，可用于对失效航天器进行飞网捕获后拖曳移除控制的地面半物理闭环试验，从而为在轨清障服务提供技术支撑。为了达到上述专利技术目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种绳系拖曳控制地面试验验证系统，包含：主动星模拟器，安装在第一六自由度运动模拟器上；绳系收放装置，其一端与所述主动星模拟器连接，另一端与系绳连接；目标星模拟器，安装在第二六自由度运动模拟器上；所述目标星模拟器的帆板上设有用于测力的三维力传感器且所述三维力传感器与系绳连接；目标星模拟器的帆板上与目标星本体上分别设置有用于测角度的陀螺仪；动力学仿真机，用于对所述目标星模拟器和所述主动星模拟器的轨道、姿态初值进行设定与仿真，并驱动对应的六自由度运动模拟器运动，目标星模拟器和主动星模拟器产生平动和转动运动；所述动力学仿真机接收所述目标星模拟器的三维力传感器和陀螺仪的测量数据，用以获取绳系收放装置的系绳对所述目标星模拟器的真实拉力；GNC计算机，与所述动力学仿真机连接，接收所述动力学仿真机发送的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据，解算拖曳控制律并控制所述系绳收放装置进行系绳的收放。优选地，所述动力学仿真机分别与目标控制上位机和目标控制下位机相连，以及所述目标控制上位机与所述目标控制下位机也相连；所述主动星模拟器、所述目标星模拟器和所述目标控制下位机相连，使得所述目标控制下位机实时获取目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据，以及所述目标控制下位机还与所述第一六自由度运动模拟器和所述第二六自由度运动模拟器连接，用于实时驱动对应的六自由度运动模拟器运动。优选地，所述目标星模拟器包含两块帆板，每块帆板外侧的两个角点处各自安装一个所述三维力传感器；所述绳系收放装置的系绳分出四根次系绳，分别对应地与各个三维力传感器连接；所述三维力传感器的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。优选地，所述三维力传感器包含：帆板连接工装，用于将三维力传感器连接在目标星模拟器的帆板上；高精度测力传感器，用于测量系绳张力的大小和方向；拖曳绳压紧块，用于连接所述系绳与所述高精度测力传感器优选地，所述目标星模拟器的每个帆板上分别安装一个帆板陀螺仪以及所述目标星本体上安装一个本体陀螺仪，用于获取各自的陀螺仪测量数据并得到帆板陀螺仪测量数据与本体陀螺仪测量数据的差值，进一步得到帆板形变的角度大小；各陀螺仪的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。优选地，所述陀螺仪包含：高精度惯导传感器，用于测量目标星模拟器的帆板及目标星本体的角度数据；帆板连接工装，用于将陀螺仪安装在帆板上。本专利技术公开了一种绳系拖曳控制地面试验验证方法，该方法包含以下步骤：S1、搭建如上文所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统；S2、建立目标星模拟器、主动星模拟器的轨道动力学和姿态动力学，并控制六自由度运动模拟系统运动；S3、获得三维力传感器和陀螺仪的测量数据，通过数据转换测量得到绳系收放装置的系绳对目标星模拟器的真实拉力；S4、GNC计算机解算拖曳控制律并控制系绳收放装置进行收放；重复步骤S2-S4的过程进行实时更新，观察目标星模拟器和主动星模拟器的实际运动状态，直至目标星模拟器不发生俯仰、偏航方向的翻转，且横向位移不发生振荡发散；所述步骤S1中，进一步包含：根据主动星、目标星结构尺寸，加工1:1模型，分别得到主动星模拟器、目标星模拟器，并分别安装在第一六自由度运动模拟系统和第二六自由度运动模拟系统上；在主动星模拟器上安装绳系收放装置；在目标星模拟器的帆板上分别安装三维力传感器，并确保三维力传感器的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；在目标星模拟器的帆板上、目标星本体上分别安装陀螺仪，并确保陀螺仪的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行；在绳系收放装置的一端引出系绳作为拖曳的牵引主系绳，在主系绳的另一端分出四根次系绳，分别连接在目标星模拟器的帆板外侧的各个三维力传感器上；将GNC计算机、动力学仿真机、与目标控制上位机、目标控制下位机相连、双六自由度运动模拟系统进行连接。优选地，所述步骤S2中，进一步包含：在所述动力学仿真机中设定目标星模拟器和主动星模拟器的轨道、姿态初值并进行仿真；所述动力学仿真机将目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据实时发送给目标控制上位机，所述目标控制上位机解算出相对位置、相对姿态量，并发送给目标控制下位机；所述目标控制下位机根据接收到的目标星模拟器和主动星模拟的位置、姿态数据，实时驱动对应的六自由度运动模拟器进行运动，同时产生目标星模拟器和主动星模拟器的平动和转动运动。优选地，所述步骤S3中，进一步包含：目标星模拟器在运动过程中受到系绳牵引，将目标星模拟器上的各个个三维力传感器测得的力的数据和各个陀螺仪的测量数据，通过所述目标控制下位机发送到所述动力学仿真机；定义帆板上陀螺仪坐标系OfXfYfZf原点在陀螺仪中心，Xf轴为帆板负法向，Yf轴沿帆板轴向向外，Zf轴符合右手定律；本体上陀螺仪的坐标系ObXbYbZb原点在本体陀螺仪中心，坐标轴与帆板上陀螺仪平行；对三个陀螺仪的数测量据分别进行积分获得三轴角度数据，帆板陀螺仪数据积分后的Zf角度值与本体陀螺仪数据积分后的Zb角度值不同；三维力传感器获得的拉力方向转换到目标星本体系上，设定测得的拉力为Ffn，n代表三维力传感器的编号，则目标星本体系下受到的拉力Fbn为:式中，γb为本体上陀螺仪的数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，包含：/n主动星模拟器，安装在第一六自由度运动模拟器上；/n绳系收放装置，其一端与所述主动星模拟器连接，另一端与系绳连接；/n目标星模拟器，安装在第二六自由度模拟器上；所述目标星模拟器的帆板上设有用于测力的三维力传感器且所述三维力传感器与系绳连接；目标星模拟器的帆板上与目标星本体上分别设置有用于测角度的陀螺仪；/n动力学仿真机，对所述目标星模拟器和所述主动星模拟器的轨道、姿态初值进行设定与仿真，用以实现驱动对应的六自由度运动模拟器运动，目标星模拟器和主动星模拟器产生平动和转动运动；所述动力学仿真机接收所述目标星模拟器的三维力传感器和陀螺仪的测量数据，用以获取绳系收放装置的系绳对所述目标星模拟器的真实拉力，该真实拉力通过动力学模型转换成对应的最新的轨道、姿态数据；/nGNC计算机，与所述动力学仿真机连接，接收所述动力学仿真机发送的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据，解算拖曳控制律用以控制所述系绳收放装置进行系绳的收放。/n

【技术特征摘要】
1.一种绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，包含：
主动星模拟器，安装在第一六自由度运动模拟器上；
绳系收放装置，其一端与所述主动星模拟器连接，另一端与系绳连接；
目标星模拟器，安装在第二六自由度模拟器上；所述目标星模拟器的帆板上设有用于测力的三维力传感器且所述三维力传感器与系绳连接；目标星模拟器的帆板上与目标星本体上分别设置有用于测角度的陀螺仪；
动力学仿真机，对所述目标星模拟器和所述主动星模拟器的轨道、姿态初值进行设定与仿真，用以实现驱动对应的六自由度运动模拟器运动，目标星模拟器和主动星模拟器产生平动和转动运动；所述动力学仿真机接收所述目标星模拟器的三维力传感器和陀螺仪的测量数据，用以获取绳系收放装置的系绳对所述目标星模拟器的真实拉力，该真实拉力通过动力学模型转换成对应的最新的轨道、姿态数据；
GNC计算机，与所述动力学仿真机连接，接收所述动力学仿真机发送的目标星模拟器与主动星模拟器的姿态、轨道数据，解算拖曳控制律用以控制所述系绳收放装置进行系绳的收放。


2.如权利要求1所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述动力学仿真机分别与目标控制上位机和目标控制下位机相连，以及所述目标控制上位机与所述目标控制下位机相连；
所述主动星模拟器、所述目标星模拟器和所述目标控制下位机相连，使得所述目标控制下位机实时获取目标星模拟器和主动星模拟器的姿态、轨道数据，以及所述目标控制下位机还与所述第一六自由度运动模拟器和所述第二六自由度运动模拟器连接，用于实时驱动对应的六自由度运动模拟器运动。


3.如权利要求1所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述目标星模拟器包含两块帆板，每块帆板外侧的两个角点处各自安装一个所述三维力传感器；
所述绳系收放装置的系绳分出四根次系绳，分别对应地与各个三维力传感器连接；
所述三维力传感器的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。


4.如权利要求3所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述三维力传感器包含：
帆板连接工装，用于将三维力传感器连接在目标星模拟器的帆板上；
高精度测力传感器，用于测量系绳张力的大小和方向；
拖曳绳压紧块，用于连接所述系绳与所述高精度测力传感器。


5.如权利要求1所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述目标星模拟器的每个帆板上分别安装一个帆板陀螺仪以及所述目标星本体上安装一个本体陀螺仪，用于获取各自的陀螺仪测量数据并得到帆板陀螺仪测量数据与本体陀螺仪测量数据的差值，进一步得到帆板形变的角度大小；
各陀螺仪的坐标轴与目标星本体系的坐标轴平行。


6.如权利要求5所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统，其特征在于，
所述陀螺仪包含：
高精度惯导传感器，用于测量目标星模拟器的帆板及目标星本体的角度数据；
帆板连接工装，用于将陀螺仪安装在帆板上。


7.一种绳系拖曳控制地面试验验证方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
S1、搭建如权利要求1-6任意一项所述的绳系拖曳控制地面试验验证系统；
S2、建立目标星模拟器、主动星模拟器的轨道动力学和姿态动力学，并控制六自由度运动模拟器运动；
S3、获得三维力传感器和陀螺仪的测量数据，通过数据转换测量得到绳系收放装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢山，刘禹，徐晨，詹鹏宇，张竞天，陈浩，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31