一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，包括：三轴气浮台分系统

【技术实现步骤摘要】
一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统


[0001]本专利技术涉及航天器姿态控制
，尤其涉及一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统
。

技术介绍

[0002]对于航天器的姿态控制的仿真技术，一般都是以三轴气浮台为仿真平台以实现航天器的半物理仿真试验，通过仿真实验，如对航天器进行扫描
、
捕获
、
跟踪指向等动态过程的模拟，以验证航天器的姿态动力学与控制
。
[0003]但是现有技术研究的主体内容仍是单颗航天器
(
卫星
)
的运动学
、
动力学与控制，其技术的关键目标在于仿真分析单颗航天器的动力学特性及其控制器的性能
、
单星捕获技术以及目标跟踪控制技术等，而对于多颗航天器之间的协同控制技术的仿真分析和验证，并没有可实现的仿真试验平台
。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，能有效解决现有技术中对于多颗航天器之间的协同控制技术的仿真分析和验证，并没有可实现的仿真试验平台的问题
。
[0005]本专利技术一实施例提供了一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，包括：
[0006]三轴气浮台分系统
、
用于模拟第一飞行器的姿态的三轴气浮平台
、
单轴气浮台分系统
、
用于模拟第二飞行器的姿态的单轴气浮平台
、
用于模拟第三飞行器的姿态载荷平台以及综合监测管控分系统；
[0007]所述综合监测管控分系统，用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后，计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵，并将所述第一期望姿态旋转矩阵发送至三轴气浮台分系统，以使所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同；其中，第一姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第一方向轴上的姿态指向；
[0008]所述单轴气浮台分系统，还用于在检测到三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同完成，且检测到三轴气浮平台完成第二姿态指向时，计算得到用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第二期望姿态旋转矩阵，并根据所述第二期望姿态旋转矩阵控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第二姿态指向协同；其中，第二姿态指向为三轴气浮平台在预设三轴气浮平台坐标系的任意一方向轴上的姿态指向；
[0009]所述综合监测管控分系统，还用于在检测到载荷平台完成第三姿态指向后，计算用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第三期望姿态旋转矩阵，并将所述第三期望姿态旋转矩阵发送至单轴气浮台分系统，以使所述单轴气浮台分系统控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第三姿态指向协同；其中，所述第三姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的
第二方向轴上的姿态指向；
[0010]所述综合监测管控分系统，还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向以及第三姿态指向，且判定载荷平台的位置
、
三轴气浮平台的位置以及单轴气浮平台的位置满足预设距离条件时，确定载荷平台
、
三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向
。
[0011]优选地，还包括：用于作为第三飞行器的地面模拟系统的机器人分系统；
[0012]所述机器人分系统，包括：地面控制单元以及机械臂单元；
[0013]所述载荷平台，包括：扫瞄镜单元以及用于模拟第三飞行器的地面模拟体；
[0014]所述扫瞄镜单元，用于在地面模拟体的运动过程中，根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面；并在捕获到三轴气浮台上的第一靶标时，根据所述第一靶标在所述二维成像平面的投影，与所述二维成像平面的中心的距离计算得到第一偏差量，继而将所述第一偏差量发送至地面控制单元；
[0015]所述地面控制单元，用于根据所述第一偏差量计算得到第一旋转矩阵，并将所述第一旋转矩阵发送至机械臂单元，以使所述机械臂单元根据第一旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向，直至载荷平台完成第一姿态指向；
[0016]所述地面控制单元，还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后，将载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量发送至所述综合监测管控分系统
。
[0017]优选地，所述单轴气浮台上设置有第二靶标；
[0018]所述扫瞄镜单元，还用于在地面模拟体的运动过程中，根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面；并在捕获到单轴气浮台上的第二靶标时，根据所述第二靶标在所述二维成像平面的投影与所述二维成像平面的中心计算得到第二偏差量，继而将所述第二偏差量发送至地面控制单元；
[0019]所述地面控制单元，还用于根据所述第二偏差量计算得到第二旋转矩阵，并将所述第二旋转矩阵发送至机械臂单元，以使所述机械臂单元根据第二旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向，直至载荷平台完成第三姿态指向
。
[0020]优选地，所述综合监测管控分系统，还包括：若干光学运动捕捉单元；
[0021]每一光学运动捕捉单元，用于检测载荷平台的姿态指向，在检测到载荷平台完成第一姿态指向时生成载荷平台的第一姿态指向完成结果，以及在检测载荷平台完成第三姿态指向时生成载荷平台的第三姿态指向完成结果
。
[0022]优选地，所述综合监测管控分系统，用于计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵，包括：
[0023]所述综合监测管控分系统，在检测到载荷平台完成第一姿态指向时，接收所述地面控制单元发送的第一位置向量；
[0024]接收三轴气浮台分系统发送的三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量以及三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第一姿态旋转矩阵；
[0025]根据所述第一位置向量以及第二位置向量，计算得到三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量，继而根据所述目标位置向量计算得到三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵；其中，所述目标位置向量用于表征三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望位置向量；
[0026]根据所述第一姿态旋转矩阵以及目标姿态旋转矩阵，计算得到用于指示姿态偏差量的第一期望姿态旋转矩阵；其中，所述第一期望姿态旋转矩阵为三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同时对应的期望姿态旋转矩阵
。
[0027]优选地，所述根据所述第一位置向量以及第二位置向量，计算得到三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量，继而根据所述目标位置向量计算得到三轴气浮平台处于目标位置向量时对应的在预设惯性坐标下的目标姿态旋转矩阵，包括：
[0028]根据如下公式计算得到目标位置向量：
[0029][0030]其中，为三轴气浮平台在预设惯性坐标下的目标位置向量，为载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量，为三轴气浮平台在预设惯性坐标系下的第二位置向量；
[0031本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，其特征在于，包括：三轴气浮台分系统
、
用于模拟第一飞行器的姿态的三轴气浮平台
、
单轴气浮台分系统
、
用于模拟第二飞行器的姿态的单轴气浮平台
、
用于模拟第三飞行器的姿态载荷平台以及综合监测管控分系统；所述综合监测管控分系统，用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后，计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵，并将所述第一期望姿态旋转矩阵发送至三轴气浮台分系统，以使所述三轴气浮台分系统控制三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同；其中，第一姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第一方向轴上的姿态指向；所述单轴气浮台分系统，还用于在检测到三轴气浮平台的姿态指向与所述第一姿态指向协同完成，且检测到三轴气浮平台完成第二姿态指向时，计算得到用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第二期望姿态旋转矩阵，并根据所述第二期望姿态旋转矩阵控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第二姿态指向协同；其中，第二姿态指向为三轴气浮平台在预设三轴气浮平台坐标系的任意一方向轴上的姿态指向；所述综合监测管控分系统，还用于在检测到载荷平台完成第三姿态指向后，计算用于控制单轴气浮平台的姿态指向的第三期望姿态旋转矩阵，并将所述第三期望姿态旋转矩阵发送至单轴气浮台分系统，以使所述单轴气浮台分系统控制单轴气浮平台的姿态指向与所述第三姿态指向协同；其中，所述第三姿态指向为载荷平台在预设载荷平台坐标系的第二方向轴上的姿态指向；所述综合监测管控分系统，还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向以及第三姿态指向，且判定载荷平台的位置
、
三轴气浮平台的位置以及单轴气浮平台的位置满足预设距离条件时，确定载荷平台
、
三轴气浮平台以及单轴气浮平台完成多航天器间的仿真协同指向
。2.
如权利要求1所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，其特征在于，还包括：用于作为第三飞行器的地面模拟系统的机器人分系统；所述机器人分系统，包括：地面控制单元以及机械臂单元；所述载荷平台，包括：扫瞄镜单元以及用于模拟第三飞行器的地面模拟体；所述扫瞄镜单元，用于在地面模拟体的运动过程中，根据地面模拟体的姿态和位置生成二维成像平面；并在捕获到三轴气浮台上的第一靶标时，根据所述第一靶标在所述二维成像平面的投影，与所述二维成像平面的中心的距离计算得到第一偏差量，继而将所述第一偏差量发送至地面控制单元；所述地面控制单元，用于根据所述第一偏差量计算得到第一旋转矩阵，并将所述第一旋转矩阵发送至机械臂单元，以使所述机械臂单元根据第一旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向，直至载荷平台完成第一姿态指向；所述地面控制单元，还用于在检测到载荷平台完成第一姿态指向后，将载荷平台在预设惯性坐标系下的第一位置向量发送至所述综合监测管控分系统
。3.
如权利要求2所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，其特征在于，所述单轴气浮台上设置有第二靶标；所述扫瞄镜单元，还用于在地面模拟体的运动过程中，根据地面模拟体的姿态和位置
生成二维成像平面；并在捕获到单轴气浮台上的第二靶标时，根据所述第二靶标在所述二维成像平面的投影与所述二维成像平面的中心计算得到第二偏差量，继而将所述第二偏差量发送至地面控制单元；所述地面控制单元，还用于根据所述第二偏差量计算得到第二旋转矩阵，并将所述第二旋转矩阵发送至机械臂单元，以使所述机械臂单元根据第二旋转矩阵控制载荷平台的姿态指向，直至载荷平台完成第三姿态指向
。4.
如权利要求3所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，其特征在于，所述综合监测管控分系统，还包括：若干光学运动捕捉单元；每一光学运动捕捉单元，用于检测载荷平台的姿态指向，在检测到载荷平台完成第一姿态指向时生成载荷平台的第一姿态指向完成结果，以及在检测载荷平台完成第三姿态指向时生成载荷平台的第三姿态指向完成结果
。5.
如权利要求4所述的一种基于多航天器姿态控制的地面半物理仿真系统，其特征在于，所述综合监测管控分系统，用于计算得到用于控制所述三轴气浮台的姿态指向的第一期望姿态旋转矩阵，包括：所述综合监测管控分系统，在检测到载荷平台完成第...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟云鹤，杜兴瑞，陆璐，朱炬波，刘道平，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：