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空間非合作目標(biāo)的交會對接方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于航天領(lǐng)域，提供了一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法和裝置，該方法包括：地面導(dǎo)引至系統(tǒng)捕獲范圍內(nèi)；依據(jù)能夠確定空間非合作目標(biāo)相對參數(shù)的測量部件的最簡組合，分別確定測量視線角、相對距離及方位角；根據(jù)捕獲量測結(jié)果，以擴展卡爾曼濾波算法進行相對導(dǎo)航；根據(jù)導(dǎo)航結(jié)果，分別執(zhí)行CW參考軌跡制導(dǎo)和直線參考軌跡制導(dǎo)對目標(biāo)進行跟蹤，并給出了理想軌跡相對位置和相對速度方程；接近過程采用PID控制律和偽速率脈沖調(diào)制器進行推力控制。通過空間非合作目標(biāo)的捕獲、跟蹤與接近，追蹤航天器可以在進入捕獲非合作目標(biāo)工作范圍后完成對空間非合作目標(biāo)的自主捕獲、連續(xù)跟蹤與穩(wěn)定接近，從而實現(xiàn)對空間非合作目標(biāo)的交會對接。
【專利說明】空間非合作目標(biāo)的交會對接方法與裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天航空領(lǐng)域，尤其涉及空間非合作目標(biāo)的交會對接方法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，由于航天器的維修、更新、組裝的要求，空間在軌服務(wù) 已經(jīng)成為空間探索任務(wù)的一個重要趨勢，對空間目標(biāo)尤其是空間非合作目標(biāo)的交會對接的 需求也越來越迫切。
[0003] 目前的交會對接試驗大多針對空間合作航天器。其中，合作航天器通常包含以下 特征或結(jié)構(gòu)：激光反射器、用于測距和通訊傳輸?shù)纳漕l發(fā)射器、易于區(qū)分的可見或可反射的 表觀特征，抓捕固定裝置以及合適的姿態(tài)控制系統(tǒng)。而不滿足上述要求的其它航天器，則可 以稱之為空間非合作目標(biāo)。
[0004] 由于空間非合作目標(biāo)沒有安裝標(biāo)靶以及反射器等特征結(jié)構(gòu)，無法完成與空間非合 作目標(biāo)的通信，不能準(zhǔn)確的與非合作目標(biāo)完成準(zhǔn)確有效的交會對接。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的在于提供一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法和裝置，以解 決現(xiàn)有技術(shù)由于空間非合作目標(biāo)沒有安裝標(biāo)靶以及反射器等特征結(jié)構(gòu)，無法完成與空間非 合作目標(biāo)的通信，不能準(zhǔn)確的與非合作目標(biāo)完成準(zhǔn)確有效的交會對接的問題。
[0006] 本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法，所述方法包 括：
[0007] 通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天器的絕對GPS信 息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機的捕獲范圍包括所述非空間合作目標(biāo)；
[0008] 根據(jù)所述寬視場相機捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的視線角測量信息；
[0009] 追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合作目標(biāo)的姿態(tài)指向；
[0010] 當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的相 對距離與方位角信息；
[0011] 根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴展卡爾曼濾波算法進 行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息；
[0012] 根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)， 確定接近軌跡；
[0013] 根據(jù)所述接近軌跡，實施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進行緩慢穩(wěn)定接近，以完成 空間非合作目標(biāo)的交會對接。
[0014] 本發(fā)明實施例的另一目的在于提供一種空間非合作目標(biāo)的交會對接裝置，所述裝 置包括：
[0015] 相機控制單元，用于通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤 航天器的絕對GPS信息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機的捕獲范圍包括所述非空間合 作目標(biāo)；
[0016] 視角線測量單元，用于根據(jù)所述寬視場相機捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的 視線角測量信息；
[0017] 姿態(tài)指向調(diào)整單元，用于追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間 非合作目標(biāo)的姿態(tài)指向；
[0018] 方位角信息獲取單元，用于當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距 儀提供空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息；
[0019] 相對導(dǎo)航單元，用于根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴 展卡爾曼濾波算法進行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息；
[0020] 接收軌跡確定單元，用于根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進 行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡；
[0021] 接近單元，用于根據(jù)所述接近軌跡，實施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進行緩慢穩(wěn) 定接近，以完成空間非合作目標(biāo)的交會對接。
[0022] 在本發(fā)明實施例中，通過空間非合作目標(biāo)的捕獲、跟蹤與接近，追蹤航天器可以在 進入捕獲非合作目標(biāo)工作范圍后完成對空間非合作目標(biāo)的自主捕獲、連續(xù)跟蹤與穩(wěn)定接 近，從而實現(xiàn)對空間非合作目標(biāo)的交會對接。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明實施例提供的空間非合作目標(biāo)的交會對接方法的實現(xiàn)流程圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明實施例提供的空間非合作目標(biāo)的交會對接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明實施例提供的空間非合作目標(biāo)的交會對接硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0027] 本發(fā)明實施例可用于對非合作目標(biāo)的交會對接，以填補現(xiàn)有技術(shù)中不能實現(xiàn)對空 間非合作目標(biāo)的交會對接的問題，具體包括如下步驟：通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目 標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天器的絕對GPS信息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機的捕 獲范圍包括所述非空間合作目標(biāo)；根據(jù)所述寬視場相機捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo) 的視線角測量信息；追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合作目標(biāo)的 姿態(tài)指向；當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的 相對距離與方位角信息；根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴展卡 爾曼濾波算法進行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息；根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目 標(biāo)測量信息，依次進行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡；根據(jù)所述接近軌跡，實施PID控 制，對空間非合作目標(biāo)進行緩慢穩(wěn)定接近，以完成空間非合作目標(biāo)的交會對接。下面詳細論 述如下：
[0028] 在本發(fā)明實施例中，包括以下幾個重要的坐標(biāo)系，介紹如下：
[0029] (a)航天器質(zhì)心軌道坐標(biāo)系
[0030] 航天器質(zhì)心軌道坐標(biāo)系（OoXoYoZo)簡稱為軌道坐標(biāo)系。其坐標(biāo)原點Oo為航天器 質(zhì)心，Zo軸從航天器質(zhì)心指向地心，Xo軸位于軌道平面內(nèi)垂直于Zo軸，并指向在軌飛行的 前進方向；Yo軸使得OoXoYoZo構(gòu)成右手正交系。
[0031] (b)航天器質(zhì)心本體坐標(biāo)系
[0032] 航天器質(zhì)心本體坐標(biāo)系是右旋正交坐標(biāo)系，原點Ob位于飛行基座質(zhì)心，ObXb軸、 ObYb軸和ObZb軸指向航天器特征方向，在標(biāo)稱狀態(tài)下與軌道坐標(biāo)系平行。
[0033] (c)微波測距儀測量坐標(biāo)系
[0034] 微波測距儀的測量坐標(biāo)系0ΜΧΜΥΜΖΜ，其坐標(biāo)原點OM為微波測距儀天線的測量中 心點；XM軸與微波測距儀的波束中心軸平行，由原點指向探測方向。YM軸和ZM軸在垂直與 XM軸的平面內(nèi)，YM軸指向測距儀發(fā)射機方向。0ΜΧΜΥΜΖΜ坐標(biāo)系為右手直角坐標(biāo)系，與微波 測距儀天線固連。
[0035] 在標(biāo)稱狀態(tài)下與追蹤器質(zhì)心本體坐標(biāo)系平行。
[0036] (d)相機測量坐標(biāo)系
[0037] 相機測量坐標(biāo)系0CXCYCZC的原點為相機測量中心；OCXC軸與光軸平行，由原點 指向相機探測方向；OCYC和OCZC軸在與OCXC垂直的平面內(nèi)，OCYC方向指向接插件方向。 0CXCYCZC坐標(biāo)系為右手直角坐標(biāo)系，與相機固連。在標(biāo)稱狀態(tài)下與SFR質(zhì)心坐標(biāo)系平行。
[0038] (e)微波測距儀相對距離：目標(biāo)與微波測距儀測量坐標(biāo)系原點間距離。
[0039] (f)微波測距儀相對速率：指相對距離對時間的一階導(dǎo)數(shù)。
[0040] (g)微波測距儀視線角
[0041] 微波測距儀視線角包括俯仰角CIn^P方位角βπ。
[0042] 俯仰角a m :定義為視線與視線在測距儀測量坐標(biāo)系OMXMYM平面的投影的夾角， 偏向-ZM軸為正。
[0043] 方位角β m :定義為視線在測距儀測量坐標(biāo)系OMXMYM平面的投影與OMXM軸的夾 角，偏向+YM軸為正。
[0044] (a)相機相對距離：是指相機測量坐標(biāo)系原點與目標(biāo)之間的距離。
[0045] (b)相機視線：定義為從相機測量坐標(biāo)系原點至目標(biāo)形心的矢量。
[0046] (C)相機方位角
[0047] 俯仰角α。：定義為視線與視線在相機測量坐標(biāo)系的OCXCYC平面的投影的夾角， 偏向-ZC軸為正。
[0048] 方位角β。：定義為視線在相機測量坐標(biāo)系的OCXCYC平面的投影與OCXC軸的夾 角，偏向+YC軸為正。
[0049] 在本發(fā)明實施例中，對相對運動狀態(tài)方程介紹如下：
[0050] 相對運動方程采用C-W方程，選用目標(biāo)器的質(zhì)心軌道坐標(biāo)系為相對運動坐標(biāo)系， 若目標(biāo)器運行于圓軌道上，則一階Hill方程如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種空間非合作目標(biāo)的交會對接方法，其特征在于，所述方法包括： 通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天器的絕對GPS信息， 控制追蹤航天器的寬視場測量相機的捕獲范圍包括所述非空間合作目標(biāo)； 根據(jù)所述寬視場相機捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的視線角測量信息； 追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合作目標(biāo)的姿態(tài)指向； 當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的相對距 離與方位角信息； 根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴展卡爾曼濾波算法進行相 對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息； 根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定 接近軌跡； 根據(jù)所述接近軌跡，實施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進行緩慢穩(wěn)定接近，以完成空間 非合作目標(biāo)的交會對接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)所述寬視場相機捕獲的目標(biāo)，確定 空間非合作目標(biāo)的視線角測量信息步驟包括： 所述非合作目標(biāo)的視線角測量信息包括俯仰角α。以及方位角β。，根據(jù)公式a-asin(z!ρ)I ;f 、獲取非合作目標(biāo)的視線角測量信息，其中， 丨2為空間非合 爲(wèi)=atan(yf / )JPl =私 +)' 作目標(biāo)的等效半徑，X。，y。，z。為空間非合作目標(biāo)器的質(zhì)心在寬視場測量相機的測量系中相 對位置坐標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范 圍時，測距儀提供空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息步驟包括： Pn, =P,>"-RaS{) 采用公式X_1"大,+凡,九計算得到空間非合作目標(biāo)相對于追蹤器微波測距Pm- PmQ_ 儀測量坐標(biāo)系的視線距離Pm以及空間非合作目標(biāo)相對于追蹤器微波測距儀測量坐標(biāo)系 的視線距離變化率/其中，Pm0=ylx；" +vi+4，RasO為空間非合作目標(biāo)的等效半徑， xm，ym，Zm為空間非合作目標(biāo)的質(zhì)心在微波測距儀的測量系中相對位置坐標(biāo)，弋，K為空 間非合作目標(biāo)的質(zhì)心在微波測距儀的測量系中相對位置坐標(biāo)的變化率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離 與方位角信息，采用擴展卡爾曼濾波算法進行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息包括： 根據(jù)擴展卡爾曼濾波的方程
_ .df[x(t)J] 進行相對導(dǎo)航，其中，Φ(k+l，k) ^I+F(tk)T，廠(Ο·、"、 為系非 x(n^x(k) ,,, ?/ζ[Λ：⑴，/"] 線性函數(shù)線性化后的系統(tǒng)矩陣，"(，)=為線性化后的觀測矩陣， 郵）⑴，-+U-丨 沖)=/[冰),/] +忍⑴μ(〇 + (7⑴w⑴為系統(tǒng)狀態(tài)方程，z(t) =h[x(t)，t]+v(t)為系統(tǒng) 0x(t) = F(t)0x(t) + B(t)u(t) + G(t)w(t)] 觀測方押，二、 為線性化后的狀態(tài)方程與觀測方程， dz{t) = H(t)dx(t) + v(t) J f =x-2nz 'fr=y+n2y為C-W方程，η為目標(biāo)器的軌道角速度值，fx，fy，fz為除地球的二體引力f_ =z + 2nx-3n2 z 引起的追蹤器加速度與目標(biāo)器加速度之差在相對運動坐標(biāo)系下的投影，u(t) = [Ux，Uy，Uz] 7為控制器向量，X=I^1X2X3JC4X5 .T(，]_=[x_yZiji]1為系統(tǒng)狀態(tài)向量，
為線性化后的系統(tǒng)狀態(tài)矩 陣、輸入-控制模型以及系統(tǒng)觀測矩陣，w(t) = [wx，wy，wz]T追蹤器與目標(biāo)器攝動加速度差 在相對運動坐標(biāo)系下的投影，K為濾波增益矩陣，v(t)是均值為0協(xié)方差陣為Q的觀測噪 聲，I為單位矩陣，.?是X的二階導(dǎo)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo) 測量信息，依次進行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡步驟包括： 根據(jù)
確定理想軌跡相對位置，根據(jù) X.=-3ΔννΙ +4ΔννΙco^cot ?=〇 確定理想軌跡相對速度，其中，Λνχ1、Avx2為速度增量且 zc = -2Δνχ1sinω? Δνν?=-Δνν2 'x。，y。，ζ。為空間非合作目標(biāo)器的質(zhì)心在寬視場測量相機的 測量系中相對位置坐標(biāo)，毛，九，毛為空間非合作目標(biāo)器的質(zhì)心在寬視場測量相機的測量系 中相對位置坐標(biāo)的時間變化率，w(t) = [Wx，Wy，WJT追蹤器與目標(biāo)器攝動加速度差在相對運 動坐標(biāo)系下的投影。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述根據(jù)所述接近軌跡，實施PID控制，對空 間非合作目標(biāo)進行緩慢穩(wěn)定接近步驟包括： 根據(jù)PID控制律公式= -(Vp +[ (F-Fj-A 4對空間非合作目標(biāo)進行緩慢 V sJ 穩(wěn)定接近，其中，6為期望的相對位置，P為相對位置估計值，？為相對位置，Kp為控制律比 例系數(shù)Kd為控制律阻尼系數(shù)，K1為控制律積分系數(shù)，S為積分時間常數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述寬視場相機為用于測量部件最簡組合 的寬視場相機。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，所述微波測距儀的測量范圍為相對距離 200m至 15km。
9. 一種空間非合作目標(biāo)的交會對接裝置，其特征在于，所述裝置包括： 相機控制單元，用于通過地面導(dǎo)引提供的空間非合作目標(biāo)的位置信息，結(jié)合追蹤航天 器的絕對GPS信息，控制追蹤航天器的寬視場測量相機的捕獲范圍包括所述非空間合作目 標(biāo)； 視角線測量單元，用于根據(jù)所述寬視場相機捕獲的目標(biāo)，確定空間非合作目標(biāo)的視線 角測量信息； 姿態(tài)指向調(diào)整單元，用于追蹤航天器根據(jù)所述視線角測量信息，調(diào)整對所述空間非合 作目標(biāo)的姿態(tài)指向； 方位角信息獲取單元，用于當(dāng)所述姿態(tài)指向滿足微波測距儀的波束范圍時，測距儀提 供空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息； 相對導(dǎo)航單元，用于根據(jù)所述空間非合作目標(biāo)的相對距離與方位角信息，采用擴展卡 爾曼濾波算法進行相對導(dǎo)航，持續(xù)獲得目標(biāo)測量信息； 接收軌跡確定單元，用于根據(jù)相對導(dǎo)航獲取的空間非合作目標(biāo)測量信息，依次進行C-W制導(dǎo)和直線制導(dǎo)，確定接近軌跡； 接近單元，用于根據(jù)所述接近軌跡，實施PID控制，對空間非合作目標(biāo)進行緩慢穩(wěn)定接 近，以完成空間非合作目標(biāo)的交會對接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述裝置，其特征在于，所述寬視場相機為用于測量部件最簡組合 的寬視場相機。
【文檔編號】G01C21/24GK104316060SQ201410250186
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】梁斌, 李成, 王學(xué)謙, 劉厚德, 張博 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院