[发明专利]一种航天器自主交会控制系统地面仿真试验方法

摘要

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。

主权项

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的长度量纲LI,Hill坐标系的长度量纲LH，时间量纲T，其中地心惯性轨道坐标系的原点在地心，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，Hill坐标系的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；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：初始条件：位置：z_t0＝0，速度：其中，μ是地心引力常数，x_t、y_t、z_t是目标模拟器在地面惯性坐标系中的位置，x_t0、y_t0、是目标模拟器的初始位置和速度，X_t0、Y_t0、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：其中其中，x_t、y_t、z_t是目标模拟器在地面惯性坐标系中的位置，x_c、y_c、z_c是追踪模拟器在地面惯性坐标系中的位置,x_ct、y_ct、z_ct是追踪模拟器在地面Hill坐标系相对目标模拟器的位置，k是相对运动常数k＝μ^‑2p^‑3,p是目标航天器运行轨道的半通径，是目标航天器轨道角速度，a是目标航天器运行轨道的半长轴，e是目标航天器运行轨道的偏心率，是应用开普勒方程计算的目标航天器运行轨道的真近点角，是目标航天器运行轨道的平近点角，t和t_p分别是目标模拟器当前运行时刻和经过模拟近地点的时刻，是目标航天器轨道角加速度，用差分方式计算得到，a_x、a_y、a_z是航天器自主交会控制系统输出的控制推力加速度在Hill坐标系下的三个分量，初始条件：z_c0＝z_t0其中,X_ct0、Y_ct0、Z_ct0、是自主交会任务开始时刻Hill坐标系中追踪航天器相对目标航天器的相对位置和相对速度；(3)将目标模拟器动力学方程、追踪模拟器动力学方程、含控制器的模拟器、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；所述步骤中目标模拟器动力学方程指的是步骤(2)中的目标模拟器动力学方程；所述步骤中追踪模拟器动力学方程指的是步骤(2)中的追踪模拟器动力学方程；所述步骤中含控制器的模拟器指的是在地面用以代表航天器的运动机构，可以是地面气浮台、移动基座或者其他可以在地面实验室内实现三维空间运动的机构，模拟器的控制器是指可以控制模拟机构跟踪三维空间轨迹的运动控制系统；所述步骤中运动测量敏感器指的是用于测量目标模拟器在地面惯性坐标系中的运行位置和速度、追踪模拟器在地面惯性坐标系中的运行位置和速度、在地面Hill坐标系中追踪模拟器相对目标模拟器的位置和速度，以及系统运行时间；所述步骤中自主交会控制器指的是追踪航天器的轨道控制系统，根据测量敏感器测量得到的地面Hill坐标系中追踪模拟器相对目标模拟器的位置x_ct、y_ct、z_ct和速度通过相似比反算得到空间目标航天器相对追踪航天器在Hill坐标系中相对位置以及相对速度反馈给自主交会控制器，根据制定的控制策略确定轨道控制加速度大小，给出步骤(2)追踪模拟器动力学方程中a_x、a_y、a_z，使追踪航天器完成与目标航天器的交会任务；(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；所述步骤中解算计算机中动力学方程指的是运用常微分方程数值算法计算步骤(2)中的目标模拟器、追踪模拟器动力学方程，其中动力学方程中目标模拟器位置和速度信息、追踪模拟器位置和速度信息、追踪模拟器相对目标模拟器的相对位置和速度信息以及运行时间由步骤(3)中的测量敏感器给出，追踪航天器自主交会轨道控制系统的推力加速度由步骤(3)中的自主交会控制器给出，解算出的运动轨迹包括目标模拟器在地面惯性坐标系中的运行位置和速度，追踪模拟器在地面惯性坐标系中的运行位置和速度；所述步骤中控制模拟器跟踪运动轨迹指的是设计跟踪控制策略使地面模拟航天器的运动机构完成对动力学计算轨迹的跟踪，实现与空间航天器自主交会运动过程的等效，进而再现航天器自主交会运动过程。