超近距離的高精度相對位置保持控制方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種超近距離的高精度相對位置保持控制方法，方法為了解決兩個航天器超近距離停靠的相對導(dǎo)航和相對控制方法，采用把相對坐標(biāo)系建立在追蹤星的軌道系下，測量信息從測量坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下，使用了追蹤器的姿態(tài)信息，追蹤器采用星敏感器加陀螺的高精度定姿方法，比相對姿態(tài)的精度高，因此降低了相對測量信息的對相對導(dǎo)航精度的影響，因此提高了相對導(dǎo)航精度。從而保證了高精度的相對位置控制。由于對追蹤器的姿態(tài)控制精度要求高于相對姿態(tài)的測量精度，因此不采用相對姿態(tài)控制，而采用絕對姿態(tài)控制。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術(shù)公開一種，方法為了解決兩個航天器超近距離停靠的相對導(dǎo)航和相對控制方法，采用把相對坐標(biāo)系建立在追蹤星的軌道系下，測量信息從測量坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下，使用了追蹤器的姿態(tài)信息，追蹤器采用星敏感器加陀螺的高精度定姿方法，比相對姿態(tài)的精度高，因此降低了相對測量信息的對相對導(dǎo)航精度的影響，因此提高了相對導(dǎo)航精度。從而保證了高精度的相對位置控制。由于對追蹤器的姿態(tài)控制精度要求高于相對姿態(tài)的測量精度，因此不采用相對姿態(tài)控制，而采用絕對姿態(tài)控制。【專利說明】
本專利技術(shù)涉及航天器在軌與另外一個航天器進(jìn)行跟蹤接近或交會時用到的相對導(dǎo)航和相對位置控制方法，可以用于相對距離小于Irn(超近距離)的位置保持控制。
技術(shù)介紹
航天器在空間進(jìn)行交會，是一個航天器接近另一個航天器的過程，就是在太空飛行中兩個或兩個以上的航天器通過軌道參數(shù)的協(xié)調(diào)，在同一時間到達(dá)空間同一位置的過程。目前我國在軌完成空間交會對接為神舟飛船和天宮一號，在最后階段，神舟飛船采用光學(xué)成像敏感器的相對位置和相對姿態(tài)測量信息，進(jìn)行相對位置和相對姿態(tài)導(dǎo)航，然后進(jìn)行相對位置和相對姿態(tài)控制。因為SY-7衛(wèi)星的光學(xué)成像敏感器的相對姿態(tài)精度差，為了在超近距離情況下，獲得高精度的相對位置控制，必須有高精度的相對位置導(dǎo)航信息，在光學(xué)成像敏感器測量精度一定的情況下，必須減小測量信息在轉(zhuǎn)換過程的誤差傳播。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種，該方法提高了相對導(dǎo)航精度，從而保證了高精度的相對位置控制。本專利技術(shù)包括如下技術(shù)方案:，方法包括追蹤器姿態(tài)控制和相對位置控制兩部分；其中追蹤器姿態(tài)控制采用相平面控制方法進(jìn)行；追蹤器姿態(tài)控制部分實時向 相對位置控制提供追蹤器的姿態(tài)信息；相對位置控制具體步驟如下:(I)利用追蹤器姿態(tài)控制部分提供的追蹤器姿態(tài)信息，構(gòu)建追蹤器本體系到相對坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；所述的相對坐標(biāo)系原點Or為追蹤器的質(zhì)心，OrZr軸指向地球的質(zhì)心，O1^軸垂直于O1^軸,指向軌道角速度的反方向，軸與O1^軸構(gòu)成右手系；(2)利用步驟⑴中構(gòu)建的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，將追蹤器上光學(xué)成像敏感器的測量量轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下；以及將追蹤器上加速度計測量的三軸速度增量轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下；(3)對步驟(2)中轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行濾波，得到追蹤器相對于目標(biāo)器的相對位置和相對速度；(4)根據(jù)任務(wù)需求，設(shè)置在相對坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置；將步驟(3)中得到的相對位置和相對速度與目標(biāo)位置求差，根據(jù)差值利用相平面控制方法控制追蹤器到達(dá)目標(biāo)位置。所述的追蹤器姿態(tài)控制利用追蹤器上星敏感器和陀螺聯(lián)合定姿獲得三軸姿態(tài)角和角速度，采用相平面控制方法進(jìn)行控制。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:(I)本專利技術(shù)把相對坐標(biāo)系建立在追蹤星的軌道系下，優(yōu)點是相對測量信息到相對坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換只與追蹤星的絕對姿態(tài)有關(guān)，可以擴(kuò)展應(yīng)用到非合作目標(biāo)的相對導(dǎo)航和控制中O(2)本專利技術(shù)中追蹤星采用星敏感器+陀螺高精度絕對定姿方法，和測量的相對姿態(tài)0.5°的精度相比，星敏+陀螺定姿精度可以到0.03°，降低了定姿誤差對測量信息的誤差傳播。(3)本專利技術(shù)中追蹤星采用絕對姿態(tài)進(jìn)行控制，因為相對姿態(tài)精度差，采用高精度的絕對姿態(tài)控制有利于提高姿態(tài)控制精度。(4)本專利技術(shù)由于降低了相對測量信息的傳播誤差，因此提高了相對導(dǎo)航精度，從而保證了高精度的相對位置控制。【專利附圖】【附圖說明】圖1為本專利技術(shù)控制方法流程圖；圖2為本專利技術(shù)的控制結(jié)果-滾動角曲線圖圖3為本專利技術(shù)的控制結(jié)果-俯仰角曲線圖圖4為本專利技術(shù)的控制結(jié)果-偏航角曲線圖圖5為本專利技術(shù)的控制結(jié)果-X軸相對位置曲線圖圖6為本專利技術(shù)的控制結(jié)果_y軸相對位置曲線圖圖7為本專利技術(shù)的控制結(jié)果-Z軸相對位置曲線圖【具體實施方式】為了更清楚的理解本專利技術(shù)，首先對本專利技術(shù)中涉及的坐標(biāo)系進(jìn)行說明:追蹤器本體系:坐標(biāo)系原點Oso位于追蹤器質(zhì)心-,OsoXso軸沿追蹤器的縱軸方向，OsoYso軸在零姿態(tài)是指向軌道角速度的反方向，OsoXso軸、OsoYso軸、OsoZso軸成右手系。星敏感器、陀螺、光學(xué)成像敏感器和加速度計敏感器安裝在追蹤器本體系下。光學(xué)成像敏感器(相機(jī))測量坐標(biāo)系:坐標(biāo)系原點O為相機(jī)的主點,相機(jī)光軸方向為+X。方向，從相機(jī)主點指向安裝面的方向為+Z。方向，0Y。軸、與0X。軸和0Z。軸方向符合右手坐標(biāo)系。相對坐標(biāo)系:原點Or為追蹤器的質(zhì)心，OrZr軸指向地球的質(zhì)心，OrYr軸垂直于OrZr軸，指向軌道角速度的反方向，OrXr軸與oryr軸構(gòu)成右手系。如圖1所示，本專利技術(shù)，包括追蹤器姿態(tài)控制和相對位置控制兩部分；(一 )追蹤器姿態(tài)控制追蹤器的姿態(tài)控制有2種控制方式，一種是利用相對姿態(tài)信息進(jìn)行相對姿態(tài)控制，一種是采用追蹤器的絕對姿態(tài)進(jìn)行控制。由于相對姿態(tài)測量精度比較差，而絕對姿態(tài)精度高，采用絕對姿態(tài)控制的精度還依賴于目標(biāo)器的姿態(tài)控制精度，追蹤器的絕對姿態(tài)控制精度優(yōu)于0.1°，目標(biāo)器的姿態(tài)控制精度優(yōu)于0.2°，總的控制精度優(yōu)于0.22°。而相對姿態(tài)的測量精度為0.5°，相對姿態(tài)控制精度大于0.5°。為了提高姿態(tài)控制精度，因此追蹤器的姿態(tài)控制選擇采用絕對姿態(tài)控制，實時向相對位置控制提供追蹤器的姿態(tài)信息，即根據(jù)陀螺測量的角速度信息和星敏感器測量的姿態(tài)角信息，進(jìn)行kalman濾波，得到追蹤器的三軸姿態(tài)角I,, Solif, P,?,(量綱:弧度)和三軸角速度信I爐,θ , ψ (量綱:弧度/秒)，姿態(tài)控制采用相平面控制算法。( 二)相對位置控制實現(xiàn)兩個航天器的超近距離的高精度位置保持控制，首先選擇相對坐標(biāo)系，一種是建立在目標(biāo)器的軌道系下，相對測量數(shù)據(jù)從追蹤器的本體系轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下，需要有相對姿態(tài)信息；一種是建立在追蹤器的軌道系下，相對測量數(shù)據(jù)從追蹤器的本體系轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下，需要有追蹤器的姿態(tài)信息；相對測量敏感器可以測量相對姿態(tài)，但是精度比較差，精度不大于0.5°，追蹤器采用星敏感器+陀螺定姿方法，定姿精度優(yōu)于0.03°，為了減小轉(zhuǎn)換關(guān)系帶來的誤差，相對坐標(biāo)系選擇建立在追蹤器的軌道系下。光學(xué)成像敏感器安裝在追蹤器的本體系下，測量信息需要從本體系轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下，已知追蹤器的姿態(tài)信息，可以計算轉(zhuǎn)移矩陣，利用姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，把測量信息轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下，利用相對運動方程進(jìn)行預(yù)報，然后進(jìn)行kalman濾波計算，得到相對導(dǎo)航信息。由于采用了追蹤器的姿態(tài)信息，降低了相對測量信息的傳播誤差，因此提高了相對導(dǎo)航精度。根據(jù)相對導(dǎo)航信息，相對位置控制采用相平面控制方法，由于提高了相對導(dǎo)航的精度，因此相對位置控制精度也得到了提高。相對位置控制具體步驟如下:(I)利用追蹤器姿態(tài)控制部分提供的追蹤器姿態(tài)信息φαα (滾動)，iut (俯仰)，Ψ (偏航)(量綱:弧度)，構(gòu)建追蹤器本體系到相對坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為【權(quán)利要求】1.，其特征在于:方法包括追蹤器姿態(tài)控制和相對位置控制兩部分；其中追蹤器姿態(tài)控制采用相平面控制方法進(jìn)行；追蹤器姿態(tài)控制部分實時向相對位置控制提供追蹤器的姿態(tài)信息；相對位置控制具體步驟如下: (1)利用追蹤器姿態(tài)控制部分提供的追蹤器姿態(tài)信息，構(gòu)建追蹤器本體系到相對坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；所述的相對坐標(biāo)系原點Α為追蹤器的質(zhì)心，OrZr軸指向地球的質(zhì)心，0ryr軸垂直于O1^本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
超近距離的高精度相對位置保持控制方法，其特征在于：方法包括追蹤器姿態(tài)控制和相對位置控制兩部分；其中追蹤器姿態(tài)控制采用相平面控制方法進(jìn)行；追蹤器姿態(tài)控制部分實時向相對位置控制提供追蹤器的姿態(tài)信息；相對位置控制具體步驟如下：(1)利用追蹤器姿態(tài)控制部分提供的追蹤器姿態(tài)信息，構(gòu)建追蹤器本體系到相對坐標(biāo)系的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；所述的相對坐標(biāo)系原點or為追蹤器的質(zhì)心，orzr軸指向地球的質(zhì)心，oryr軸垂直于orzr軸，指向軌道角速度的反方向，orxr軸與orzr、oryr軸構(gòu)成右手系；(2)利用步驟(1)中構(gòu)建的姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，將追蹤器上光學(xué)成像敏感器的測量量轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下；以及將追蹤器上加速度計測量的三軸速度增量轉(zhuǎn)換到相對坐標(biāo)系下；(3)對步驟(2)中轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行濾波，得到追蹤器相對于目標(biāo)器的相對位置和相對速度；(4)根據(jù)任務(wù)需求，設(shè)置在相對坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置；將步驟(3)中得到的相對位置和相對速度與目標(biāo)位置求差，根據(jù)差值利用相平面控制方法控制追蹤器到達(dá)目標(biāo)位置。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王穎，諶穎，韓冬，畢鵬波，湯文瀾，張怡，張占良，劉濤，劉潔，郭明姝，楊彬，付若愚，
申請(專利權(quán))人：北京控制工程研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11