空间非合作目标的交会对接方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明适用于航天领域，提供了一种空间非合作目标的交会对接方法和装置，该方法包括：地面导引至系统捕获范围内；依据能够确定空间非合作目标相对参数的测量部件的最简组合，分别确定测量视线角、相对距离及方位角；根据捕获量测结果，以扩展卡尔曼滤波算法进行相对导航；根据导航结果，分别执行CW参考轨迹制导和直线参考轨迹制导对目标进行跟踪，并给出了理想轨迹相对位置和相对速度方程；接近过程采用PID控制律和伪速率脉冲调制器进行推力控制。通过空间非合作目标的捕获、跟踪与接近，追踪航天器可以在进入捕获非合作目标工作范围后完成对空间非合作目标的自主捕获、连续跟踪与稳定接近，从而实现对空间非合作目标的交会对接。
【专利说明】空间非合作目标的交会对接方法与装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天航空领域，尤其涉及空间非合作目标的交会对接方法和装置。
【背景技术】
[0002] 随着航空航天技术的发展，由于航天器的维修、更新、组装的要求，空间在轨服务 已经成为空间探索任务的一个重要趋势，对空间目标尤其是空间非合作目标的交会对接的 需求也越来越迫切。
[0003] 目前的交会对接试验大多针对空间合作航天器。其中，合作航天器通常包含以下 特征或结构：激光反射器、用于测距和通讯传输的射频发射器、易于区分的可见或可反射的 表观特征，抓捕固定装置以及合适的姿态控制系统。而不满足上述要求的其它航天器，则可 以称之为空间非合作目标。
[0004] 由于空间非合作目标没有安装标靶以及反射器等特征结构，无法完成与空间非合 作目标的通信，不能准确的与非合作目标完成准确有效的交会对接。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种空间非合作目标的交会对接方法和装置，以解 决现有技术由于空间非合作目标没有安装标靶以及反射器等特征结构，无法完成与空间非 合作目标的通信，不能准确的与非合作目标完成准确有效的交会对接的问题。
[0006] 本发明实施例是这样实现的，一种空间非合作目标的交会对接方法，所述方法包 括：
[0007] 通过地面导引提供的空间非合作目标的位置信息，结合追踪航天器的绝对GPS信 息，控制追踪航天器的宽视场测量相机的捕获范围包括所述非空间合作目标；
[0008] 根据所述宽视场相机捕获的目标，确定空间非合作目标的视线角测量信息；
[0009] 追踪航天器根据所述视线角测量信息，调整对所述空间非合作目标的姿态指向；
[0010] 当所述姿态指向满足微波测距仪的波束范围时，测距仪提供空间非合作目标的相 对距离与方位角信息；
[0011] 根据所述空间非合作目标的相对距离与方位角信息，采用扩展卡尔曼滤波算法进 行相对导航，持续获得目标测量信息；
[0012] 根据相对导航获取的空间非合作目标测量信息，依次进行C-W制导和直线制导， 确定接近轨迹；
[0013] 根据所述接近轨迹，实施PID控制，对空间非合作目标进行缓慢稳定接近，以完成 空间非合作目标的交会对接。
[0014] 本发明实施例的另一目的在于提供一种空间非合作目标的交会对接装置，所述装 置包括：
[0015] 相机控制单元，用于通过地面导引提供的空间非合作目标的位置信息，结合追踪 航天器的绝对GPS信息，控制追踪航天器的宽视场测量相机的捕获范围包括所述非空间合 作目标；
[0016] 视角线测量单元，用于根据所述宽视场相机捕获的目标，确定空间非合作目标的 视线角测量信息；
[0017] 姿态指向调整单元，用于追踪航天器根据所述视线角测量信息，调整对所述空间 非合作目标的姿态指向；
[0018] 方位角信息获取单元，用于当所述姿态指向满足微波测距仪的波束范围时，测距 仪提供空间非合作目标的相对距离与方位角信息；
[0019] 相对导航单元，用于根据所述空间非合作目标的相对距离与方位角信息，采用扩 展卡尔曼滤波算法进行相对导航，持续获得目标测量信息；
[0020] 接收轨迹确定单元，用于根据相对导航获取的空间非合作目标测量信息，依次进 行C-W制导和直线制导，确定接近轨迹；
[0021] 接近单元，用于根据所述接近轨迹，实施PID控制，对空间非合作目标进行缓慢稳 定接近，以完成空间非合作目标的交会对接。
[0022] 在本发明实施例中，通过空间非合作目标的捕获、跟踪与接近，追踪航天器可以在 进入捕获非合作目标工作范围后完成对空间非合作目标的自主捕获、连续跟踪与稳定接 近，从而实现对空间非合作目标的交会对接。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施例提供的空间非合作目标的交会对接方法的实现流程图；
[0024] 图2是本发明实施例提供的空间非合作目标的交会对接的结构示意图；
[0025] 图3是本发明实施例提供的空间非合作目标的交会对接硬件结构示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0027] 本发明实施例可用于对非合作目标的交会对接，以填补现有技术中不能实现对空 间非合作目标的交会对接的问题，具体包括如下步骤：通过地面导引提供的空间非合作目 标的位置信息，结合追踪航天器的绝对GPS信息，控制追踪航天器的宽视场测量相机的捕 获范围包括所述非空间合作目标；根据所述宽视场相机捕获的目标，确定空间非合作目标 的视线角测量信息；追踪航天器根据所述视线角测量信息，调整对所述空间非合作目标的 姿态指向；当所述姿态指向满足微波测距仪的波束范围时，测距仪提供空间非合作目标的 相对距离与方位角信息；根据所述空间非合作目标的相对距离与方位角信息，采用扩展卡 尔曼滤波算法进行相对导航，持续获得目标测量信息；根据相对导航获取的空间非合作目 标测量信息，依次进行C-W制导和直线制导，确定接近轨迹；根据所述接近轨迹，实施PID控 制，对空间非合作目标进行缓慢稳定接近，以完成空间非合作目标的交会对接。下面详细论 述如下：
[0028] 在本发明实施例中，包括以下几个重要的坐标系，介绍如下：
[0029] (a)航天器质心轨道坐标系
[0030] 航天器质心轨道坐标系（OoXoYoZo)简称为轨道坐标系。其坐标原点Oo为航天器 质心，Zo轴从航天器质心指向地心，Xo轴位于轨道平面内垂直于Zo轴，并指向在轨飞行的 前进方向；Yo轴使得OoXoYoZo构成右手正交系。
[0031] (b)航天器质心本体坐标系
[0032] 航天器质心本体坐标系是右旋正交坐标系，原点Ob位于飞行基座质心，ObXb轴、 ObYb轴和ObZb轴指向航天器特征方向，在标称状态下与轨道坐标系平行。
[0033] (c)微波测距仪测量坐标系
[0034] 微波测距仪的测量坐标系0ΜΧΜΥΜΖΜ，其坐标原点OM为微波测距仪天线的测量中 心点；XM轴与微波测距仪的波束中心轴平行，由原点指向探测方向。YM轴和ZM轴在垂直与 XM轴的平面内，YM轴指向测距仪发射机方向。0ΜΧΜΥΜΖΜ坐标系为右手直角坐标系，与微波 测距仪天线固连。
[0035] 在标称状态下与追踪器质心本体坐标系平行。
[0036] (d)相机测量坐标系
[0037] 相机测量坐标系0CXCYCZC的原点为相机测量中心；OCXC轴与光轴平行，由原点 指向相机探测方向；OCYC和OCZC轴在与OCXC垂直的平面内，OCYC方向指向接插件方向。 0CXCYCZC坐标系为右手直角坐标系，与相机固连。在标称状态下与SFR质心坐标系平行。
[0038] (e)微波测距仪相对距离：目标与微波测距仪测量坐标系原点间距离。
[0039] (f)微波测距仪相对速率：指相对距离对时间的一阶导数。
[0040] (g)微波测距仪视线角
[0041] 微波测距仪视线角包括俯仰角CIn^P方位角βπ。
[0042] 俯仰角a m :定义为视线与视线在测距仪测量坐标系OMXMYM平面的投影的夹角， 偏向-ZM轴为正。
[0043] 方位角β m :定义为视线在测距仪测量坐标系OMXMYM平面的投影与OMXM轴的夹 角，偏向+YM轴为正。
[0044] (a)相机相对距离：是指相机测量坐标系原点与目标之间的距离。
[0045] (b)相机视线：定义为从相机测量坐标系原点至目标形心的矢量。
[0046] (C)相机方位角
[0047] 俯仰角α。：定义为视线与视线在相机测量坐标系的OCXCYC平面的投影的夹角， 偏向-ZC轴为正。
[0048] 方位角β。：定义为视线在相机测量坐标系的OCXCYC平面的投影与OCXC轴的夹 角，偏向+YC轴为正。
[0049] 在本发明实施例中，对相对运动状态方程介绍如下：
[0050] 相对运动方程采用C-W方程，选用目标器的质心轨道坐标系为相对运动坐标系， 若目标器运行于圆轨道上，则一阶Hill方程如下：
【权利要求】
1. 一种空间非合作目标的交会对接方法，其特征在于，所述方法包括： 通过地面导引提供的空间非合作目标的位置信息，结合追踪航天器的绝对GPS信息， 控制追踪航天器的宽视场测量相机的捕获范围包括所述非空间合作目标； 根据所述宽视场相机捕获的目标，确定空间非合作目标的视线角测量信息； 追踪航天器根据所述视线角测量信息，调整对所述空间非合作目标的姿态指向； 当所述姿态指向满足微波测距仪的波束范围时，测距仪提供空间非合作目标的相对距 离与方位角信息； 根据所述空间非合作目标的相对距离与方位角信息，采用扩展卡尔曼滤波算法进行相 对导航，持续获得目标测量信息； 根据相对导航获取的空间非合作目标测量信息，依次进行C-W制导和直线制导，确定 接近轨迹； 根据所述接近轨迹，实施PID控制，对空间非合作目标进行缓慢稳定接近，以完成空间 非合作目标的交会对接。
2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述宽视场相机捕获的目标，确定 空间非合作目标的视线角测量信息步骤包括： 所述非合作目标的视线角测量信息包括俯仰角α。以及方位角β。，根据公式a-asin(z!ρ)I ;f 、获取非合作目标的视线角测量信息，其中， 丨2为空间非合 爲=atan(yf / )JPl =私 +)' 作目标的等效半径，X。，y。，z。为空间非合作目标器的质心在宽视场测量相机的测量系中相 对位置坐标。
3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，当所述姿态指向满足微波测距仪的波束范 围时，测距仪提供空间非合作目标的相对距离与方位角信息步骤包括： Pn, =P,>"-RaS{) 采用公式X_1"大,+凡,九计算得到空间非合作目标相对于追踪器微波测距Pm- PmQ_ 仪测量坐标系的视线距离Pm以及空间非合作目标相对于追踪器微波测距仪测量坐标系 的视线距离变化率/其中，Pm0=ylx；" +vi+4，RasO为空间非合作目标的等效半径， xm，ym，Zm为空间非合作目标的质心在微波测距仪的测量系中相对位置坐标，弋，K为空 间非合作目标的质心在微波测距仪的测量系中相对位置坐标的变化率。
4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述空间非合作目标的相对距离 与方位角信息，采用扩展卡尔曼滤波算法进行相对导航，持续获得目标测量信息包括： 根据扩展卡尔曼滤波的方程
_ .df[x(t)J] 进行相对导航，其中，Φ(k+l，k) ^I+F(tk)T，厂(Ο·、"、 为系非 x(n^x(k) ,,, ?/ζ[Λ：⑴，/"] 线性函数线性化后的系统矩阵，"(，)=为线性化后的观测矩阵， 邮）⑴，-+U-丨 冲)=/[冰),/] +忍⑴μ(〇 + (7⑴w⑴为系统状态方程，z(t) =h[x(t)，t]+v(t)为系统 0x(t) = F(t)0x(t) + B(t)u(t) + G(t)w(t)] 观测方押，二、 为线性化后的状态方程与观测方程， dz{t) = H(t)dx(t) + v(t) J f =x-2nz 'fr=y+n2y为C-W方程，η为目标器的轨道角速度值，fx，fy，fz为除地球的二体引力f_ =z + 2nx-3n2 z 引起的追踪器加速度与目标器加速度之差在相对运动坐标系下的投影，u(t) = [Ux，Uy，Uz] 7为控制器向量，X=I^1X2X3JC4X5 .T(，]_=[x_yZiji]1为系统状态向量，
为线性化后的系统状态矩 阵、输入-控制模型以及系统观测矩阵，w(t) = [wx，wy，wz]T追踪器与目标器摄动加速度差 在相对运动坐标系下的投影，K为滤波增益矩阵，v(t)是均值为0协方差阵为Q的观测噪 声，I为单位矩阵，.?是X的二阶导数。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据相对导航获取的空间非合作目标 测量信息，依次进行C-W制导和直线制导，确定接近轨迹步骤包括： 根据
确定理想轨迹相对位置，根据 X.=-3ΔννΙ +4ΔννΙco^cot ?=〇 确定理想轨迹相对速度，其中，Λνχ1、Avx2为速度增量且 zc = -2Δνχ1sinω? Δνν?=-Δνν2 'x。，y。，ζ。为空间非合作目标器的质心在宽视场测量相机的 测量系中相对位置坐标，毛，九，毛为空间非合作目标器的质心在宽视场测量相机的测量系 中相对位置坐标的时间变化率，w(t) = [Wx，Wy，WJT追踪器与目标器摄动加速度差在相对运 动坐标系下的投影。
6. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述接近轨迹，实施PID控制，对空 间非合作目标进行缓慢稳定接近步骤包括： 根据PID控制律公式= -(Vp +[ (F-Fj-A 4对空间非合作目标进行缓慢 V sJ 稳定接近，其中，6为期望的相对位置，P为相对位置估计值，？为相对位置，Kp为控制律比 例系数Kd为控制律阻尼系数，K1为控制律积分系数，S为积分时间常数。
7. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述宽视场相机为用于测量部件最简组合 的宽视场相机。
8. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述微波测距仪的测量范围为相对距离 200m至 15km。
9. 一种空间非合作目标的交会对接装置，其特征在于，所述装置包括： 相机控制单元，用于通过地面导引提供的空间非合作目标的位置信息，结合追踪航天 器的绝对GPS信息，控制追踪航天器的宽视场测量相机的捕获范围包括所述非空间合作目 标； 视角线测量单元，用于根据所述宽视场相机捕获的目标，确定空间非合作目标的视线 角测量信息； 姿态指向调整单元，用于追踪航天器根据所述视线角测量信息，调整对所述空间非合 作目标的姿态指向； 方位角信息获取单元，用于当所述姿态指向满足微波测距仪的波束范围时，测距仪提 供空间非合作目标的相对距离与方位角信息； 相对导航单元，用于根据所述空间非合作目标的相对距离与方位角信息，采用扩展卡 尔曼滤波算法进行相对导航，持续获得目标测量信息； 接收轨迹确定单元，用于根据相对导航获取的空间非合作目标测量信息，依次进行C-W制导和直线制导，确定接近轨迹； 接近单元，用于根据所述接近轨迹，实施PID控制，对空间非合作目标进行缓慢稳定接 近，以完成空间非合作目标的交会对接。
10.根据权利要求9所述装置，其特征在于，所述宽视场相机为用于测量部件最简组合 的宽视场相机。
【文档编号】G01C21/24GK104316060SQ201410250186
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】梁斌, 李成, 王学谦, 刘厚德, 张博 申请人:清华大学深圳研究生院
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