專利名稱：人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天控制領(lǐng)域，涉及
程進(jìn)行驗(yàn)證的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。
種可用于對(duì)人控交會(huì)對(duì)接控制律和相關(guān)操作過
背景技術(shù)：
航天器的空間交會(huì)對(duì)接(Rendezvous and Docking, RVD)技術(shù)是載人航天中的一 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分為自動(dòng)控制和人工控制兩種。美國和前蘇聯(lián)都在1967年首次實(shí)現(xiàn)了航天器 的交會(huì)對(duì)接，并在其后進(jìn)行了一系列的空間交會(huì)對(duì)接活動(dòng)。雖然美國和前蘇聯(lián)都發(fā)展了交 會(huì)與對(duì)接的人控和自控技術(shù)，但是美國更比較重視采用人控技術(shù)，而前蘇聯(lián)則比較重視采 用自控技術(shù)。 美國在"雙子星座"和"阿波羅"飛船計(jì)劃中都使用了人控來進(jìn)行航天器的空間交 會(huì)與對(duì)接。美國研究人員在"雙子星座"飛船計(jì)劃經(jīng)驗(yàn)總結(jié)中寫道"經(jīng)驗(yàn)表明，航天員能 夠指導(dǎo)制導(dǎo)系統(tǒng)完成主要操作，而且在制導(dǎo)系統(tǒng)失靈時(shí)也能完成各飛行階段的任務(wù)。他們 認(rèn)為，用人控來完成空間交會(huì)與對(duì)接任務(wù)具有以下優(yōu)點(diǎn)人具有分析、判斷和決策能力，可 以提高交會(huì)與對(duì)接任務(wù)的成功率，因?yàn)榭梢约皶r(shí)修正交會(huì)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤；可以排除交會(huì)與 對(duì)接系統(tǒng)中的故障，保證交會(huì)與對(duì)接任務(wù)的完成；人控比自控更節(jié)省燃料和時(shí)間。因此美國 專家認(rèn)為，如果航天器上有人，用人控來完成交會(huì)與對(duì)接任務(wù)顯然比自控有利得多。特別是 當(dāng)航天器上的傳感器、計(jì)算機(jī)或其他交會(huì)與對(duì)接所必需的設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，人控是唯一的 選擇。 與美國相反，前蘇聯(lián)比較側(cè)重于采用自控。他們認(rèn)為，航天器交會(huì)與對(duì)接過程中的 自動(dòng)化是未來空間飛行所必需的。自控交會(huì)與對(duì)接的優(yōu)點(diǎn)是不需要生命保障系統(tǒng)，可靠性 高，無需考慮人的救生問題。前蘇聯(lián)雖然大力發(fā)展自控交會(huì)與對(duì)接技術(shù)，但也沒有放棄采用 人控交會(huì)與對(duì)接。1969年1月16日，"聯(lián)盟"4號(hào)和5號(hào)飛船首次成功地進(jìn)行了人控交會(huì)與 對(duì)接。1969年10月，"聯(lián)盟"6、7、8號(hào)3艘載人飛船分別進(jìn)行了人控交會(huì)與對(duì)接。而"聯(lián)盟" 號(hào)、"聯(lián)盟T"和"聯(lián)盟TM"飛船與"禮炮"號(hào)空間站的交會(huì)與對(duì)接，第一次對(duì)接失敗，放寬對(duì) 接區(qū)域，也未成功；第二次，調(diào)整姿態(tài)控制系統(tǒng)又出故障；第三次，轉(zhuǎn)到航天員手控對(duì)接，才 最后成功。特別是當(dāng)自控系統(tǒng)失靈時(shí)，采用人控才能保證完成交會(huì)與對(duì)接任務(wù)。
隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，以神舟5號(hào)和神舟7號(hào)為標(biāo)志的載人航天一期工程取 得了巨大的成功。為順利實(shí)現(xiàn)以交會(huì)對(duì)接為主要目標(biāo)的載人航天二期工程任務(wù)，迫切需要 對(duì)人控交會(huì)對(duì)接技術(shù)進(jìn)行研究并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為順利實(shí)現(xiàn)以交會(huì)對(duì)接為主要目標(biāo)的載人 航天二期工程任務(wù)奠定牢固的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一套可真實(shí)驗(yàn)證人控交 會(huì)對(duì)接控制律及相關(guān)操作過程的半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，包括動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元、六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)、激光雷達(dá)、人控電視攝像機(jī)、被測 人控交會(huì)對(duì)接控制單元、人控電視攝像機(jī)圖像顯示器、人控指令單元、人控姿態(tài)手柄、人控 位置手柄、人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)；人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)、激光雷達(dá)合作 目標(biāo)安裝在三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)上，激光雷達(dá)、人控電視攝像機(jī)安裝在六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn) 臺(tái)上；其中， 動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元接收被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元發(fā)出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令， 根據(jù)所述指令進(jìn)行目標(biāo)飛行器和追蹤飛船姿態(tài)和軌道動(dòng)力學(xué)仿真，得到目標(biāo)飛行器與追蹤 飛船之間的相對(duì)位置、相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)位置速度和相對(duì)姿態(tài)角速度，將目標(biāo)飛行器的姿態(tài)和 姿態(tài)角速度通過指令送至三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)，將追蹤飛船的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置 速度通過指令送至六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)，同時(shí)獲取六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)和三自由度姿 態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)返回的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息； 六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元發(fā)出的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位 置和位置速度指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，模擬追蹤飛船的在軌運(yùn)行狀態(tài)； 三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元發(fā)出的姿態(tài)和姿態(tài)角速度指令進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)，模擬目標(biāo)飛行器的在軌運(yùn)行狀態(tài)； 人控電視攝像機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)進(jìn)行攝像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送給人 控電視攝像機(jī)圖像顯示器，供試驗(yàn)人員觀察使用； 激光雷達(dá)實(shí)時(shí)對(duì)激光雷達(dá)合作目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測量，并將測量數(shù)據(jù)送至被測人控 交會(huì)對(duì)接控制單元； 被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元從動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元接收常規(guī)敏感器測量數(shù) 據(jù)，接收試驗(yàn)人員對(duì)人控姿態(tài)手柄的操作產(chǎn)生的電壓，接收試驗(yàn)人員對(duì)人控位置手柄的操 作產(chǎn)生的電壓，接收激光雷達(dá)的測量數(shù)據(jù)，接收試驗(yàn)人員通過人控指令單元發(fā)送的人控指 令，利用被測的人控交會(huì)對(duì)接控制律計(jì)算得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令和人控電視攝像機(jī)圖像的疊加 信息；將執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令送至動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元，將人控電視攝像機(jī)圖像的疊加信息送 至人控電視攝像機(jī)圖像顯示器。 試驗(yàn)總控單元(l)，用于向動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)發(fā)出指令，控制試驗(yàn)的開始 和結(jié)束。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明系統(tǒng)將最為關(guān)鍵的外部導(dǎo)航敏感器一激 光雷達(dá)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)、人控電視攝像機(jī)和人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)作為真實(shí)部件置于控 制系統(tǒng)回路中，而其它的常規(guī)敏感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及目標(biāo)飛行器和追蹤飛船的姿態(tài)軌道動(dòng) 力學(xué)則采用成熟的數(shù)學(xué)模型代替，在降低研制費(fèi)用的同時(shí)可對(duì)不同的被測人控交會(huì)對(duì)接控 制律和相關(guān)操作過程進(jìn)行大量、多方位的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。同數(shù)學(xué)仿真相比，該系統(tǒng)可使被測 人控交會(huì)對(duì)接控制律和相關(guān)操作過程得到更真實(shí)有效地驗(yàn)證，而與全實(shí)物仿真系統(tǒng)相比又 具有研制費(fèi)用低、簡單易行等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的組成原理框圖。 圖2為三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)工作示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)由試驗(yàn)總控單元1、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4、六自由度姿態(tài)位 置轉(zhuǎn)臺(tái)3、動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2、人控電視攝像機(jī)6、人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12、激光雷達(dá) 5、激光雷達(dá)合作目標(biāo)13、人控位置手柄11、人控姿態(tài)手柄10、人控電視攝像機(jī)圖像顯示器 8、人控指令單元9和被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7組成。 試驗(yàn)總控單元1負(fù)責(zé)向動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā)出試驗(yàn)開始和試驗(yàn)結(jié)束指令， 控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。 動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2包括目標(biāo)飛行器軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)、追蹤飛船軌道姿態(tài)動(dòng) 力學(xué)、常規(guī)敏感器測量模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)臺(tái)控制器。其接收試驗(yàn)總控單元1發(fā)出 的試驗(yàn)開始和試驗(yàn)結(jié)束指令，接收被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā)出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令，接 收三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3實(shí)時(shí)返回的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息；完成目標(biāo)飛 行器和追蹤飛船姿態(tài)和軌道動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，完成目標(biāo)飛行器和追蹤飛船相對(duì)位置、相對(duì) 姿態(tài)、相對(duì)位置速度和相對(duì)姿態(tài)角速度的計(jì)算，向被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā)出常規(guī) 敏感器測量數(shù)據(jù)，向三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4發(fā)出姿態(tài)和姿態(tài)角速度指令，同時(shí)向六自由度姿 態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3發(fā)出姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置速度指令。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型接收 被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā)出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令；目標(biāo)飛行器軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和追蹤飛 船軌道姿態(tài)動(dòng)力學(xué)依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果得到目標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌運(yùn)行 的相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)位置、相對(duì)姿態(tài)角速度和相對(duì)位置速度數(shù)據(jù)；常規(guī)敏感器測量模型依據(jù)目 標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌運(yùn)行的相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)位置、相對(duì)姿態(tài)角速度和相對(duì)位置速度數(shù) 據(jù)計(jì)算得到常規(guī)敏感器的理論測量輸出數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)臺(tái)控制器依據(jù)目標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌 運(yùn)行的相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)位置、相對(duì)姿態(tài)角速度和相對(duì)位置速度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到三自由度姿態(tài) 轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3各自的控制指令并對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。
三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4依據(jù)接收到的動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā)出的姿態(tài)和姿態(tài)角 速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，模擬目標(biāo)飛行器在軌運(yùn)行狀態(tài)。三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4的負(fù)載面上安裝有人 控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12和激光雷達(dá)合作目標(biāo)13，人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12具有正交十字交叉 機(jī)械結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)合作目標(biāo)13為激光光束反射裝置。 六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3依據(jù)接收到的動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā)出的姿態(tài)、姿
態(tài)角速度、位置和位置速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，模擬追蹤飛船在軌運(yùn)行狀態(tài)。六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)
3的負(fù)載面上安裝有人控電視攝像機(jī)6和激光雷達(dá)5，人控電視攝像機(jī)6拍攝的圖像畫面上
具有正交十字刻線，激光雷達(dá)5可向空間一定角度限制范圍內(nèi)發(fā)射激光光束。 在動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā)出的控制指令作用下，當(dāng)三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4模擬
的目標(biāo)飛行器與六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3模擬的追蹤飛船之間左右位置相對(duì)偏差和相對(duì)
姿態(tài)偏差均為零時(shí)，人控電視攝像機(jī)6拍攝圖像畫面上的正交十字刻線與圖像中人控電視
攝像機(jī)靶標(biāo)12的正交十字交叉機(jī)械機(jī)構(gòu)重合，人控電視攝像機(jī)6與人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12
之間的左右位置相對(duì)偏差和相對(duì)姿態(tài)偏差均為零，激光雷達(dá)5與激光雷達(dá)合作目標(biāo)13之間
的左右位置偏差為零。 試驗(yàn)過程當(dāng)中，人控電視攝像機(jī)6實(shí)時(shí)對(duì)人控電視攝像機(jī)耙標(biāo)12進(jìn)行攝像，并將 圖像實(shí)時(shí)傳送給人控電視攝像機(jī)圖像顯示器8。試驗(yàn)人員可通過對(duì)圖像中人控電視攝像機(jī) 6拍攝圖像畫面上的正交十字刻線與圖像中人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12的正交十字交叉機(jī)械機(jī)構(gòu)之間的相互位置關(guān)系，實(shí)時(shí)掌握三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4模擬的目標(biāo)飛行器與六自由度姿 態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3模擬的追蹤飛船之間左右位置相對(duì)偏差和相對(duì)姿態(tài)偏差信息。由于試驗(yàn)人員 通過對(duì)人控電視攝像機(jī)圖像的觀察難以準(zhǔn)確判斷三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4模擬的目標(biāo)飛行器 與六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3模擬的追蹤飛船之間相對(duì)縱向距離和相對(duì)縱向速度，因此需利 用激光雷達(dá)對(duì)此進(jìn)行專門測量。激光雷達(dá)5實(shí)時(shí)對(duì)激光雷達(dá)合作目標(biāo)13進(jìn)行跟蹤測量，并 響應(yīng)被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā)出的采樣信號(hào)，將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給被測人控交會(huì)對(duì)接 控制單元7。 被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7向激光雷達(dá)5發(fā)送一定時(shí)間間隔的采樣信號(hào)，接收 激光雷達(dá)5響應(yīng)采樣信號(hào)返回的測量數(shù)據(jù)、人控位置手柄11的電壓、人控姿態(tài)手柄10的電 壓、人控指令單元9的人控指令和動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā)出的常規(guī)敏感器測量數(shù)據(jù)，利 用被測人控交會(huì)對(duì)接控制律7計(jì)算得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令和人控電視攝像機(jī)圖像疊加信息。執(zhí) 行機(jī)構(gòu)指令發(fā)送給動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2，人控電視攝像機(jī)圖像疊加信息發(fā)送給人控電 視攝像機(jī)圖像顯示器8。 人控電視攝像機(jī)圖像顯示器8接收人控電視攝像機(jī)6實(shí)時(shí)傳送的圖像和被測人 控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā)出的人控電視攝像機(jī)圖像疊加信息，合成人控電視攝像機(jī)疊加圖 像。疊加圖像是指在原有的人控電視攝像6機(jī)對(duì)人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12實(shí)時(shí)拍攝的圖像畫 面邊緣，以文字、數(shù)學(xué)符號(hào)和數(shù)字相結(jié)合的形式顯示來自被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā) 出的疊加信息。疊加的信息可輔助試驗(yàn)人員更明確的實(shí)時(shí)掌握三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4模擬的 目標(biāo)飛行器與六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3模擬的追蹤飛船之間的相對(duì)位置、相對(duì)位置速度、 相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)姿態(tài)角速度。 人控位置手柄11具有前、后、左、右、上和下的六個(gè)自由度的操作極性，人控姿態(tài) 手柄10具有上、下、左、右、順時(shí)針和逆時(shí)針六個(gè)自由度的操作極性。試驗(yàn)人員通過對(duì)人控 電視攝像機(jī)圖像顯示器8上實(shí)時(shí)顯示的圖像進(jìn)行觀察，分別對(duì)人控位置手柄11和人控姿態(tài) 手柄10進(jìn)行操作，以達(dá)到對(duì)三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控 制。 在試驗(yàn)人員觀察人控電視攝像機(jī)圖像，并對(duì)人控位置手柄11和人控姿態(tài)手柄10 進(jìn)行操作，控制三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過程中，可通過 人控指令單元9向被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā)出相關(guān)人控指令，控制被測人控交會(huì)對(duì) 接控制律工作模式的切換。 如圖2所示，為三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3的工作示意圖。在 動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2的協(xié)同控制下，三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4可做三軸的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，模擬目 標(biāo)飛行器在軌的三軸姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3可做三軸的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，模擬追蹤 飛船在軌的三軸姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3還可做三軸的位置運(yùn)動(dòng)，模擬目 標(biāo)飛行器與追蹤飛船在軌的三軸相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)。
—、關(guān)鍵部件具體設(shè)計(jì)與實(shí)施
(1)三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4 三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4是一個(gè)具有負(fù)載盤面的固定于地面的三軸姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)，各軸轉(zhuǎn) 動(dòng)范圍為內(nèi)框±170° ，中框和外框±30° ，控制精度和動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿足相對(duì)測量敏感器精 度的指標(biāo)要求。
(2)六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3 六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3具有一個(gè)負(fù)載盤面，且由一個(gè)可做三維平動(dòng)的行車和 安裝在行車上的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)組成，具有三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，各軸轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為 內(nèi)框±170° ，中框和外框±30° ;平動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍橫向-alm +&2111，豎向-a3m +&4111，縱向0m a5m，其中al、a2、a3、a4和a5均為大于零的實(shí)數(shù)；控制精度和動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿 足相對(duì)測量敏感器精度指標(biāo)要求。
(3)動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2
>執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型
(a)姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型 忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟和關(guān)閉延遲，仿真中可采用如下模型
Fatti(t) =F0atti[I(t)-I(t-T)] 其中，F(xiàn)^i(t)表示姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際輸出；F。atti表示姿控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的標(biāo)稱推力 大?。? ( )表示階躍函數(shù)，T為噴氣指令脈沖的時(shí)間寬度。
(b)軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型 忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟和關(guān)閉延遲，仿真時(shí)可采用如下模型
F。bt(t) = (l+S)F0obt 其中，F(xiàn)。bt (t)表示軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際輸出；F。。bt表示軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的標(biāo)稱推力 大小；S為軌控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力控制精度。
>動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型
(a)軌道動(dòng)力學(xué)模型= - 其中，ii為地心引力常數(shù)。式子右邊第一項(xiàng)為地球中心引力加速度，第二項(xiàng)Fu為 航天器推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制力，第三項(xiàng)為其他外部攝動(dòng)力。
(b)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型x / =rc + rrf 其中，I為飛船的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量陣，"為飛船在慣性空間下的姿態(tài)角速度矢量，T。和Td 分別為控制力矩和干擾力矩。本發(fā)明中，T。主要是指噴氣力矩，Td包括氣動(dòng)力矩、重力梯度 力矩、太陽輻射壓力矩等。 該姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型為最簡單的剛體模型。對(duì)于本發(fā)明，由于控制精度要求高，因此
應(yīng)充分考慮太陽帆板對(duì)姿態(tài)的耦合影響。 >轉(zhuǎn)臺(tái)控制量計(jì)算模型 (a)根據(jù)試驗(yàn)初始條件確定三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4的轉(zhuǎn)角控制量仍，9 p ; (b)根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)安裝數(shù)據(jù)和(a)中計(jì)算的三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4轉(zhuǎn)角控制量計(jì)算目標(biāo)
飛行器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)控制坐標(biāo)系之間的相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)位置關(guān)系。 設(shè)計(jì)算得到的目標(biāo)飛行器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)臺(tái)控制坐標(biāo)系之間的方向余弦陣為
Qn，位置關(guān)系為AQ1 = [xQ1， yQ1， z。J 。 (c)根據(jù)(b)中計(jì)算得到的轉(zhuǎn)換關(guān)系，由動(dòng)力學(xué)輸出值可計(jì)算得到六自由度姿態(tài) 位置轉(zhuǎn)臺(tái)3的控制量，具體公式如下
7
設(shè)動(dòng)力學(xué)模型輸出的目標(biāo)飛行器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系與追蹤飛船動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系之間的 方向余弦陣為C^，位置關(guān)系為A21 = [x21， y21， z21]，則有(^2 = C^，C^ ， A。2 = AQ1+CQ1*A21，由 此得到六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3的控制量為C。2對(duì)應(yīng)的姿態(tài)角^， e2， ￥2，位置關(guān)系 2 =。 本節(jié)涉及到的坐標(biāo)系定義如下 (a)目標(biāo)飛行器動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系 其原點(diǎn)obl為目標(biāo)飛行器的質(zhì)心，oblxbl軸為目標(biāo)飛行器縱軸，指向目標(biāo)飛行器頭
部，OMyM軸沿目標(biāo)飛行器的橫向，垂直于縱軸，與目標(biāo)飛行器橫向的一個(gè)主慣量軸一致，
oMzbl軸與 〇blXbl、 OblYbl 軸構(gòu)成右手系。
(b)飛船動(dòng)力學(xué)坐標(biāo)系 其原點(diǎn)0132為飛船的質(zhì)心，01^2軸為飛船縱軸，指向飛船頭部，01^2軸沿飛船的橫 向，垂直于縱軸，與飛船橫向的一個(gè)主慣量軸一致，ob2zb2軸與ob2xb2、 ob2yb2軸構(gòu)成右手系。
(c)轉(zhuǎn)臺(tái)控制坐標(biāo)系ob3Xb3yb3zb3 三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4處于加電后零位狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)控制坐標(biāo)系原點(diǎn)ob3為三自由 度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4三個(gè)機(jī)械軸的交叉點(diǎn)，0133&3軸沿三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4的縱向機(jī)械軸，面向三 自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4裝有人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12—側(cè)看，視線方向?yàn)檎较?，Ob3yb3軸沿三自 由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4的水平機(jī)械軸，面向三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4裝有人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12 —側(cè)
看，視線方向右側(cè)為正，Ob3Zb3軸與
0b3Xb3、 Ob3Yb3 軸構(gòu)成右手系。
(4)被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7 被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7內(nèi)裝有被測人控交會(huì)對(duì)接控制律，被測人控交會(huì)對(duì)
接控制律為星上應(yīng)用程序，具有如下的工作模式人控交會(huì)對(duì)接正常工作模式、人控交會(huì)對(duì)
接正常撤離模式、人控交會(huì)對(duì)接緊急撤離模式等。被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7接收常規(guī)
測量敏感器的測量數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)、人控位置手柄電壓、人控姿態(tài)手柄電壓和人控
指令，輸出計(jì)算得到的人控交會(huì)對(duì)接的接近、對(duì)接和撤離等各階段的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令，并將計(jì)
算得到的相關(guān)圖像疊加信息輸送給人控電視攝像機(jī)圖像顯示器8。執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令發(fā)送給動(dòng)
力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2作為相關(guān)計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)。 二、工作流程 本發(fā)明系統(tǒng)的工作流程如下 (1)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，依據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)試驗(yàn)起始條件，即設(shè)計(jì)三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4 起始時(shí)刻的三軸姿態(tài)角和三軸姿態(tài)角速度；設(shè)計(jì)六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3起始時(shí)刻的三軸 姿態(tài)角、三軸姿態(tài)角速度、三軸位置和三軸位置速度； (2)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，對(duì)人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)組成部分在確認(rèn)安 全的前提下進(jìn)行加電操作，使其進(jìn)入正常工作模式； (3)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，通過試驗(yàn)總控單元l向動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā)出試驗(yàn)開始 指令，動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2依據(jù)試驗(yàn)開始指令和流程設(shè)計(jì)的起始條件，對(duì)三自由度姿 態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3同時(shí)進(jìn)行控制。三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài) 位置轉(zhuǎn)臺(tái)3的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息返回給動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2 ; (4)試驗(yàn)開始階段，動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2接收三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度 姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3返回的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。當(dāng)判斷三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3同時(shí)達(dá)到要求的試驗(yàn)起始條件時(shí)，啟動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型開始計(jì)算。此時(shí)三自由度姿態(tài) 轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3在動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果的控制下開始各自運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)正 式開始； (5)試驗(yàn)過程階段，三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3各自運(yùn)動(dòng)過程 中，試驗(yàn)流程如下 >人控電視攝像機(jī)6實(shí)時(shí)對(duì)人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)12進(jìn)行攝像并生成更新圖像，該 更新圖像實(shí)時(shí)傳送到人控電視攝像機(jī)圖像顯示器8中； >激光雷達(dá)5實(shí)時(shí)對(duì)激光雷達(dá)合作目標(biāo)13進(jìn)行跟蹤測量并生成更新測量數(shù)據(jù)，該 更新測量數(shù)據(jù)在被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7發(fā)出的采樣信號(hào)驅(qū)動(dòng)下傳送給被測人控交 會(huì)對(duì)接控制單元7 ; >被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7在一個(gè)計(jì)算周期(計(jì)算周期長度為T0秒)結(jié)束
時(shí)，將本計(jì)算周期內(nèi)計(jì)算得到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令發(fā)送給動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2 ;
>動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2依據(jù)接收到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令，一個(gè)計(jì)算周期(計(jì)算周 期長度為Tl秒，Tl < T0)內(nèi)持續(xù)以T2(T2 = Tl/n， n為自然數(shù)，n可根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)最大動(dòng)態(tài)響 應(yīng)能力適當(dāng)選取)的時(shí)間間隔同時(shí)控制三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將每個(gè)T2時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算得到的常規(guī)敏感器測量數(shù)據(jù)發(fā)送給被測人控交會(huì) 對(duì)接控制單元7 ; >試驗(yàn)人員通過對(duì)人控電視攝像機(jī)圖像顯示器8顯示的人控交會(huì)對(duì)接圖像的觀 察，對(duì)人控位置手柄11和人控姿態(tài)手柄10進(jìn)行操作，根據(jù)需要向人控指令單元9發(fā)送人控 指令。人控位置手柄電壓、人控姿態(tài)手柄電壓和人控指令實(shí)時(shí)傳送給被測人控交會(huì)對(duì)接控 制單元7 ; >被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7在下一個(gè)計(jì)算周期內(nèi)，依據(jù)接收到的常規(guī)敏感器 測量數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)、人控位置手柄電壓、人控姿態(tài)手柄電壓和人控指令，生成最 新的圖像疊加信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令。并在該計(jì)算周期結(jié)束時(shí)將生成最新的圖像疊加信息傳 送給人控電視攝像機(jī)圖像顯示器8，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令傳送給動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2 ;
>人控電視攝像機(jī)圖像顯示器8利用實(shí)時(shí)拍攝的人控電視攝像機(jī)圖像和最新的疊 加信息合成人控交會(huì)對(duì)接圖像，并顯示在屏幕上供試驗(yàn)人員觀察。試驗(yàn)人員可根據(jù)需要對(duì) 人控位置手柄11、人控姿態(tài)手柄10和人控指令單元9進(jìn)行操作； >動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2依據(jù)接收到的最新執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令，在下一個(gè)計(jì)算周期 內(nèi)完成仿真計(jì)算、對(duì)三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4及六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3的控制和常規(guī)敏感器 測量數(shù)據(jù)向被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元7的發(fā)送。 (6)試驗(yàn)結(jié)束階段，試驗(yàn)完成后，由試驗(yàn)總控單元1向動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā) 出試驗(yàn)結(jié)束指令。動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2接收到結(jié)束指令后停止動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，停止三 自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)4的驅(qū)動(dòng)和六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)3的驅(qū)動(dòng)。此時(shí)試驗(yàn)停止，等待試驗(yàn)總 控單元1再次向動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元2發(fā)出試驗(yàn)開始指令。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)、六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)(3)、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)(4)、激光雷達(dá)(5)、人控電視攝像機(jī)(6)、被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元(7)、人控電視攝像機(jī)圖像顯示器(8)、人控指令單元(9)、人控姿態(tài)手柄(10)、人控位置手柄(11)、人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)(12)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)(13)；人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)(12)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)(13)安裝在三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)(4)上，激光雷達(dá)(5)、人控電視攝像機(jī)(6)安裝在六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)(3)上；其中，動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)接收被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元(7)發(fā)出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令，根據(jù)所述指令進(jìn)行目標(biāo)飛行器和追蹤飛船姿態(tài)和軌道動(dòng)力學(xué)仿真，得到目標(biāo)飛行器與追蹤飛船之間的相對(duì)位置、相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)位置速度和相對(duì)姿態(tài)角速度，將目標(biāo)飛行器的姿態(tài)和姿態(tài)角速度通過指令送至三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)(4)，將追蹤飛船的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置速度通過指令送至六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)(3)，同時(shí)獲取六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)(3)和三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)(4)實(shí)時(shí)返回的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息；六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)(3)根據(jù)動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)發(fā)出的姿態(tài)、姿態(tài)角速度、位置和位置速度指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，模擬追蹤飛船的在軌運(yùn)行狀態(tài)；三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)(4)根據(jù)動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)發(fā)出的姿態(tài)和姿態(tài)角速度指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，模擬目標(biāo)飛行器的在軌運(yùn)行狀態(tài)；人控電視攝像機(jī)(6)實(shí)時(shí)對(duì)人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)(12)進(jìn)行攝像，并將圖像實(shí)時(shí)傳送給人控電視攝像機(jī)圖像顯示器(8)，供試驗(yàn)人員觀察使用；激光雷達(dá)(5)實(shí)時(shí)對(duì)激光雷達(dá)合作目標(biāo)(13)進(jìn)行跟蹤測量，并將測量數(shù)據(jù)送至被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元(7)；被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元(7)從動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)接收常規(guī)敏感器測量數(shù)據(jù)，接收試驗(yàn)人員對(duì)人控姿態(tài)手柄(10)的操作產(chǎn)生的電壓，接收試驗(yàn)人員對(duì)人控位置手柄(11)的操作產(chǎn)生的電壓，接收激光雷達(dá)(5)的測量數(shù)據(jù)，接收試驗(yàn)人員通過人控指令單元(9)發(fā)送的人控指令，利用被測的人控交會(huì)對(duì)接控制律計(jì)算得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令和人控電視攝像機(jī)圖像的疊加信息；將執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令送至動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)，將人控電視攝像機(jī)圖像的疊加信息送至人控電視攝像機(jī)圖像顯示器(8)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于還包括試 驗(yàn)總控單元(l)，用于向動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元(2)發(fā)出指令，控制試驗(yàn)的開始和結(jié)束。
全文摘要
人控交會(huì)對(duì)接半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，由試驗(yàn)總控單元、三自由度姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)、六自由度姿態(tài)位置轉(zhuǎn)臺(tái)、動(dòng)力學(xué)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制單元、人控電視攝像機(jī)、人控電視攝像機(jī)靶標(biāo)、激光雷達(dá)、激光雷達(dá)合作目標(biāo)、人控指令單元、人控位置手柄、人控姿態(tài)手柄、被測人控交會(huì)對(duì)接控制單元和人控電視攝像機(jī)圖像顯示器等組成，能夠?qū)θ丝亟粫?huì)對(duì)接的控制律和相關(guān)操作過程進(jìn)行大量、多方位的試驗(yàn)驗(yàn)證。同數(shù)學(xué)仿真相比，該系統(tǒng)可使被測人控交會(huì)對(duì)接控制律和相關(guān)操作過程得到更真實(shí)有效的驗(yàn)證，而與全實(shí)物仿真系統(tǒng)相比又具有研制費(fèi)用低、簡單易行等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G09B19/16GK101794527SQ20091024327
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者唐寧, 張昊, 涂俊峰, 石磊, 管樂鑫, 胡軍, 胡海霞, 解永春 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所