超近距離的高精度相對位置保持控制方法
【專利摘要】本發(fā)明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?？康南鄬?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】超近距離的高精度相對位置保持控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器在軌與另外一個航天器進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。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器在空間進行交會，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，進行相對位置和相對姿態(tài)導(dǎo)航，然后進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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超近距離的高精度相對位置保持控制方法，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。
[0004]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:超近距離的高精度相對位置保持控制方法，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:
[0005](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；
[0006](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；
[0007](3)對步驟(2)中轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進行濾波，得到追蹤器相對于目標(biāo)器的相對位置和相對速度；
[0008](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。
[0009]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行控制。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0011](I)本發(fā)明把相對坐標(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)，可以擴展應(yīng)用到非合作目標(biāo)的相對導(dǎo)航和控制中O
[0012](2)本發(fā)明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。
[0013](3)本發(fā)明中追蹤星采用絕對姿態(tài)進行控制，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。
[0014](4)本發(fā)明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】
[0015]圖1為本發(fā)明控制方法流程圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的控制結(jié)果-滾動角曲線圖
[0017]圖3為本發(fā)明的控制結(jié)果-俯仰角曲線圖
[0018]圖4為本發(fā)明的控制結(jié)果-偏航角曲線圖
[0019]圖5為本發(fā)明的控制結(jié)果-X軸相對位置曲線圖
[0020]圖6為本發(fā)明的控制結(jié)果_y軸相對位置曲線圖
[0021]圖7為本發(fā)明的控制結(jié)果-Z軸相對位置曲線圖
【具體實施方式】
[0022]為了更清楚的理解本發(fā)明，首先對本發(fā)明中涉及的坐標(biāo)系進行說明:
[0023]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。
[0024]光學(xué)成像敏感器(相機)測量坐標(biāo)系:坐標(biāo)系原點O為相機的主點,相機光軸方向為+X。方向，從相機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。
[0025]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。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明超近距離的高精度相對位置保持控制方法，包括追蹤器姿態(tài)控制和相對位置控制兩部分；
[0027](一 )追蹤器姿態(tài)控制
[0028]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)信息進行相對姿態(tài)控制，一種是采用追蹤器的絕對姿態(tài)進行控制。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。
[0029]( 二)相對位置控制
[0030]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。
[0031]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行預(yù)報，然后進行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。
[0032]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:
[0033](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；
[0034]姿態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
【權(quán)利要求】
1.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^軸,指向軌道角速 度的反方向，OrXr軸與O1^Zp 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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超近距離的高精度相對位置保持控制方法，其特征在于: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行控制。
【文檔編號】B64G1/24GK103950555SQ201410163218
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】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 申請人:北京控制工程研究所