本發(fā)明涉及一種交會對接全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)及方法，具體在雙六自由度氣浮平臺模擬太空失重環(huán)境下的交會對接全物理閉環(huán)試驗方法。

背景技術：

1、空間交會對接任務需要飛行器完成與目標星的零距離逼近停靠，交會對接末端需要進行相對姿態(tài)和相對軌道的控制，尤其針對采用交會對接主被動端抱爪這種對接機制的飛行器，其抱爪容差相比于機械臂機制的飛行器要小很多，對飛行器提出了高精度、高穩(wěn)定度的相對姿態(tài)和相對軌道的控制需求。在gnc方案設計上，需要在高精度、高穩(wěn)定度的控制與整個系統(tǒng)的魯棒性之間進行權衡。為了交會對接任務的安全，需要對gnc軟件進行充分的考驗驗證。

2、相比于加表組合和微光纖陀螺等成熟的慣性測量產(chǎn)品，超近程跟瞄單機需要完成高精度、高動態(tài)的相對位置和相對姿態(tài)測量，產(chǎn)品研制難度較大，地面需要對產(chǎn)品的功能性能進行試驗驗證，同時需要將產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)接入gnc控制系統(tǒng)的閉環(huán)，對超近程跟瞄單機與gnc控制系統(tǒng)的匹配性進行地面驗證。gnc的半物理閉環(huán)仿真系統(tǒng)無法將超近程跟瞄單機針對真實合作靶標的測量數(shù)據(jù)引入閉環(huán)，通常只能通過單機的地測接口進行動力學數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)或者通過接目標電模擬器的方式進行半物理閉環(huán)。同時由于半物理閉環(huán)仿真系統(tǒng)是通過動力學來驅(qū)動，質(zhì)量、慣量、噴氣模擬的準確度及gnc控制策略的可靠度也亟待進一步驗證。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的技術解決問題是：針對目前技術的不足，提供了一種交會對接全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)及方法，采用雙六自由度氣浮平臺模擬太空失重環(huán)境，將真實產(chǎn)品的實際測量數(shù)據(jù)引入gnc控制系統(tǒng)的閉環(huán)，解決了現(xiàn)有gnc半物理仿真系統(tǒng)無法對產(chǎn)品的功能性能進行全面驗證的問題。通過準確的質(zhì)量、慣量及噴氣的模擬，達到對gnc軟件控制策略的充分驗證。

2、本發(fā)明采用的技術解決方案是：

3、一方面，本發(fā)明提出了一種交會對接全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)，包括：星上產(chǎn)品和地面設備；所述星上產(chǎn)品包括：中心控制單元、交會對接抱爪、超近程跟瞄單機、合作靶標、加表組合和微光纖陀螺；所述地面設備包括：兩個六自由度氣浮試驗平臺、推進等效推力器設備、模擬數(shù)管計算機、遙測顯示終端計算機以及數(shù)據(jù)庫；

4、兩個六自由度氣浮試驗平臺分別為飛行器氣浮試驗平臺和目標星氣浮試驗平臺，分別用于模擬太空交會對接失重環(huán)境下的飛行器及目標星；其中，飛行器氣浮試驗平臺上安裝有中心控制單元、交會對接抱爪主動端、超近程跟瞄單機、加表組合、微光纖陀螺和推進等效推力器設備；目標星氣浮試驗平臺上安裝有交會對接抱爪被動端和合作靶標；

5、交會對接抱爪包括交會對接主動端和被動端，其中交會對接抱爪主動端接收gnc的指令，進行張開和閉合，與交會對接抱爪被動端抱爪配合，完成飛行器與目標星的對接；

6、超近程跟瞄單機由遠近場相機和交會雷達組成，與合作靶標配合，完成相對位置和相對姿態(tài)的測量，測量結(jié)果作為gnc相對導航解算的輸入；

7、加表組合和微光纖陀螺分別用來對飛行器加速度及角速度進行測量，測量結(jié)果作為gnc控制的解算輸入；

8、中心控制單元運行gnc軟件，負責其他星上產(chǎn)品數(shù)據(jù)的采集、進行相對導航控制的計算，最終將得到的噴氣脈寬發(fā)送給推進等效推力器設備執(zhí)行；

9、推進等效推力器設備用于代替真實推力器，通過閥門的開關，執(zhí)行gnc輸出的噴氣脈寬，將自身攜帶的氮氣噴出，產(chǎn)生相應的控制力及控制力矩；

10、模擬數(shù)管計算機將地面上注的遙控指令發(fā)送至中心控制單元執(zhí)行，同時對中心控制單元中gnc軟件發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)進行解包，并將解包后的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫進行保存；

11、遙測顯示終端計算機從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，實時顯示及事后回放遙測數(shù)據(jù)，對整個全物理閉環(huán)測試系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)測。

12、進一步的，所述交會對接抱爪主動端、超近程跟瞄單機、加表組合和微光纖陀螺均按照真實布局關系安裝在模擬飛行器的飛行器氣浮試驗平臺上，飛行器氣浮試驗平臺按照飛行器真實質(zhì)量和慣量進行設置，確保全物理閉環(huán)試驗狀態(tài)與實際一致。

13、進一步的，所述交會對接抱爪被動端、合作靶標按照真實布局關系安裝在模擬目標星的目標星氣浮試驗平臺上，推進等效推力器設備按照飛行器推力器布局安裝在模擬飛行器的飛行器氣浮試驗平臺上。

14、第二方面，本發(fā)明還提出一種交會對接全物理閉環(huán)試驗方法，包括如下步驟：

15、s1、搭建全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)；

16、s2、星上產(chǎn)品及地面設備上電運行；

17、s3、產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)接入全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)：中心控制單元接收單機輸出的數(shù)據(jù)，進行相對導航及控制的計算，將輸出的噴氣脈寬發(fā)送給推進等效推力器設備執(zhí)行，驅(qū)動模擬飛行器的氣浮試驗平臺位置和姿態(tài)的運動，完成交會對接任務；

18、s4、通過遙測顯示終端計算機對中心控制單元gnc軟件輸出的飛行器軌道、姿態(tài)及噴氣數(shù)據(jù)遙測值進行判讀，對交會對接全物理閉環(huán)試驗進行評價。

19、進一步的，搭建全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)時，

20、交會對接抱爪主動端、超近程跟瞄單機、加表組合、微光纖陀螺及推進等效推力器設備按照真實布局關系安裝在飛行器氣浮試驗平臺上；連接交會對接抱爪主動端、超近程跟瞄單機、加表組合和微光纖陀螺與中心控制單元之間的異步422線纜；將交會對接抱爪被動端、合作靶標按照真實布局關系安裝在目標星氣浮試驗平臺上；飛行器氣浮試驗平臺按照飛行器真實質(zhì)量和慣量來設置，確保全物理閉環(huán)試驗狀態(tài)與實際一致；目標星氣浮試驗平臺靜止不動，移動飛行器氣浮試驗平臺至初始位置。

21、進一步的，所述星上產(chǎn)品及地面設備上電運行，具體為：

22、運行數(shù)據(jù)庫、遙測顯示終端計算機和模擬數(shù)管計算機的相應程序，使得遙測顯示終端計算機獲取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，并進行顯示；

23、中心控制單元上電，gnc軟件初始化運行；超近程跟瞄單機和合作靶標上電，超近程跟瞄單機輸出相對位置和相對姿態(tài)測量值；加表組合和微光纖陀螺上電，測量飛行器的加速度和角速度；交會對接主動端抱爪上電，準備接收gnc發(fā)送的閉合指令并執(zhí)行；推進等效推力器設備上電，準備接收并執(zhí)行gnc發(fā)送的噴氣脈寬。

24、進一步的，所述產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)接入全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)，具體為：

25、中心控制單元接收超近程跟瞄單機、加表組合和微光纖陀螺的數(shù)據(jù)，進行相對導航和控制的計算，將得到的噴氣脈寬發(fā)送給推進等效推力器設備；推進等效推力器設備通過閥門的開關，執(zhí)行gnc輸出的噴氣脈寬，將自身攜帶的氮氣噴出，產(chǎn)生相應的控制力及控制力矩，通過飛行器氣浮試驗平臺位置和姿態(tài)的運動，實現(xiàn)對飛行器與目標星相對位置和相對姿態(tài)進行控制；當相對位置、速度、角度和角速度滿足交會對接條件后，gnc發(fā)送交會對接抱爪主動端閉合指令，交會對接抱爪主動端與交會對接抱爪被動端鎖緊連接，完成交會對接任務。

26、進一步的，所述對交會對接全物理閉環(huán)試驗進行評價，具體為：評價包括相對姿態(tài)控制控制精度、相對軌道控制精度及確定燃料消耗量。

27、中心控制單元gnc軟件輸出的控制姿態(tài)角和控制姿態(tài)角速度用來評價相對姿態(tài)的控制精度，輸出的編隊位置速度與相對導航的位置速度差值用來評價相對軌道控制的精度；通過遙測數(shù)據(jù)中的相應參數(shù)確定燃料消耗量。

28、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：

29、(1)本發(fā)明利用雙六自由度氣浮平臺，對太空交會對接的失重環(huán)境進行了模擬，使得地面試驗更接近于真實在軌情況。

30、(2)本發(fā)明利用真實超近程跟瞄單機對真實合作靶標產(chǎn)品進行相對位置和相對姿態(tài)的測量，對單機產(chǎn)品的功能性能進行了充分的驗證，并將超近程跟瞄單機的實際測量數(shù)據(jù)引入全物理閉環(huán)試驗系統(tǒng)，充分驗證了超近程跟瞄單機與gnc軟件的匹配性。

31、(3)本發(fā)明通過推進等效推力器設備實現(xiàn)對六自由度氣浮平臺相對位置和相對姿態(tài)的驅(qū)動控制，結(jié)合星上產(chǎn)品測量及gnc軟件控制策略的計算，實現(xiàn)了交會對接全物理的閉環(huán)試驗。通過準確的質(zhì)量、慣量及噴氣的模擬，達到對gnc軟件的充分驗證。

32、(4)本發(fā)明可應用于交會對接全物理閉環(huán)試驗，試驗系統(tǒng)簡單、試驗方法流程清晰，易于實踐且可以進行性能的定量評估，具有一定的推廣價值。