一種地面驗(yàn)證系統(tǒng)及追蹤航天器的軌跡規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可機(jī)動逃逸航天器抓捕與回收研究領(lǐng)域，具體涉及一種地面驗(yàn)證系統(tǒng) 及追蹤航天器的軌跡規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器的用途更加廣泛，隨之而來的，失控航天器回收成為 研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其中，對失控航天器進(jìn)行抓捕是有效的解決手段。在實(shí)施抓捕過程中，目 標(biāo)航天器處于失控狀態(tài)，可能會出現(xiàn)自機(jī)動的現(xiàn)象，所以追蹤航天器相對于機(jī)動目標(biāo)接近 的軌跡規(guī)劃問題是研究的重點(diǎn)，同時(shí)也是控制、導(dǎo)航等分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。然而常規(guī)的航天 器軌跡規(guī)劃多是針對于合作目標(biāo)的，缺乏對目標(biāo)機(jī)動問題的考慮，這顯然不適用于問題的 解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種地面驗(yàn)證系統(tǒng)及追蹤航天器的軌跡規(guī)劃方法，具有機(jī) 動目標(biāo)路徑預(yù)測及避障功能，并且燃料消耗較優(yōu)，接近時(shí)間短。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特點(diǎn) 是，包含：
[0005] 數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元，其輸入端用于輸入系統(tǒng)輸入量；
[0006] 視覺測量算法單元，其輸入端與所述數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元的輸出端連接；
[0007] 追蹤航天器動力學(xué)與控制單元，其輸入端與所述數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元的輸出 端連接；
[0008] 追蹤航天器路徑規(guī)劃單元，其輸入端分別與所述數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元、視覺 測量算法單元及追蹤航天器動力學(xué)與控制單元的輸出端連接；
[0009] 顯示單元，其輸入端分別與追蹤航天器動力學(xué)與控制單元及追蹤航天器路徑規(guī)劃 單元的輸出端連接；其中
[0010] 所述的追蹤航天器動力學(xué)與控制單元與追蹤航天器路徑規(guī)劃單元之間的傳輸鏈 路為雙向傳輸鏈路；
[0011] 所述的顯示單元用于顯示追蹤航天器規(guī)劃和實(shí)際位置與姿態(tài)。
[0012] 所述的地面驗(yàn)證系統(tǒng)還包含一機(jī)動目標(biāo)軌跡預(yù)測單元，所述的機(jī)動目標(biāo)軌跡預(yù)測 單元的輸入端與所述視覺測量算法單元的輸出端連接，輸出端與所述追蹤航天器路徑規(guī)劃 單元的輸入端連接。
[0013] 所述的系統(tǒng)輸入量包含追蹤航航天器的初始位置與姿態(tài)信息、目標(biāo)航天器的位置 與姿態(tài)信息、機(jī)動信息及空間約束選擇信息。
[0014] 所述的追蹤航天器路徑規(guī)劃單元中包含一避障模塊。
[0015] -種追蹤航天器的軌跡規(guī)劃方法，用于合作目標(biāo)接近與抓捕過程中，其特點(diǎn)是，包 含以下步驟：
[0016] 在數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中輸入追蹤航航天器的初始位置與姿態(tài)信息、目標(biāo)航 天器的位置與姿態(tài)信息及空間約束選擇信息；
[0017] 視覺測量算法單元對數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中的目標(biāo)航天器的位置與姿態(tài)信 息進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)航天器的初始位置與初始姿態(tài)測量信息；
[0018] 追蹤航天器動力學(xué)與控制單元對數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中的追蹤航航天器的 初始位置與姿態(tài)信息進(jìn)行處理，獲得追蹤航天器的位置與姿態(tài)信息；
[0019] 追蹤航天器路徑規(guī)劃單元根據(jù)目標(biāo)航天器的初始位置與初始姿態(tài)測量信息、追蹤 航天器的位置與姿態(tài)信息及空間約束選擇信息，獲得追蹤航天器最優(yōu)規(guī)劃路徑；
[0020] 追蹤航天器動力學(xué)與控制單元根據(jù)追蹤航天器最優(yōu)運(yùn)動路徑，控制追蹤航天器按 照最優(yōu)規(guī)劃路徑進(jìn)行運(yùn)動；
[0021] 將追蹤航天器最優(yōu)規(guī)劃路徑及追蹤航天器的運(yùn)動路徑在顯示單元上顯示。
[0022] -種追蹤航天器的軌跡規(guī)劃方法，用于機(jī)動目標(biāo)接近與抓捕過程中，其特點(diǎn)是，包 含以下步驟：
[0023] 在數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中輸入追蹤航航天器的初始位置與姿態(tài)信息、目標(biāo)航 天器的位置與姿態(tài)信息、機(jī)動信息及空間約束選擇信息；
[0024] 視覺測量算法單元采用預(yù)設(shè)測量算法對數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中的目標(biāo)航天 器的位置與姿態(tài)信息進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)航天器的初始位置與初始姿態(tài)測量信息；
[0025] 追蹤航天器動力學(xué)與控制單元對數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中的追蹤航航天器的 初始位置與姿態(tài)信息進(jìn)行處理，獲得追蹤航天器的位置與姿態(tài)信息；
[0026] 機(jī)動目標(biāo)軌跡預(yù)測單元采用預(yù)設(shè)預(yù)測算法對數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中的機(jī)動 信息進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)逃逸路徑預(yù)測信息；
[0027] 追蹤航天器路徑規(guī)劃單元采用預(yù)設(shè)規(guī)劃算法對目標(biāo)航天器的初始位置與初始姿 態(tài)測量信息、追蹤航天器的位置與姿態(tài)信息、目標(biāo)逃逸路徑預(yù)測信息及空間約束選擇信息 進(jìn)行處理，獲得追蹤航天器最優(yōu)規(guī)劃路徑；
[0028] 追蹤航天器動力學(xué)與控制單元根據(jù)追蹤航天器最優(yōu)運(yùn)動路徑，控制追蹤航天器按 照最優(yōu)規(guī)劃路徑進(jìn)行運(yùn)動；
[0029] 將追蹤航天器規(guī)劃和實(shí)際位置與姿態(tài)，在顯示單元上顯示出來。
[0030] 所述的預(yù)設(shè)測量算法為視覺測量加慣性敏感器修正的方法。
[0031] 所述的預(yù)設(shè)預(yù)測算法為EKF算法。
[0032] 所述的預(yù)設(shè)規(guī)劃算法為基于導(dǎo)航點(diǎn)的多脈沖軌跡規(guī)劃算法。
[0033] 本發(fā)明一種機(jī)動目標(biāo)接近規(guī)劃算法及其地面驗(yàn)證系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下 優(yōu)點(diǎn)：適用性更強(qiáng)，不僅可以用于空間碎片等不可機(jī)動目標(biāo)的抓捕與回收，還可以用于失控 航天器等可機(jī)動目標(biāo)的抓捕與回收；約束考慮更加全面，對于空間環(huán)境因素的影響考慮的 更加全面，包括避障問題、燃料消耗最優(yōu)問題、機(jī)動時(shí)間最短問題等。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明一種地面驗(yàn)證系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖2為視覺測量算法單元的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0037] 如圖1所示，一種地面驗(yàn)證系統(tǒng)，包含：數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元100,其輸入端用 于輸入系統(tǒng)輸入量；視覺測量算法單元200,其輸入端與所述數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元100 的輸出端連接；追蹤航天器動力學(xué)與控制單元300,其輸入端與所述數(shù)據(jù)輸入與約束選擇 單元100的輸出端連接；追蹤航天器路徑規(guī)劃單元400,其輸入端分別與所述數(shù)據(jù)輸入與約 束選擇單元100、視覺測量算法單元200及追蹤航天器動力學(xué)與控制單元300的輸出端連 接；顯示單元500,其輸入端分別與追蹤航天器動力學(xué)與控制單元300及追蹤航天器路徑規(guī) 劃單元400的輸出端連接；其中，所述的追蹤航天器動力學(xué)與控制單元300與追蹤航天器路 徑規(guī)劃單元100之間的傳輸鏈路為雙向傳輸鏈路；所述的顯示單元500用于顯示追蹤航天 器規(guī)劃和實(shí)際位置與姿態(tài)。
[0038] 在本實(shí)施例中，較佳地，所述的地面驗(yàn)證系統(tǒng)，還包含一機(jī)動目標(biāo)軌跡預(yù)測單元 600,所述的機(jī)動目標(biāo)軌跡預(yù)測單元600的輸入端與所述視覺測量算法單元200的輸出端連 接，輸出端與所述追蹤航天器路徑規(guī)劃單元400的輸入端連接；優(yōu)選地，各組件之間通過接 口單元連接在一起。
[0039] 在本實(shí)施例中，所述的系統(tǒng)輸入量包含追蹤航航天器的初始位置與姿態(tài)信息、目 標(biāo)航天器的位置與姿態(tài)信息、機(jī)動信息及空間約束選擇信息。
[0040] 在本實(shí)施例中，較佳地，所述的追蹤航天器路徑規(guī)劃單元500中包含一避障模塊， 防止出現(xiàn)在最優(yōu)的規(guī)劃路徑上出現(xiàn)障礙物，導(dǎo)致追蹤航天器損壞。
[0041] 在本過程中，視覺測量算法單元始終處于工作狀態(tài)，視覺測量算法單元不僅僅用 來確定目標(biāo)航天器的位置與姿態(tài)，還負(fù)責(zé)測量在航天器的運(yùn)動軌道上是否存在障礙物。假 如航天器的運(yùn)動軌跡上不存在障礙物，那么按照最優(yōu)規(guī)劃路徑進(jìn)行運(yùn)動；如果存在障礙物， 那么將航天器的運(yùn)動軌跡分為多個(gè)階段；第一階段，按照規(guī)劃的最優(yōu)軌跡運(yùn)動，當(dāng)遇到障礙 物的時(shí)候，航天器運(yùn)動停止。加入約束條件：存在障礙物的視場范圍為不可運(yùn)動區(qū)域。利用 最優(yōu)規(guī)劃方法，重新進(jìn)行軌跡規(guī)劃，直到到達(dá)目標(biāo)位置與姿態(tài)。
[0042] 結(jié)合上述的地面驗(yàn)證系統(tǒng)，本發(fā)明還公開了一種追蹤航天器的軌跡規(guī)劃方法，用 于合作目標(biāo)接近與抓捕過程中（地面驗(yàn)證系統(tǒng)中不包含機(jī)動目標(biāo)軌跡預(yù)測單元），包含以 下步驟：
[0043] 在數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中輸入追蹤航航天器的初始位置與姿態(tài)信息、目標(biāo)航 天器的位置與姿態(tài)信息及空間約束選擇信息；
[0044] 視覺測量算法單元對數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中的目標(biāo)航天器的位置與姿態(tài)信 息進(jìn)行處理，獲得目標(biāo)航天器的初始位置與初始姿態(tài)測量信息；
[0045] 追蹤航天器動力學(xué)與控制單元對數(shù)據(jù)輸入與約束選擇單元中的追蹤航航天器的 初始位置與姿態(tài)信息進(jìn)行處理，獲得追蹤航天器的位置與姿態(tài)信息；
[0046] 追蹤航天器路徑規(guī)劃單元根據(jù)目標(biāo)航天器的初始位置與初始姿態(tài)測量信息、追蹤 航天器的位置與姿態(tài)信息及空間約束選擇信息，獲得追蹤航天器最優(yōu)規(guī)劃路徑；
[0047] 追蹤航天器動力學(xué)與控制單元根據(jù)追蹤航天器最優(yōu)運(yùn)動路徑，控制追蹤航天器按 照最優(yōu)規(guī)劃路徑進(jìn)行運(yùn)動；
[0048] 將追蹤航天器最優(yōu)規(guī)劃路徑及追蹤航天器的運(yùn)動路徑在顯示單元上顯示。
[0049] 結(jié)合上述的地面驗(yàn)證系統(tǒng)，本發(fā)明還公開了一種追蹤航天器的軌跡規(guī)