空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，包括模拟服务航天器，模拟目标航天器，微重力模拟气浮平台和模拟地面控制站；模拟服务航天器和模拟目标航天器运行在微重力模拟气浮平台上，模拟服务航天器和模拟目标航天器通过无线通信与模拟地面控制进行通信；模拟服务航天器用于模拟具有在轨操作和服务能力的航天器，模拟目标航天器用于模拟具有在轨故障的航天器。本发明专利技术能够模拟在轨逼近和在轨抓捕，以及具有自动和人在回路等多种控制模式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天器动力学与控制领域，具体说涉及一种航天器在轨故障解除地面模拟实验系统。
技术介绍
空间在轨故障解除是在轨服务的重要内容之一，但是直接开展在轨实验需要耗费大量人力物力，而且存在较高风险，因为需要充分开展空间在轨故障解除地面模拟实验。空间在轨操作地面模拟系统根据微重力模拟方式可以分为基于自由落体运动的微重力模拟系统、基于抛物线飞行的微重力模拟系统、水浮实验系统、吊丝配重实验系统和平面气浮式实验系统几种。其中基于自由落体运动的微重力模拟系统和基于抛物线飞行的微重力模拟系统的实验时间短、实验产品外形尺寸受模拟系统的限制；水浮实验系统中空间机器人原型样机不能直接在水浮系统上进行测试，必须进行专门的设计以避免受到水下环境的影响，以及水的阻力以及惯量会改变空间机器人的动力学特性；吊丝配重实验系统的重力补偿精度不够高，难以辨识悬吊系统的动摩擦力并在其控制系统中准确补偿，以及由于空间机器人和悬吊系统之间存在耦合振动，可能使得整个系统不稳定。而平面气浮式实验系统的实验时间不受限制，可靠性及鲁棒性高，以及对实验件的结构没有太多限制，是目前使用最广泛的空间操作地面模拟方式。但是公开报道的平面气浮式实验系统中，有的只对机械臂本身进行重力抵消，有的仅有服务航天器而没有目标航天器，控制方式也相对比较单一，不具备模拟在轨逼近和在轨抓捕多种功能，不能较真实地模拟在轨故障，以及没有自动和人在回路等多种控制模式。
技术实现思路
针对已有实验系统功能简单和控制方式单一的不足，本专利技术提出了一种空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，能够模拟在轨逼近和在轨抓捕，以及具有自动和人在回路等多种控制模式。本专利技术的技术方案是：一种空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，包括模拟服务航天器，模拟目标航天器，微重力模拟气浮平台和模拟地面控制站；模拟服务航天器和模拟目标航天器运行在微重力模拟气浮平台上，模拟服务航天器和模拟目标航天器通过无线通信与模拟地面控制进行通信；模拟服务航天器用于模拟具有在轨操作和服务能力的航天器，其通过测量模拟目标航天器之间的相对位姿，实现模拟服务航天器向模拟目标航天器的自主逼近和交会对接，并以自主或遥控操作的方式对模拟目标航天器实施在轨故障解除操作；模拟目标航天器用于模拟具有在轨故障的航天器，通过对模拟目标航天器运动的控制而模拟不同故障航天器的运动方式，且模拟目标航天器上带有用于模拟太阳翼故障的太阳翼故障模拟单元，提供模拟太阳翼故障给模拟服务航天器实施在轨故障解除操作。进一步地，本专利技术中的模拟服务航天器包括结构和机构子系统Ⅰ、推进子系统Ⅰ、姿轨控制子系统Ⅰ、通信子系统Ⅰ、操作机构子系统和电源子系统Ⅰ；结构和机构子系统Ⅰ包括模拟服务航天器的舱体、气浮装置和对接装置，舱体用于承载模拟服务航天器上的各设备及系统，气浮装置通过气足喷气让模拟服务航天器漂浮在微重力模拟气浮平台上，对接装置采用电磁和机械相结合方式实现交会对接，在舱体的对接面上分别安装用于与模拟目标航天器对接的对接杆和电磁铁；推进子系统Ⅰ包括飞轮和喷气推进装置，飞轮和喷气推进装置配合使用完成模拟服务航天器的位置和姿态的控制，从而实现模拟在轨逼近和交会；姿轨控制子系统Ⅰ包括相对位姿测量单元和中央处理单元，相对位姿测量单元利用相机检测模拟目标航天器上的靶标，然后通过位姿解算算法得到模拟服务航天器和模拟目标航天器之间的相对位姿，并把解算结果输送给中央处理单元；中央处理单元负责传感器的信息采集、分析和控制指令生成；通信子系统Ⅰ采用无线路由方式模拟天地通信，实现模拟服务航天器和模拟地面控制站之间的信息交互；操作机构子系统包括机械手爪和机械臂，机械臂和机械手爪共同配合完成空间故障解除操作任务；电源子系统Ⅰ包括多功能结构电池、电源变换器和逆变器，所述多功能结构电池为是模拟服务星舱体的一个内嵌有锂电池的舱板，多功能结构电池提供28V电源，电源变换器将多功能结构电池提供的28V电源变换为24V、12V和5V的电压，给模拟服务星的各用电设备提供电源；逆变器是将多功能结构电池提供的28V电源转换为220V交流电给机械臂提供电源。进一步地，本专利技术中的机械手爪采用12V直流供电，用于完成模拟在轨操作任务；机械臂采用220V交流供电，用于控制机械手爪的操作位置和姿态。进一步地，本专利技术中的模拟服务航天器舱体内设置有储气装置，储气装置为多个相连通的用于储存空气的储气罐，储气装置连接有两条带有减压阀和截止阀的管路，其中一条管路通过气足将储气装置内的压缩空气喷出进而将模拟服务航天器悬浮在微重力模拟气浮平台，模拟微重力环境；所述储气装置上连接的另一条管路用于连接喷管且储气装置与喷管之间的管路上连接有电磁阀，储气装置中的气体通过电磁阀从喷管喷出产生推力从而控制模拟服务航天器的水平运动，所述电磁阀的卡开和关闭由电磁阀控制器控制，喷管和飞轮协作完成模拟服务航天器的运动控制。进一步地，本专利技术中的模拟目标航天器包括结构和机构子系统Ⅱ、推进子系统Ⅱ、姿轨控制子系统Ⅱ、通信子系统Ⅱ、故障模拟子系统和电源子系统Ⅱ；结构和机构子系统Ⅱ包括模拟目标航天器的舱体、气浮装置和对接装置，舱体用于承载模拟目标航天器的各种设备，气浮装置通过气足喷气让模拟目标航天器漂浮在微重力模拟气浮平台上，对接装置采用电磁和机械相结合方式实现模拟目标航天器和模拟服务航天器的交会对接，在模拟目标航天器的舱体对接面上分别安装对接锥和吸块；模拟服务航天器与模拟目标航天器交会对接过程中，模拟服务航天器上的对接杆插入模拟目标航天器的对接锥中，然后模拟服务航天器上的电磁单元产生吸力和模拟目标航天器上的吸块吸合锁紧；推进子系统Ⅱ包括了飞轮和喷气推进装置，飞轮和喷气推进装置配合使用完成模拟目标航天器的位置和姿态的控制，从而实现模拟在轨故障航天器的运动；姿轨控制子系统Ⅱ包括相对位姿测量标志和中央处理单元，相对位姿测量标志给模拟服务航天器提供检测标志，从而使模拟服务航天器能够解算相对位姿；中央处理单元负责传感器的信息采集、分析和控制指令生成；通信子系统Ⅱ采用无线路由方式模拟天地通信，实现模拟目标航天器和模拟地面控制站之间的信息交互；所述故障模拟子系统包括包括模拟太阳翼、故障模拟检测单元、模拟太阳翼驱动装置；模拟太阳翼能够模拟意外锁住未展开的太阳翼故障并能够在故障解除后在模拟太阳翼驱动装置的驱动下展开；所述故障模拟检测单元检测模拟太阳翼的故障是否解除；电源子系统Ⅱ包括多功能结构电池和电源变换器，多功能结构电池为是模拟目标服务器舱体上的一个内嵌有锂电池的舱板，多功能结构电池提供28V电源，电源变换器将多功能结构电池提供的28V电源变换为24V、12V和5V的电压，给模拟服务星的各用电设备提供电源。进一步地，本专利技术中的相对位姿测量标志是采用正交构型的四个LED灯做成标志架，给模拟服务航天器提供检测标志。进一步地，本专利技术中的模拟目标航天器的舱体内设置有储气装置，储气装置为多个相连通的用于储存空气的储气罐，储气装置连接有两条带有减压阀和截止阀的管路，其中一条管路通过气足将储气装置内的压缩空气喷出进而将模拟目标航天器悬浮在微重力模拟气浮平台，模拟微重力环境；所述储气装置上连接的另一条管路用于连接喷管且储气装置与喷管之间的管路上连接有电磁阀，储气装置中的气体通过电磁阀从喷管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，其特征在于，包括模拟服务航天器，模拟目标航天器，微重力模拟气浮平台和模拟地面控制站；模拟服务航天器和模拟目标航天器运行在微重力模拟气浮平台上，模拟服务航天器和模拟目标航天器通过无线通信与模拟地面控制进行通信；模拟服务航天器用于模拟具有在轨操作和服务能力的航天器，其通过测量模拟目标航天器之间的相对位姿，实现模拟服务航天器向模拟目标航天器的自主逼近和交会对接，并以自主或遥控操作的方式对模拟目标航天器实施在轨故障解除操作；模拟目标航天器用于模拟具有在轨故障的航天器，通过对模拟目标航天器运动的控制而模拟不同故障航天器的运动方式，且模拟目标航天器上带有用于模拟太阳翼故障的太阳翼故障模拟单元，提供模拟太阳翼故障给模拟服务航天器实施在轨故障解除操作。

【技术特征摘要】
1.一种空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，其特征在于，包括模拟服务航天器，模拟目标航天器，微重力模拟气浮平台和模拟地面控制站；模拟服务航天器和模拟目标航天器运行在微重力模拟气浮平台上，模拟服务航天器和模拟目标航天器通过无线通信与模拟地面控制进行通信；模拟服务航天器用于模拟具有在轨操作和服务能力的航天器，其通过测量模拟目标航天器之间的相对位姿，实现模拟服务航天器向模拟目标航天器的自主逼近和交会对接，并以自主或遥控操作的方式对模拟目标航天器实施在轨故障解除操作；模拟目标航天器用于模拟具有在轨故障的航天器，通过对模拟目标航天器运动的控制而模拟不同故障航天器的运动方式，且模拟目标航天器上带有用于模拟太阳翼故障的太阳翼故障模拟单元，提供模拟太阳翼故障给模拟服务航天器实施在轨故障解除操作。2.根据权利要求1所述的空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，其特征在于，模拟服务航天器包括结构和机构子系统Ⅰ、推进子系统Ⅰ、姿轨控制子系统Ⅰ、通信子系统Ⅰ、操作机构子系统和电源子系统Ⅰ；结构和机构子系统Ⅰ包括模拟服务航天器的舱体、气浮装置和对接装置，舱体用于承载模拟服务航天器上的各设备及系统，气浮装置通过气足喷气让模拟服务航天器漂浮在微重力模拟气浮平台上，对接装置采用电磁和机械相结合方式实现交会对接，在舱体的对接面上分别安装用于与模拟目标航天器对接的对接杆和电磁铁；推进子系统Ⅰ包括飞轮和喷气推进装置，飞轮和喷气推进装置配合使用完成模拟服务航天器的位置和姿态的控制，从而实现模拟在轨逼近和交会；姿轨控制子系统Ⅰ包括相对位姿测量单元和中央处理单元，相对位姿测量单元利用相机检测模拟目标航天器上的靶标，然后通过位姿解算算法得到模拟服务航天器和模拟目标航天器之间的相对位姿，并把解算结果输送给中央处理单元；中央处理单元负责传感器的信息采集、分析和控制指令生成；通信子系统Ⅰ采用无线路由方式模拟天地通信，实现模拟服务航天器和模拟地面控制站之间的信息交互；操作机构子系统包括机械手爪和机械臂，机械臂和机械手爪共同配合完成空间故障解除操作任务；电源子系统Ⅰ包括多功能结构电池、电源变换器和逆变器，所述多功能结构电池为是模拟服务星舱体的一个内嵌有锂电池的舱板，多功能结构电池提供28V电源，电源变换器将多功能结构电池提供的28V电源变换为24V、12V和5V的电压，给模拟服务星的各用电设备提供电源；逆变器是将多功能结构电池提供的28V电源转换为220V交流电给机械臂提供电源。3.根据权利要求2所述的空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，其特征在于，机械手爪采用12V直流供电，用于完成模拟在轨操作任务；机械臂采用220V交流供电，用于控制机械手爪的操作位置和姿态。4.根据权利要求2所述的空间在轨故障解除操作地面模拟实验系统，其特征在于，模拟服务航天器舱体内设置有储气装置，储气装置为多个相连通的用于储存空气的储气罐，储气装置连接有两条带有减压阀和截止阀的管路，其中一条管路通过气足将储气装置内的压缩空气喷出进而将模拟服务航天器悬浮在微重力模拟气浮平台，模拟微重力环境；所述储气装置上连接的另一条管路用于连接喷管且储气装置与喷管之间的管路上连接有电磁阀，储气装置中的气体通过电磁阀从喷管喷出产生推力从而控制模拟服务航天器的水平运动，所述电磁阀的卡开和关闭由电磁阀控制器控制，喷管和飞轮协作完成模拟服务航天器的运动控制。5.根据权利要求2所述的空间在轨故障解除操作地面模...

【专利技术属性】
技术研发人员：范才智，李东旭，李思侃，刘望，孟云鹤，郝瑞，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43