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一种空间绳网捕获下的目标拖曳着点判别方法

申请号 CN202311754623.3 申请日 2023-12-19 公开(公告)号 CN117910127A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 北京航空航天大学; 发明人 赵国伟; 练达芃; 孙亮; 徐高楠;
摘要 本 发明 涉及一种空间绳网捕获下的目标拖曳着 力 点判别方法,面向空间绳系拖曳被捕获目标的空间操作场景,首先根据视觉观测得到的目标外包络尺寸,初步估计确定目标体上潜在的绳网牵挂着力点,建立潜在牵挂点坐标集,然后将目标 角 速度 沿任务星平台与目标质心连线方向进行分解,以过网捕目标质心并且沿垂直于质心连线方向的角速度为 转轴 建立旋转平面,并在此 基础 上旋转得到切平面,其次将切平面上潜在的绳网牵挂着力点运动速度向系绳方向投影,最终判定投影正向且最大的相切点为绳网的实际牵挂着力点。本发明可以为绳网捕获下的绳系拖曳精准控制提供可靠的目标旋转动力学模型,契合工程实际。
权利要求

1.一种空间绳网捕获下的目标拖曳着点判别方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:设置如下:
设置1:空间绳网通过特定装置触发,并在空间目标的展开机构上包裹、缠绕;
设置2:被绳网捕获的目标外包络尺寸、速度、速度通过信息采集手段获得;
设置3:空间绳网尾端通过系绳与卫星平台的系绳收放装置连接,系绳通过收放从而始终保持张紧,但绳网在目标上的作用点在同一时刻仅有一个;
步骤2:根据绳网捕获目标外包络尺寸,初步确定目标体上潜在的绳网牵挂着力点,构建潜在牵挂点坐标集;
步骤3:根据卫星平台与目标的角速度矢量方向,建立旋转平面,计算相切平面上各潜在牵挂点运动速度,其中远离趋势最大的相切点即为绳网牵挂着力点。
2.根据权利要求1所述的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,其特征在于,在步骤2中,包括:空间卫星平台对空间目标发射空间绳网,实施了绳网捕获操作,针对对象为绳网捕获后的目标,空间绳网由KEVLAR绳编织而成,柔性KEVLAR绳索缠绕牵挂在目标星体和太阳帆板的角点上;并测量确定这些角点相对目标质心的相对坐标,构建潜在牵挂点坐标集,将这些角点命名为Pi(i=1,2,…)。
3.根据权利要求1所述的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,其特征在于,在步骤3中,包括:将目标角速度沿卫星平台与目标质心连线方向进行分解;空间绳网捕获的目标具备一定的角速度,分解为沿质心连线方向的角速度 和垂直于质心连线方向的角速度
4.根据权利要求3所述的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,其特征在于:以过网捕目标质心并且沿垂直于质心连线方向的角速度 为转轴,建立旋转平面,计算相切平面上各潜在牵挂点运动速度。
5.根据权利要求4所述的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,其特征在于:旋转平面沿角速度 方向正向、反向旋转,得到与目标外包络结构相切的两个平面,将k
其定义为切平面Plane1和Plane2,相切点定义为Pt (k=1,2,…),目标质心指向相切点的位置矢量表示为 该点处的运动速度矢量定义为
6.根据权利要求1或5所述的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,其特征在于:相切点,即潜在的绳网牵挂着力点,该处的运动速度 通过以下方式计算得到:
式中, 表示目标的角速度矢量。
7.根据权利要求6所述的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,其特征在于:将计算得到的相切点运动速度朝卫星平台指向相切点矢量上投影,表达式如下:
其中, 表示卫星平台指向第k个目标相切点的位置矢量,vk表示相切点运动速度在系绳方向的投影。
8.根据权利要求7所述的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,其特征在于:若其投影为正,即该相切点具有远离卫星平台的运动趋势;计算各相切点的速度投影,判定投影最大值所对应的相切点为绳网的实际牵挂着力点Pt。

说明书全文

一种空间绳网捕获下的目标拖曳着点判别方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,尤其涉及一种针对空间碎片等目标在绳网捕获后系绳拖曳时的绳网着力点判别方法。通过对目标与任务星相对速度的分解和投影,对潜在牵挂着力点的运动进行解算与分析,以确定绳网与被捕获目标的实际牵挂点,作为系绳拖曳的着力点,该发明属于空间操作领域。【背景技术】
[0002] 随着空间碎片数量逐年激增,轨道资源日趋紧张,空间碎片清理已经成为威胁在轨航天器安全的严峻问题。因此,研究安全有效的空间碎片主动清除技术,尤其针对太空轨道上碎片的捕获和移除的方法,已经成为国际航天领域的一个研究热点。在这样的背景下,空间绳网技术应运而生。这种技术利用特制的柔性编制绳网捕获轨道上的碎片,是当前被认为极具潜力的空间碎片清除方案之一。然而,由于空间环境、空间目标的复杂性和无重力状态,确定绳网捕获后的系绳牵拉着力点位置成为一大技术挑战。
[0003] 在国际上,许多国家机构和高等院校已经开始探索,并开发验证了相关在轨捕获空间碎片清除技术。例如,欧洲航天局(ESA)和日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)都在进行空间碎片清除技术的研究,ESA的e.Deorbit计划和JAXA的KITE项目都展示了空间绳网捕获的潜力。此外,空间操作方式还包括利用机械臂等不同的执行机构。
[0004] 国内方面,我国也在积极研究空间碎片清除技术,并取得了一定的进展。例如,国防科技大学、北京航空航天大学等高等院校有众多公开发表的研究成果,航天八院、五院等研究机构也开展了一系列相关试验,并在地面模拟试验或在轨技术验证中对绳网捕获技术进行了测试与可行性分析。
[0005] 本发明的技术成果旨在解决空间绳网捕获后的关键技术难题,服务于绳系拖曳控制过程。通过对目标与任务星相对角速度的分解和投影,该方法能够精确判定绳网与目标物体的接触着力点,这对于空间任务中的系绳拖曳操控和后续碎片移除平稳控制过程至关重要。总之,该发明在技术上有显著的创新和实用性,不仅为空间碎片绳网捕获后拖曳动力学建模不确定性问题提供了新的思路和方案,也为未来的空间拖曳操作技术的发展奠定了理论和工程基础。随着空间绳网技术与绳系拖曳控制技术的不断进步和空间碎片主动清除任务的增多,该发明的应用前景将更加广阔。【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对解决空间绳系拖曳被捕获目标的空间操作场景下,现有技术中大多数都是假设目标与系绳连接点为确定不变的,即类似飞爪、机械臂等定点捕获方式,少有针对绳网捕获目标的复杂接触模型研究,没有考虑到由于目标的角速度旋转所带来的绳网接触着力点实时切换的动力学行为,因此在工程实际中,难以准确描述由于着力点跳变带来的绳力方向瞬间改变的复杂受力情况。本发明提出一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,从图1所示的目标潜在牵挂着力点数据集,解决在目标旋转过程绳系拖曳导致的绳网局部松弛、局部张紧情况下的实际受力点的切换跃变问题。
[0007] 针对上述问题,本发明的技术方案如下:
[0008] 在相关假设条件下,首先,根据绳网捕获目标的外包络尺寸,初步确定目标体上潜在的绳网牵挂着力点,构建潜在牵挂点坐标集;其次,根据卫星平台与目标的角速度矢量方向,建立旋转平面;最后,计算相切平面上各潜在牵挂点运动速度,判别其中远离趋势最大的相切点即为绳网目标拖曳着力点。
[0009] 以任务卫星平台发射空间绳网捕获目标并拖曳离轨的场景为例,场景中绳系拖曳过程中的目标着力点判断的具体操作步骤如下:
[0010] 步骤1:应用本发明基于如下假设
[0011] 为确定该场景下绳系拖曳过程中的目标着力点切换规律,须做出以下假设1~3:
[0012] 假设1:空间绳网通过特定装置触发,并在空间目标的展开机构(尤其是卫星的太阳帆板等)上包裹、缠绕;
[0013] 假设2:被绳网捕获的目标外包络尺寸、速度、角速度可通过相机等观测手段获得;
[0014] 假设3:空间绳网尾端通过系绳与卫星平台的系绳收放装置连接,系绳通过收放从而始终保持张紧,但绳网在目标上的作用点在同一时刻仅有一个;
[0015] 步骤2:根据绳网捕获目标外包络尺寸,初步确定目标体上潜在的绳网牵挂着力点,构建潜在牵挂点坐标集;具体包括:
[0016] 空间卫星平台对空间目标发射空间绳网,实施了绳网捕获操作,针对对象为绳网捕获后的目标,空间绳网通常由KEVLAR绳编织而成,柔性KEVLAR绳索缠绕牵挂在目标星体和太阳帆板等其他展开机构的角点上。通过相机等手段,测量确定这些角点相对目标质心的相对坐标,构建潜在牵挂点坐标集,将这些角点命名为Pi(i=1,2,…)。
[0017] 步骤3:根据卫星平台与目标的角速度矢量方向,建立旋转平面,计算相切平面上各潜在牵挂点运动速度,其中远离趋势最大的相切点即为绳网牵挂着力点;具体包括:
[0018] 步骤3.1:将目标角速度沿卫星平台与目标质心连线方向进行分解。
[0019] 空间绳网捕获的目标具备一定的角速度,分解为沿质心连线方向的角速度 和垂直于质心连线方向的角速度
[0020] 步骤3.2:以过网捕目标质心并且沿垂直于质心连线方向的角速度 为转轴,建立旋转平面,计算相切平面上各潜在牵挂点运动速度。
[0021] 之后,旋转平面沿角速度 方向正向、反向旋转,可以得到与目标外包络结构相切的两个平面,如图2所示,将其定义为切平面Plane1和Plane2,相切点定义为目标质心指向相切点的位置矢量表示为 该点处的运动速度矢量定义为
[0022] 相切点,即潜在的绳网牵挂着力点,该处的运动速度 可通过以下方式计算得到:
[0023]
[0024] 式中, 表示目标的角速度矢量。
[0025] 将按照上述方法计算得到的相切点运动速度朝卫星平台指向相切点矢量上投影,表达式如下:
[0026]
[0027] 其中, 表示卫星平台指向第k个目标相切点的位置矢量,vk表示相切点运动速度在系绳方向的投影。
[0028] 若其投影为正,即该相切点具有远离卫星平台的运动趋势。计算各相切点的速度投影,判定投影最大值所对应的相切点为绳网的实际牵挂着力点Pt。
[0029] 本发明优点及功效在于:
[0030] 1)本发明在任务星平台已用空间绳网捕获目标后的场景下,通过视觉观测得到的目标外包络尺寸,初步估计确定目标体上潜在的绳网牵挂着力点,建立潜在牵挂点坐标集,将目标角速度沿任务星平台与目标质心连线方向进行分解,以过网捕目标质心并且沿垂直于质心连线方向的角速度为转轴建立旋转平面,并在此基础上旋转得到切平面,将切平面上潜在的绳网牵挂着力点运动速度向系绳方向投影,最终判定投影正向且最大的相切点为绳网的实际牵挂着力点,为绳系拖曳精准控制提供了可靠的动力学模型。
[0031] 2)本发明在确定绳网的实际牵挂着力点时,考虑了拖曳过程中目标旋转带来的绳网局部松弛、局部张紧的状况,由于考虑了牵挂着力点的跃变,在牵挂着力点切换过程中,绳系拖曳控制过程更加复杂,相比目前现有研究中假设牵挂点确定不变的模型更真实,本发明更契合工程实际。
[0032] 3)本发明针对空间绳网捕获目标的绳系拖曳控制应用场景,在空间操作上具有广泛的应用前景,能够提高航天器绳网捕获下的绳系拖曳控制精度,保障空间在轨绳网捕获操作任务航天器的安全,可以满足工程实际的要求,契合工程应用实际。【附图说明】
[0033] 图1为绳网捕获下的潜在牵挂着力点示意图。
[0034] 图2为切平面构建示意图。【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图1‑2,具体说明本发明的实施流程。
[0036] 假设被网捕的目标为一个边长10m的废弃立方卫星,星体外部带有太阳帆板,下面开始判别绳网捕获下的潜在牵挂着力点。
[0037] 1、应用本发明基于如下假设。
[0038] 假设1:空间绳网通过特定装置触发,并在空间目标的展开机构(尤其是卫星的太阳帆板等)上包裹、缠绕;
[0039] 假设2:被绳网捕获的目标外包络尺寸、速度、角速度可通过相机等观测手段获得;
[0040] 假设3:空间绳网尾端通过系绳与卫星平台的系绳收放装置连接,系绳通过收放从而始终保持张紧,但绳网在目标上的作用点在同一时刻仅有一个;
[0041] 其中,特定装置可以是一个安装在任务星平台的绳网弹射装置。被绳网捕获的目标如图1所示,目标本体为一个棱长为10m的废弃立方卫星,星体外部带有对称安装的太阳帆板,太阳帆板外边缘宽度为2m,距离废弃立方卫星对称面距离为15m。
[0042] 2、根据绳网捕获目标外包络尺寸,初步确定目标体上潜在的绳网牵挂着力点,构建潜在牵挂点坐标集。
[0043] 目标外包络如附图1所示,由于星体外部带有太阳帆板,则目标的潜在的绳网牵挂着力点有12个,分别是目标星本体的8个角点与太阳帆板的4个外侧角点,其坐标为:
[0044]
[0045]
[0046] 3、根据卫星平台与目标的角速度矢量方向,建立旋转平面,计算相切平面上各潜在牵挂点运动速度,其中远离趋势最大的相切点即为绳网牵挂着力点
[0047] 3.1将目标角速度沿卫星平台与目标质心连线方向进行分解
[0048] 如图2所示,按照前述步骤3.1中将目标角速度沿任务卫星平台与目标质心连线方向进行分解。
[0049] 其中,目标相对于系统的角速度 为[0.0175 0.0175 0.0175]Trad/s,分解后,沿质心连线方向的角速度 的大小为0.0161rad/s,垂直于质心连线方向的角速度 的大小为0.0257rad/s。
[0050] 3.2以过网捕目标质心并且沿垂直于质心连线方向的角速度 为转轴,建立旋转平面,计算相切平面上各潜在牵挂点运动速度
[0051] 之后,旋转平面沿角速度 方向正向、反向旋转,可以得到与目标外包络结构相切的两个平面,如图2所示,将其定义为切平面Plane1和Plane2,相切点定义为目标质心指向相切点的位置矢量表示为 该点处的运动速度矢量定义为
[0052] 相切点,即潜在的绳网牵挂着力点,该处的运动速度 可通过以下方式计算得到:
[0053]
[0054] 式中, 表示目标的角速度矢量。
[0055] 将按照上述方法计算得到的相切点运动速度朝卫星平台指向相切点矢量上投影,表达式如下:
[0056]
[0057] 其中, 表示卫星平台指向第k个目标相切点的位置矢量,vk表示相切点运动速度在系绳方向的投影。
[0058] 若其投影为正,即该相切点具有远离卫星平台的运动趋势。计算各相切点的速度投影,判定投影最大值所对应的相切点为绳网的实际牵挂着力点Pt。
[0059] 按照前述步骤3.2中建立旋转平面,进一步得到如附图2的相切面,相切点为潜在牵挂点坐标集表格中第9个牵挂点与第11个牵挂点,计算对应相切点的运动速度,并向系绳方向投影,可以得到速度投影分别为‑0.2806m/s和0.2781m/s最终确定真实的绳网牵挂着力点为潜在牵挂点坐标集表格中第11个牵挂点,其坐标为[‑1 0 15]。
[0060] 综上所述,本发明提出了一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,确定了空间绳网捕获的目标的绳网实际牵挂受力点,发明在空间绳网操作方向应用广阔,符合工程实际。
[0061] 本发明所介绍的一种空间绳网捕获下的目标拖曳着力点判别方法,特征在于:面向空间绳系拖曳被捕获目标的空间操作场景下,摒弃了目标与系绳连接点为确定不变的,即类似飞爪、机械臂等定点捕获方式,进一步考虑了由于目标的角速度旋转所带来的绳网接触着力点实时切换的动力学行为,准确描述了由于着力点跳变带来的绳力方向瞬间改变的复杂受力情况。在现有的技术研究中,空间绳网捕获目标并进行拖曳离轨操作的动力学与控制仿真验证过程通常假定绳网牵挂着力点为一个固定的作用点,其技术方法具有一定局限性,无法反应绳网柔性捕获方式的特点,在网捕目标运动的同时,柔性绳网无法避免地发生部分绳索的松弛与张紧,网体与目标的真实接触受力作用点表现为瞬间改变的特征。该发明方法在空间绳网捕获拖曳在轨操作领域是首次提出,能够准确地体现空间柔性绳网在拖曳运动过程中受力点跳变的物理现象,相比单固定着力点的仿真方法而言,填补了着力点切换判别技术空缺,在现实空间绳网操作任务中有很高的实用性,能够大幅提高拖曳控制动力学模型构建的准确性,真实地反映空间绳网牵拉空间目标的运动状态,揭示绳网与目标接触切换机理,为航天器的绳网安全拖曳操控提供有力保障。