一种地面验证系统及追踪航天器的轨迹规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可机动逃逸航天器抓捕与回收研究领域，具体涉及一种地面验证系统 及追踪航天器的轨迹规划方法。
【背景技术】
[0002] 随着航天技术的发展，航天器的用途更加广泛，随之而来的，失控航天器回收成为 研究的一个热点，其中，对失控航天器进行抓捕是有效的解决手段。在实施抓捕过程中，目 标航天器处于失控状态，可能会出现自机动的现象，所以追踪航天器相对于机动目标接近 的轨迹规划问题是研究的重点，同时也是控制、导航等分系统设计的基础。然而常规的航天 器轨迹规划多是针对于合作目标的，缺乏对目标机动问题的考虑，这显然不适用于问题的 解决。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种地面验证系统及追踪航天器的轨迹规划方法，具有机 动目标路径预测及避障功能，并且燃料消耗较优，接近时间短。
[0004] 为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种地面验证系统，其特点 是，包含：
[0005] 数据输入与约束选择单元，其输入端用于输入系统输入量；
[0006] 视觉测量算法单元，其输入端与所述数据输入与约束选择单元的输出端连接；
[0007] 追踪航天器动力学与控制单元，其输入端与所述数据输入与约束选择单元的输出 端连接；
[0008] 追踪航天器路径规划单元，其输入端分别与所述数据输入与约束选择单元、视觉 测量算法单元及追踪航天器动力学与控制单元的输出端连接；
[0009] 显示单元，其输入端分别与追踪航天器动力学与控制单元及追踪航天器路径规划 单元的输出端连接；其中
[0010] 所述的追踪航天器动力学与控制单元与追踪航天器路径规划单元之间的传输链 路为双向传输链路；
[0011] 所述的显示单元用于显示追踪航天器规划和实际位置与姿态。
[0012] 所述的地面验证系统还包含一机动目标轨迹预测单元，所述的机动目标轨迹预测 单元的输入端与所述视觉测量算法单元的输出端连接，输出端与所述追踪航天器路径规划 单元的输入端连接。
[0013] 所述的系统输入量包含追踪航航天器的初始位置与姿态信息、目标航天器的位置 与姿态信息、机动信息及空间约束选择信息。
[0014] 所述的追踪航天器路径规划单元中包含一避障模块。
[0015] -种追踪航天器的轨迹规划方法，用于合作目标接近与抓捕过程中，其特点是，包 含以下步骤：
[0016] 在数据输入与约束选择单元中输入追踪航航天器的初始位置与姿态信息、目标航 天器的位置与姿态信息及空间约束选择信息；
[0017] 视觉测量算法单元对数据输入与约束选择单元中的目标航天器的位置与姿态信 息进行处理，获得目标航天器的初始位置与初始姿态测量信息；
[0018] 追踪航天器动力学与控制单元对数据输入与约束选择单元中的追踪航航天器的 初始位置与姿态信息进行处理，获得追踪航天器的位置与姿态信息；
[0019] 追踪航天器路径规划单元根据目标航天器的初始位置与初始姿态测量信息、追踪 航天器的位置与姿态信息及空间约束选择信息，获得追踪航天器最优规划路径；
[0020] 追踪航天器动力学与控制单元根据追踪航天器最优运动路径，控制追踪航天器按 照最优规划路径进行运动；
[0021] 将追踪航天器最优规划路径及追踪航天器的运动路径在显示单元上显示。
[0022] -种追踪航天器的轨迹规划方法，用于机动目标接近与抓捕过程中，其特点是，包 含以下步骤：
[0023] 在数据输入与约束选择单元中输入追踪航航天器的初始位置与姿态信息、目标航 天器的位置与姿态信息、机动信息及空间约束选择信息；
[0024] 视觉测量算法单元采用预设测量算法对数据输入与约束选择单元中的目标航天 器的位置与姿态信息进行处理，获得目标航天器的初始位置与初始姿态测量信息；
[0025] 追踪航天器动力学与控制单元对数据输入与约束选择单元中的追踪航航天器的 初始位置与姿态信息进行处理，获得追踪航天器的位置与姿态信息；
[0026] 机动目标轨迹预测单元采用预设预测算法对数据输入与约束选择单元中的机动 信息进行处理，获得目标逃逸路径预测信息；
[0027] 追踪航天器路径规划单元采用预设规划算法对目标航天器的初始位置与初始姿 态测量信息、追踪航天器的位置与姿态信息、目标逃逸路径预测信息及空间约束选择信息 进行处理，获得追踪航天器最优规划路径；
[0028] 追踪航天器动力学与控制单元根据追踪航天器最优运动路径，控制追踪航天器按 照最优规划路径进行运动；
[0029] 将追踪航天器规划和实际位置与姿态，在显示单元上显示出来。
[0030] 所述的预设测量算法为视觉测量加惯性敏感器修正的方法。
[0031] 所述的预设预测算法为EKF算法。
[0032] 所述的预设规划算法为基于导航点的多脉冲轨迹规划算法。
[0033] 本发明一种机动目标接近规划算法及其地面验证系统与现有技术相比具有以下 优点：适用性更强，不仅可以用于空间碎片等不可机动目标的抓捕与回收，还可以用于失控 航天器等可机动目标的抓捕与回收；约束考虑更加全面，对于空间环境因素的影响考虑的 更加全面，包括避障问题、燃料消耗最优问题、机动时间最短问题等。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明一种地面验证系统的整体结构示意图；
[0035] 图2为视觉测量算法单元的工作流程图。
【具体实施方式】
[0036] 以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
[0037] 如图1所示，一种地面验证系统，包含：数据输入与约束选择单元100,其输入端用 于输入系统输入量；视觉测量算法单元200,其输入端与所述数据输入与约束选择单元100 的输出端连接；追踪航天器动力学与控制单元300,其输入端与所述数据输入与约束选择 单元100的输出端连接；追踪航天器路径规划单元400,其输入端分别与所述数据输入与约 束选择单元100、视觉测量算法单元200及追踪航天器动力学与控制单元300的输出端连 接；显示单元500,其输入端分别与追踪航天器动力学与控制单元300及追踪航天器路径规 划单元400的输出端连接；其中，所述的追踪航天器动力学与控制单元300与追踪航天器路 径规划单元100之间的传输链路为双向传输链路；所述的显示单元500用于显示追踪航天 器规划和实际位置与姿态。
[0038] 在本实施例中，较佳地，所述的地面验证系统，还包含一机动目标轨迹预测单元 600,所述的机动目标轨迹预测单元600的输入端与所述视觉测量算法单元200的输出端连 接，输出端与所述追踪航天器路径规划单元400的输入端连接；优选地，各组件之间通过接 口单元连接在一起。
[0039] 在本实施例中，所述的系统输入量包含追踪航航天器的初始位置与姿态信息、目 标航天器的位置与姿态信息、机动信息及空间约束选择信息。
[0040] 在本实施例中，较佳地，所述的追踪航天器路径规划单元500中包含一避障模块， 防止出现在最优的规划路径上出现障碍物，导致追踪航天器损坏。
[0041] 在本过程中，视觉测量算法单元始终处于工作状态，视觉测量算法单元不仅仅用 来确定目标航天器的位置与姿态，还负责测量在航天器的运动轨道上是否存在障碍物。假 如航天器的运动轨迹上不存在障碍物，那么按照最优规划路径进行运动；如果存在障碍物， 那么将航天器的运动轨迹分为多个阶段；第一阶段，按照规划的最优轨迹运动，当遇到障碍 物的时候，航天器运动停止。加入约束条件：存在障碍物的视场范围为不可运动区域。利用 最优规划方法，重新进行轨迹规划，直到到达目标位置与姿态。
[0042] 结合上述的地面验证系统，本发明还公开了一种追踪航天器的轨迹规划方法，用 于合作目标接近与抓捕过程中（地面验证系统中不包含机动目标轨迹预测单元），包含以 下步骤：
[0043] 在数据输入与约束选择单元中输入追踪航航天器的初始位置与姿态信息、目标航 天器的位置与姿态信息及空间约束选择信息；
[0044] 视觉测量算法单元对数据输入与约束选择单元中的目标航天器的位置与姿态信 息进行处理，获得目标航天器的初始位置与初始姿态测量信息；
[0045] 追踪航天器动力学与控制单元对数据输入与约束选择单元中的追踪航航天器的 初始位置与姿态信息进行处理，获得追踪航天器的位置与姿态信息；
[0046] 追踪航天器路径规划单元根据目标航天器的初始位置与初始姿态测量信息、追踪 航天器的位置与姿态信息及空间约束选择信息，获得追踪航天器最优规划路径；
[0047] 追踪航天器动力学与控制单元根据追踪航天器最优运动路径，控制追踪航天器按 照最优规划路径进行运动；
[0048] 将追踪航天器最优规划路径及追踪航天器的运动路径在显示单元上显示。
[0049] 结合上述的地面验证系统，本发明还公开了一种追踪航天器的轨迹规