[發(fā)明專(zhuān)利]一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)的協(xié)同圍捕系統(tǒng)及其圍捕方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010214616.4
• 申請(qǐng)日: 2020-03-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111332499A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王明明;劉聰;羅建軍;朱戰(zhàn)霞;馬衛(wèi)華;袁建平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B64G1/10
• 分類(lèi)號(hào): B64G1/10;B64G1/24;B64G1/66;B64G4/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專(zhuān)利中心 61204
• 代理人: 金鳳

1.一種針對(duì)空間非合作目標(biāo)的協(xié)同圍捕系統(tǒng)，包括母星系統(tǒng)和子星系統(tǒng)，其特征在于：

所述母星系統(tǒng)攜帶、釋放和回收子星系統(tǒng)，且具有軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)機(jī)動(dòng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和星間通訊功能；母星上攜帶若干個(gè)子星系統(tǒng)，母星系統(tǒng)上具有一對(duì)冗余自由度的機(jī)械臂對(duì)子星系統(tǒng)進(jìn)行釋放及回收操作，并對(duì)子星系統(tǒng)捕獲的目標(biāo)進(jìn)行回收操作，進(jìn)行包括但不限于在軌維修的在軌服務(wù)任務(wù)；在母星系統(tǒng)的側(cè)面安裝有八個(gè)多向噴氣口，提供三軸六個(gè)方向的力矩，完成對(duì)母星的姿態(tài)控制；

所述子星系統(tǒng)包括觀測(cè)子星、協(xié)同圍捕子星和圍捕載荷，其中每組觀測(cè)子星中大于等于1顆子星，觀測(cè)子星與母星系統(tǒng)進(jìn)行通信，并進(jìn)行軌道姿態(tài)機(jī)動(dòng)和執(zhí)行目標(biāo)探測(cè)任務(wù)；協(xié)同圍捕子星與觀測(cè)子星之間進(jìn)行通信，并完成協(xié)同圍捕任務(wù)；

所述圍捕載荷采用柔性繩網(wǎng)或柔性薄膜，用于捕獲具有高動(dòng)態(tài)、不確定構(gòu)型的非合作目標(biāo)，每組協(xié)同圍捕子星包括3-4顆子星，圍捕載荷的每個(gè)角端通過(guò)引導(dǎo)繩與協(xié)同圍捕子星的一顆子星相連，與協(xié)同圍捕子星共同構(gòu)成空間協(xié)同圍捕系統(tǒng)；每顆子星通過(guò)連接柱與一個(gè)球形接口固連，協(xié)同圍捕子星共同攜帶一個(gè)圍捕載荷；通過(guò)安裝于每顆子星和圍捕載荷之間的收線(xiàn)器調(diào)節(jié)連接圍捕載荷角端引導(dǎo)繩的預(yù)緊力，控制圍捕載荷的圍捕構(gòu)型，以適應(yīng)不同的空間非合作目標(biāo)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)空間非合作目標(biāo)的協(xié)同圍捕系統(tǒng)，其特征在于：

所述協(xié)同圍捕子星包括3個(gè)子星時(shí)，3個(gè)子星呈品字形，共同控制圍捕載荷的圍捕構(gòu)型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)空間非合作目標(biāo)的協(xié)同圍捕系統(tǒng)，其特征在于：

所述協(xié)同圍捕子星包括4個(gè)子星時(shí)，其中3個(gè)子星位于同一平面控制圍捕載荷的圍捕構(gòu)型，第4顆子星與3顆子星不在同一平面，但是投影于3個(gè)子星所在平面的幾何中心，3個(gè)子星控制圍捕載荷的圍捕構(gòu)型，第4顆子星維持圍捕載荷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并觀測(cè)圍捕載荷狀態(tài)。

4.一種利用權(quán)利要求1所述針對(duì)空間非合作目標(biāo)的協(xié)同圍捕系統(tǒng)的圍捕方法，其特征在于包括下述步驟：

步驟1：在軌釋放：利用母星上的機(jī)械臂將子星系統(tǒng)釋放，并通過(guò)通信鏈路為子星系統(tǒng)指示空間非合作目標(biāo)及其運(yùn)動(dòng)信息，為子星系統(tǒng)開(kāi)展后續(xù)的隱蔽接近建立先決條件；

步驟2：隱蔽接近：子星系統(tǒng)以收攏狀態(tài)，利用軌道機(jī)動(dòng)，隱蔽接近空間非合作目標(biāo)，若目標(biāo)存在逃逸機(jī)動(dòng)子星系統(tǒng)與目標(biāo)間展開(kāi)追逃博弈，利用追逃博弈技術(shù)，在對(duì)非合作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化己方性能指標(biāo)，得到對(duì)應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的隱蔽接近，并將目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)范圍限制在圍捕載荷的抓捕區(qū)域內(nèi)；

步驟3：協(xié)同圍捕：目標(biāo)進(jìn)入子星系統(tǒng)的不可逃逸區(qū)后，協(xié)同圍捕子星分離展開(kāi)圍捕載荷，觀測(cè)子星繞飛對(duì)非合作目標(biāo)以及協(xié)同圍捕系統(tǒng)，并進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)得到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，利用隱馬爾可夫方法對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用動(dòng)態(tài)博弈方法進(jìn)行規(guī)劃捕獲路徑，使協(xié)同圍捕子星中的多個(gè)子星相互配合，調(diào)整網(wǎng)口位置以對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，協(xié)同圍捕子星利用模型預(yù)測(cè)控制方法跟蹤規(guī)劃好的路徑，牽拉引導(dǎo)繩控制圍捕載荷對(duì)非合作目標(biāo)完成有效包絡(luò)；

步驟4：在軌收網(wǎng)：圍捕載荷完成對(duì)目標(biāo)包絡(luò)后，為防止目標(biāo)的逃逸及掙脫，安裝于協(xié)同圍捕子星每顆子星和圍捕載荷之間收線(xiàn)器進(jìn)行主動(dòng)收網(wǎng)，同時(shí)每顆子星向外牽拉，將網(wǎng)口收緊；

步驟5：拖曳離軌：圍捕載荷收緊完成后，非合作目標(biāo)被完整的包絡(luò)在圍捕載荷之中，控制協(xié)同圍捕子星實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)；基于線(xiàn)性二次型追逃博弈的控制方法，首先，根據(jù)非合作目標(biāo)拖曳任務(wù)的控制需求設(shè)計(jì)子星與非合作目標(biāo)的二次型目標(biāo)函數(shù)，在考慮二者動(dòng)力學(xué)約束的情況下求最優(yōu)化問(wèn)題，最優(yōu)化問(wèn)題為子星最小化目標(biāo)函數(shù)且非合作目標(biāo)最大化目標(biāo)函數(shù)的方式，對(duì)非合作目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得子星的控制策略；通過(guò)最優(yōu)化問(wèn)題的求解得到納什均衡控制策略，在燃耗最小的情況下將非合作目標(biāo)拖曳離軌，完成對(duì)其捕獲過(guò)程；

步驟6：回收利用：捕獲過(guò)程完成后，協(xié)同圍捕子星的所有子星與圍捕載荷分離，并返回母星被機(jī)械臂回收，完成燃料補(bǔ)加、系統(tǒng)升級(jí)和圍捕載荷安裝操作，等待下一次的攻防任務(wù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述針對(duì)空間非合作目標(biāo)的協(xié)同圍捕系統(tǒng)的圍捕方法，其特征在于包括下述步驟：

所述步驟4中當(dāng)目標(biāo)情況存在自主機(jī)動(dòng)時(shí)，為防止目標(biāo)的逃逸及掙脫，控制柔性繩網(wǎng)角端的子星實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)，完成繩網(wǎng)的軌道打結(jié)和收緊，從而限制住非合作目標(biāo)進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)。