[發(fā)明專利]一種用于空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的導(dǎo)航、控制與成像系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210222814.0
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN102736633A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁延衛(wèi);張曉敏;馬林
• 申請（專利權(quán)）人: 航天東方紅衛(wèi)星有限公司
• 主分類號: G05D3/00
• 分類號: G05D3/00;G01S19/49
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可安裝于獨立于空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器上，能夠?qū)臻g站進(jìn)行自主相對導(dǎo)航、控制與成像監(jiān)視的系統(tǒng)或裝置。

背景技術(shù)

從上世紀(jì)80年代開始，隨著載人航天與空間站的研究和發(fā)展，為了在軌進(jìn)行載人飛船和空間站艙外狀態(tài)檢查(如光學(xué)表面檢查、測量表面溫度、發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷、機(jī)械故障等)，并對航天員艙外活動進(jìn)行監(jiān)視，國際上對具有艙外機(jī)動監(jiān)視功能的航天器進(jìn)行了深入研究和開發(fā)，研制了相應(yīng)的航天器并發(fā)射上天。比較典型的有：美國的AERCam(Autonomous?EVA?Robotics?Camera)Sprint、美俄等國合作的Inspector。

為代替航天員進(jìn)行艙外活動，減少航天員艙外活動的風(fēng)險和費用，從1994年開始，德國、俄羅斯和美國聯(lián)合研制了空間站艙外監(jiān)視器Inspector。1997年，Inspector首先在“和平”號空間站上進(jìn)行了飛行試驗，取得了部分成功。改進(jìn)設(shè)計后，Inspector用于國際空間站的艙外監(jiān)視、維護(hù)和維修操作。Inspector呈六邊形，高900mm，質(zhì)量為70kg。艙外機(jī)動監(jiān)視技術(shù)是載人航天(飛船、空間站)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也可應(yīng)用于空間攻防與對抗領(lǐng)域，屬于高度保密技術(shù)。

我國載人航天工程已經(jīng)完成第一步，正在研制和發(fā)射我國自主的空間實驗室和空間站。但我國目前尚沒有用于空間實驗室或空間戰(zhàn)的艙外機(jī)動監(jiān)視設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：根據(jù)我國未來空間站的特點，提出了一種艙外機(jī)動監(jiān)視器的導(dǎo)航、控制與成像系統(tǒng)，通過一顆獨立的艙外機(jī)動監(jiān)視器，能夠?qū)臻g站進(jìn)行自主相對導(dǎo)航、控制與成像監(jiān)視。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的導(dǎo)航、控制與成像系統(tǒng)，包括前向相機(jī)、側(cè)向相機(jī)、標(biāo)志器陣列、陀螺、GPS接收機(jī)、推力器組件、控制計算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和CMOS相機(jī)，其中：

前向相機(jī)：安裝在空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的前端，用于獲取空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器前方的圖像信息；

側(cè)向相機(jī)：安裝在空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的兩側(cè)，用于獲取空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器前進(jìn)過程中兩側(cè)的圖像信息；

標(biāo)志器陣列：安裝于空間站上需要監(jiān)視的區(qū)域作為導(dǎo)航測量的標(biāo)志；

陀螺：正交安裝在空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器本體坐標(biāo)系三軸的方向上，測量空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的絕對角速度在空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器本體坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸上的分量；所述的空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器本體坐標(biāo)系的原點位于空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的質(zhì)心，X軸正方向為前向相機(jī)的光軸指向，Y軸正方向為側(cè)向相機(jī)的光軸指向，Z軸與X軸和Y軸滿足右手定則；

GPS接收機(jī)：安裝在空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器上，與安裝在空間站上的GPS接收機(jī)構(gòu)成差分GPS測量系統(tǒng)，確定空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器相對于空間站的相對位置和相對速度；

推力器組件：作為空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器姿態(tài)控制和軌跡控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

數(shù)碼相機(jī)和CMOS相機(jī)：對空間站進(jìn)行靜止黑白和彩色照片拍攝，獲取空間站的影像；

控制計算機(jī)：利用前向相機(jī)和側(cè)向相機(jī)所成的影像進(jìn)行相對導(dǎo)航測量，當(dāng)前向相機(jī)和側(cè)向相機(jī)所成的影像中包含有標(biāo)志器陣列時，通過單目或雙目導(dǎo)航算法確定空間站與空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的相對距離和相對方位，當(dāng)前向相機(jī)和側(cè)向相機(jī)所成的影像中未包含有標(biāo)志器陣列時，通過超近距離特征遺傳算法確定空間站與空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的相對距離和相對方位；對陀螺的直接測量量進(jìn)行積分，得到空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器本體坐標(biāo)系相對慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角，通過相平面控制算法對空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器的三軸姿態(tài)進(jìn)行控制；利用差分GPS測量系統(tǒng)輸出的空間站與空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器在慣性坐標(biāo)系中的相對位置和相對速度，或者利用前向相機(jī)和側(cè)向相機(jī)所成的影像進(jìn)行解算得到的空間站與空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器在慣性坐標(biāo)系中的相對位置和相對速度，對空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器進(jìn)行軌跡控制。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：本發(fā)明系統(tǒng)將導(dǎo)航、控制、成像監(jiān)視這三個相互關(guān)聯(lián)的功能進(jìn)行集成化設(shè)計，除控制計算機(jī)外的其余部組件均可采用微小型化產(chǎn)品，將相對導(dǎo)航相機(jī)與成像相機(jī)一體化設(shè)計，所有計算、控制與圖像處理集成在控制計算機(jī)中，在空間站艙外機(jī)動監(jiān)視器重量、體積、功耗等資源受限條件下，實現(xiàn)了相對導(dǎo)航、控制與成像監(jiān)視功能；通過在兩個側(cè)向安裝側(cè)向相機(jī)，增強(qiáng)了艙外監(jiān)視器的避碰能力，提高了在軌運行的安全性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的組成原理框圖。

具體實施方式

一、功能與組成