一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，包括用于识别空间碎片的非合作目标识别分系统；用于规划抓捕路径进行抓捕的非合作目标抓捕分系统；用于将抓捕的空间碎片粉碎处理提供推力的电磁推进分系统；非合作目标识别分系统经过非合作目标抓捕分系统和控制分系统连接至电磁推进分系统，非合作目标识别分系统包括自身位姿识别系统和非合作目标位姿识别系统。本系统通过对空间碎片的回收再利用，有效提升系统利用率和工作效率，减少航天器所带推进剂的质量，大幅减少发射成本以及使用成本，且采用空间碎片粉末作为工作介质将提供较大推力，有效提高推进工作效率。
【专利说明】
一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统【
技术领域
】
[0001]本实用新型属于航天技术领域，具体涉及一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统。【【背景技术】】
[0002]随着人类对太空的探索，空间中废弃的卫星以及各种空间碎片对整个空间生态造成的严重的威胁。为了应对这一日益严重的威胁，美国，德国，中国等国的科学家们进行了大量的科研工作，目的是移除空间中的碎片或者对失效的卫星进行在轨服务已延长它们的寿命或者提升它们的性能。比较典型的例子包括了NASA对哈勃太空望远镜的维修，加拿大臂对空间站的维护以及各种空间碎片移除的实验。
[0003]为了对空间碎片或进行移除，首先需要对目标进行识别，之后才能对目标进行捕获以及控制。目前国际上比较流行的空间碎片识别方式均基于图像方法，对目标的抓捕大多使用机械臂。
[0004]目前国际上对空间碎片的移除的研究一般采用机械臂抓捕空间碎片将其带入地球大气烧毁或者将这些空间碎片带入更高的“坟墓轨道”使其不能对有效轨道内的航天器造成威胁。然而，这些方法的出发点均为将这些空间碎片带离轨道并且销毁(或者用不使用)，而并没有考虑如何利用这些空间碎片使其能够“变废为宝”。
[0005]电磁推进系统是利用电磁感应，使处于电磁场中的带电工作介质受力，从而高速喷射出这些工作介质，利用所喷出介质的反作用力进行航天器推进的一种系统，已经在航天中得到了广泛运用。通常，航天器受限于所能装载燃料的限制，这些工作介质通常为电离后的气体离子而不是真正的带电金属颗粒。即使如此，利用电离气体作为推进介质的电磁推进系统也比传统的喷气推进系统的排气速度高出1?2个数量级。【【实用新型内容】】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于电磁推进的空间碎片处理的新系统。
[0007]本实用新型采用以下技术方案:
[0008]—种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，所述系统包括:用于识别空间碎片的非合作目标识别分系统；用于规划抓捕路径进行抓捕的非合作目标抓捕分系统；用于将抓捕的空间碎片粉碎处理提供推力的电磁推进分系统;所述非合作目标识别分系统经过非合作目标抓捕分系统和控制分系统连接至电磁推进分系统，所述非合作目标识别分系统包括自身位姿识别系统和非合作目标位姿识别系统。
[0009]优选地，所述自身位姿识别系统包括用于测量地磁场强度矢量的磁强计和用于输出恒星矢量方向的星敏感器。
[0010]优选地，所述非合作目标位姿识别系统包括单目相机和无扫描式LIADR系统，确定非合作目标相对自身的位姿信息。
[0011]优选地，所述自身位姿识别系统和非合作目标位姿识别系统将识别信息发送至非合作目标抓捕分系统，所述非合作目标抓捕分系统接收所述识别信息后对空间碎片进行抓捕，所述非合作目标抓捕分系统包括仿生壁虎爪抓捕机构。
[0012]优选地，所述仿生壁虎爪抓捕机构连接有控制分系统，用于将抓捕到的空间碎片进行姿态控制调整，所述控制分系统包括用于姿态控制执行的磁力矩器、飞轮和机械臂。 [0013 ]优选地，所述电磁推进分系统包括用于对所述空间碎片进行粉碎处理的空间碎片粉碎器，所述空间碎片粉碎器连接至粉末加速器，用于对粉碎后的粉末进行加速，所述粉末加速器连接至电磁推进器用于推进空间器。
[0014]与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果:[〇〇15]相比于传统空间碎片移除的技术，本系统通过采用自身位姿和目标位姿双识别进行确定，对空间碎片的回收再利用，能够有效提升系统利用率，提高系统工作效率，并且使得空间碎片“变废为宝”，能够用于航天器推进过程，通过本系统，航天器可以显著减少自身所携带的推进剂的质量，从而大幅减少发射成本以及在空间中的使用成本；
[0016]由于空间碎片粉末的工质密度较大，因此采用空间碎片粉末作为工作介质将提供较大推力，因此工作效率比传统推进方法更高。
[0017]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。【【附图说明】】
[0018]图1为本实用新型的系统组成图；
[0019]图2为本实用新型的系统流程图。【【具体实施方式】】
[0020]本实用新型提供了一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，先采用非合作目标识别分系统对目标空间碎片进行识别;再使用非合作目标抓捕分系统对识别后的目标空间碎片进行抓捕;然后使用控制分系统对抓捕后的碎片进行稳定控制；最后使用电磁推进分系统将受控的目标空间碎片粉碎，电磁加速并喷射，从而为航天器提供推力。[0021 ]下面结合图1对本实用新型系统各个组成部分进行说明。
[0022]本系统共有四个分系统，分别是:用于识别空间碎片的非合作目标识别分系统、用于规划抓捕路径进行抓捕的非合作目标抓捕分系统、用于对抓捕后的碎片进行稳定控制的控制分系统以及用于将抓捕的空间碎片粉碎处理提供推力的电磁推进分系统。所述自身位姿识别系统和非合作目标位姿识别系统将识别信息发送至非合作目标抓捕分系统，所述非合作目标抓捕分系统接收所述识别信息后对空间碎片进行抓捕，再送至电磁推进分系统处理。
[0023]其中，非合作目标识别分系统:采用磁强计以及星敏感器作为自身的姿态敏感元件，确定自身位姿。进一步采用单目相机以及无扫描式LIDAR系统，结合ICP算法确定非合作目标相对自身的位姿信息。
[0024]非合作目标抓捕分系统:在对目标空间碎片完成识别的基础上，首先，根据相对位姿信息，设计基于最小能量消耗指标的代价函数，对抓捕路径进行规划。进一步的，利用仿生壁虎爪作为目标抓捕机构对非合作目标进行抓捕。
[0025]控制分系统:在完成对目标的抓捕之后，基于磁力矩器，飞轮以及仿生机械臂，通过基于最小二乘法的参数辨识方法以及自适应PID控制方法对抓捕后系统进行参数辨识以及控制。
[0026]电磁推进分系统:所述电磁推进分系统包括空间碎片粉碎器，所述空间碎片粉碎器经过粉末加速器连接至电磁推进器用于推进空间器，在对目标完成控制之后，采用空间碎片粉碎器对受控的空间碎片进行粉碎。之后使用粉末加速器以及电磁推进器对粉碎后的空间碎片进行加速并喷出，从而产生推力。
[0027]下面结合附图2对本系统工作流程做详细说明。
[0028]当本系统在空间中遭遇空间碎片后，首先，非合作目标识别分系统将会开始工作。 在采用磁强计以及星敏感器完成自身位姿的确定之后，采用单目相机与无扫描LIADR系统， 结合ICP算法对目标相对位姿进行确定，其具体工作原理如下:
[0029][1]通过星载单目相机对空间碎片进行拍摄，得到其在摄像机像平面上的像点坐标；
[0030][2]利用摄影测量几何方法，得到至少四个空间碎片特征点与其像平面像点的相互关系；
[0031][3]结合步骤[2]，通过无扫描LIDAR的测量结果对目标进行三维重构；
[0032][4]结合步骤[3]中的结果，利用EKF滤波器估计目标空间碎片的姿态。
[0033]如果目标空间碎片的姿态确定成功，则进入下一步:目标碎片抓捕过程;反之，则继续进行目标空间碎片的姿态确定。
[0034]在目标碎片抓捕过程中，非合作目标抓捕分系统开始工作。基于非合作目标识别分系统的结果，抓捕分系统利用基于位姿的视觉自适应PID控制方法对抓捕机械臂进行控制，从而完成对目标空间碎片的抓捕。
[0035]如果抓捕成功，则进入下一步;反之，则继续重复该抓捕过程。
[0036]当抓捕成功后，本系统中的控制分系统将会对抓捕后的空间碎片进行抓捕后控制。通过旋转仿生机械臂，以及操纵系统内部的姿态控制执行机构(飞轮，磁力矩器)完成抓捕后系统的稳定控制。
[0037]当上述控制过程完成后，进入电磁推进步骤。在这一步骤中，电磁推进分系统工作原理如下:
[0038][ 1 ]将捕获的空间碎片在粉碎室中进行粉碎；[〇〇39][ 2 ]将空间碎片粉末倒入电磁加速室中进行电磁加速；[〇〇4〇][3]将步骤[2]中加速后的空间碎片粉末喷出，利用其喷射的反作用力对航天器产生推力。
【主权项】
1.一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，其特征在于，所述系统包括:用于识别空间碎片的非合作目标识别分系统；用于抓捕空间碎片的非合作目标抓捕分系统；用于将抓捕的空间碎片进行粉碎并推出的电磁推进分系统；所述非合作目标识别分系统经过非合作目标抓捕分系统连接至电磁推进分系统，所述 非合作目标识别分系统包括自身位姿识别系统和非合作目标位姿识别系统。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，其特征在于:所述 自身位姿识别系统包括用于测量地磁场强度矢量的磁强计和用于输出恒星矢量方向的星 敏感器。3.根据权利要求1所述的一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，其特征在于，所述 非合作目标位姿识别系统包括相互连接的单目相机和无扫描式LIADR系统，所述非合作目 标识别分系统的输出端与单目相机连接。4.根据权利要求1所述的一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，其特征在于:所述 非合作目标抓捕分系统通过仿生壁虎爪抓捕机构对空间碎片进行抓捕。5.根据权利要求4所述的一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，其特征在于:所述 仿生壁虎爪抓捕机构的输出端连接有控制分系统，用于对抓捕到的空间碎片进行抓捕后控 制，通过旋转仿生机械臂以及操纵系统内部的飞轮和磁力矩器完成抓捕后系统的稳定控 制。6.根据权利要求1所述的一种基于电磁推进的空间碎片再利用系统，其特征在于:所述 电磁推进分系统包括用于对所述空间碎片进行粉碎处理的空间碎片粉碎器，所述空间碎片 粉碎器的输出端连接有粉末加速器，用于对粉碎后的粉末进行加速，所述粉末加速器的输 出端连接有电磁推进器，用于将加速后的空间碎片粉末喷出。
【文档编号】B64G4/00GK205602155SQ201620410329
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】侯翔昊, 袁建平, 陈建林
【申请人】西北工业大学