专利名称：一种用于空间站舱外机动监视器的导航、控制与成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可安装于独立于空间站舱外机动监视器上，能够对空间站进行自主相对导航、控制与成像监视的系统或装置。
背景技术：
从上世纪80年代开始，随着载人航天与空间站的研究和发展，为了在轨进行载人飞船和空间站舱外状态检查(如光学表面检查、测量表面温度、发现结构损伤、机械故障等)，并对航天员舱外活动进行监视，国际上对具有舱外机动监视功能的航天器进行了深入研究和开发，研制了相应的航天器并发射上天。比较典型的有美国的AERCam(AutonomousEVA Robotics Camera) Sprint、美俄等国合作的 Inspector。为代替航天员进行舱外活动，减少航天员舱外活动的风险和费用，从1994年开 始，德国、俄罗斯和美国联合研制了空间站舱外监视器Inspector。1997年，Inspector首先在“和平”号空间站上进行了飞行试验，取得了部分成功。改进设计后，Inspector用于国际空间站的舱外监视、维护和维修操作。Inspector呈六边形,高900mm,质量为70kg。舱外机动监视技术是载人航天(飞船、空间站)的关键技术之一，也可应用于空间攻防与对抗领域，属于高度保密技术。我国载人航天工程已经完成第一步，正在研制和发射我国自主的空间实验室和空间站。但我国目前尚没有用于空间实验室或空间战的舱外机动监视设备。
发明内容
本发明的技术解决问题是根据我国未来空间站的特点，提出了一种舱外机动监视器的导航、控制与成像系统，通过一颗独立的舱外机动监视器，能够对空间站进行自主相对导航、控制与成像监视。本发明的技术解决方案是一种用于空间站舱外机动监视器的导航、控制与成像系统，包括前向相机、侧向相机、标志器阵列、陀螺、GPS接收机、推力器组件、控制计算机、数码相机和CMOS相机，其中前向相机安装在空间站舱外机动监视器的前端，用于获取空间站舱外机动监视器前方的图像信息；侧向相机安装在空间站舱外机动监视器的两侧，用于获取空间站舱外机动监视器前进过程中两侧的图像信息；标志器阵列安装于空间站上需要监视的区域作为导航测量的标志；陀螺正交安装在空间站舱外机动监视器本体坐标系三轴的方向上，测量空间站舱外机动监视器的绝对角速度在空间站舱外机动监视器本体坐标系三个坐标轴上的分量；所述的空间站舱外机动监视器本体坐标系的原点位于空间站舱外机动监视器的质心，X轴正方向为前向相机的光轴指向，Y轴正方向为侧向相机的光轴指向，Z轴与X轴和Y轴满足右手定则；
GPS接收机安装在空间站舱外机动监视器上，与安装在空间站上的GPS接收机构成差分GPS测量系统，确定空间站舱外机动监视器相对于空间站的相对位置和相对速度；推力器组件作为空间站舱外机动监视器姿态控制和轨迹控制的执行机构；数码相机和CMOS相机对空间站进行静止黑白和彩色照片拍摄，获取空间站的影像；控制计算机利用前向相机和侧向相机所成的影像进行相对导航测量，当前向相机和侧向相机所成的影像中包含有标志器阵列时，通过单目或双目导航算法确定空间站与空间站舱外机动监视器的相对距离和相对方位，当前向相机和侧向相机所成的影像中未包含有标志器阵列时，通过超近距离特征遗传算法确定空间站与空间站舱外机动监视器的相对距离和相对方位；对陀螺的直接测量量进行积分，得到空间站舱外机动监视器本体坐标系相对惯性坐标系的姿态角，通过相平面控制算法对空间站舱外机动监视器的三轴姿态进行控制；利用差分GPS测量系统输出的空间站与空间站舱外机动监视器在惯性坐标系中的 相对位置和相对速度，或者利用前向相机和侧向相机所成的影像进行解算得到的空间站与空间站舱外机动监视器在惯性坐标系中的相对位置和相对速度，对空间站舱外机动监视器进行轨迹控制。本发明与现有技术相比的优点在于本发明系统将导航、控制、成像监视这三个相互关联的功能进行集成化设计，除控制计算机外的其余部组件均可采用微小型化产品，将相对导航相机与成像相机一体化设计，所有计算、控制与图像处理集成在控制计算机中，在空间站舱外机动监视器重量、体积、功耗等资源受限条件下，实现了相对导航、控制与成像监视功能；通过在两个侧向安装侧向相机，增强了舱外监视器的避碰能力，提高了在轨运行的安全性。
图I为本发明系统的组成原理框图。
具体实施例方式一、功能与组成空间站舱外机动监视器对重量、体积、功耗等均具有严格的限制。本发明用于空间站舱外机动监视器的导航、控制与成像系统，采用一体化设计思想，配置微小型部组件，能够对空间站进行自主相对导航、控制与成像监视。如图I所示，本发明系统主要由相对导航测量子系统、姿态与轨迹控制子系统、监视成像子系统组成。相对导航测量子系统的主要功能是完成基于空间站的相对导航测量、对特定区域进行高精度成像、进行监视器与空间站碰撞告警。该子系统的组成包括2台前向相机、2台侧向相机、标志器阵列(安装在空间站上)、GPS接收机。姿态与轨迹控制子系统的主要功能是进行空间站舱外机动监视器的姿态确定，基于敏感器信息完成相对于空间站的轨迹控制。该子系统的组成包括敏感器(陀螺)、执行器(推力器组件)、控制计算机。监视成像子系统的主要功能是高分辨率采集空间站的图像。该子系统的组成包括数码相机、CMOS相机以及相对导航子系统中的4台相机(即该4台相机用于相对导航的同时，还可以进行成像)。上述部组件均采用微小型化的部组件，前向相机和侧向相机为小型光电相机、标志器阵列采用光电二极管阵列、陀螺为轻小型光纤陀螺、GPS接收机为差分型GPS接收机、推力器为冷气推力器组件、数码相机和CMOS相机为固体成像器件型。控制计算机作为主要的控制部件，将相对导航、姿态确定、轨迹控制、图像处理等功能集成起来。二、导航、控制及图像处理方法和过程I、相对导航测量方法和过程是相对导航测量主要是获得舱外机动监视器相对于空间站的相对位置和相对速度。采用两种方式a)利用差分GPS接收机确定空间站与空间站舱外机动监视器之间在惯性坐标系(JPEG2000)中的相对位置和相对速度矢量；b)通过 前向和侧向相机采集标志器阵列(或者其中的参考光点)图像，然后在控制计算机上解算出与空间站的距离矢量信息，滤波得到相对位置和相对速度信息。在有标志器阵列的区域，通过单目或双目导航算法(如《光学学报》2008,28(11) “基于网格点投影灰度相似性的三维重建新方法”；《计算机工程》2008，34 (3) “机器人双目视觉系统的算法研究与实现” ’华中科技大学马光志2008年的硕士论文“基于双目立体视觉的手术器械跟踪定位研究”等)，确定空间站和空间站舱外机动监视器的相对距离和相对方位。在没有标志器阵列(距离空间站较近的区域时)，采用超近距离特征遗传算法进行相对导航测量(如《计算机技术与发展》2011，21(1) “基于佳点集遗传算法的特征选择方法”；中国人民解放军信息工程大学徐丽萍2005年的硕士论文“基于遗传算法的特征获取技术及其应用”等)。这两种方式互为备份，增强了相对导航系统的可靠性、提高了系统运行的安全性。2、姿态确定与轨迹控制方法和过程是利用陀螺直接测量出空间站舱外机动监视器的绝对角速度在其本体坐标系三轴上的分量，通过积分得到空间站舱外机动监视器本体坐标系相对惯性坐标系的姿态角。然后联合相对导航得到的相对位置和相对速度等导航信息，采用相平面控制算法，由推力器组件提供姿态控制力矩，对其三轴进行独立控制，即可达到预定的姿态和位置。3、前向和侧向相机采集的图像，同时作为监视成像的图像，此外，数码相机能够实现高分辨率的静止照片拍摄，对空间站背光面进行拍摄检查。CMOS相机可以实现彩色摄像。采集的图像在控制计算中进行通行的编码、压缩、存储和传输，相应的方法如《遥感学报》2001，5 (3) “航天清华一号”微小卫星及其图像处理”等。三、控制计算机的工作模式控制计算机主要有四种主要的工作模式，分别是释放与回收机动模式、位置保持模式、紧急避碰机动模式、相对轨道机动模式。释放与回收机动模式，指舱外机动监视器从空间站上的释放点机动到目标位置(或者反之)过程中的工作模式，在此模式中采用基于CW模型的脉冲机动方式，使舱外机动监视器的运动轨迹保持在一定视场角度以内。位置保持模式，指舱外机动监视器对特定区域进行监视时，进行的位置保持，采用误差控制策略，当相对位置和速度超差，启动脉冲控制，使得舱外机动监视器位置保持在期望的区域内。
紧急避碰机动模式，指为了空间站与宇航员的安全，从主动与被动两种方式保证避碰，主动方式是指当相对距离小于安全距离时，启动脉冲控制，返回到安全距离；被动方式是指即使推力器失效，从轨迹设计上，规划出保证避碰的运动轨迹。相对轨道机动模式，指实现舱外机动监视器从某个区域机动到其他区域，根据任
务确定初始和末端状态后，利用最优多脉冲相对轨道机动算法，可实现舱外机动监视器的转移。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种用于空间站舱外机动监视器的导航、控制与成像系统，其特征在于包括前向相机、侧向相机、标志器阵列、陀螺、GPS接收机、推力器组件、控制计算机、数码相机和CMOS相机，其中 前向相机安装在空间站舱外机动监视器的前端，用于获取空间站舱外机动监视器前方的图像信息； 侧向相机安装在空间站舱外机动监视器的两侧，用于获取空间站舱外机动监视器前进过程中两侧的图像信息； 标志器阵列安装于空间站上需要监视的区域作为导航测量的标志； 陀螺正交安装在空间站舱外机动监视器本体坐标系三轴的方向上，测量空间站舱外机动监视器的绝对角速度在空间站舱外机动监视器本体坐标系三个坐标轴上的分量；所述的空间站舱外机动监视器本体坐标系的原点位于空间站舱外机动监视器的质心，X轴正方向为前向相机的光轴指向，Y轴正方向为侧向相机的光轴指向，Z轴与X轴和Y轴满足右手定则； GPS接收机安装在空间站舱外机动监视器上，与安装在空间站上的GPS接收机构成差分GPS测量系统,确定空间站舱外机动监视器相对于空间站的相对位置和相对速度； 推力器组件作为空间站舱外机动监视器姿态控制和轨迹控制的执行机构； 数码相机和CMOS相机对空间站进行静止黑白和彩色照片拍摄，获取空间站的影像；控制计算机利用前向相机和侧向相机所成的影像进行相对导航测量，当前向相机和侧向相机所成的影像中包含有标志器阵列时，通过单目或双目导航算法确定空间站与空间站舱外机动监视器的相对距离和相对方位，当前向相机和侧向相机所成的影像中未包含有标志器阵列时，通过超近距离特征遗传算法确定空间站与空间站舱外机动监视器的相对距离和相对方位；对陀螺的直接测量量进行积分，得到空间站舱外机动监视器本体坐标系相对惯性坐标系的姿态角，通过相平面控制算法对空间站舱外机动监视器的三轴姿态进行控制；利用差分GPS测量系统输出的空间站与空间站舱外机动监视器在惯性坐标系中的相对位置和相对速度，或者利用前向相机和侧向相机所成的影像进行解算得到的空间站与空间站舱外机动监视器在惯性坐标系中的相对位置和相对速度，对空间站舱外机动监视器进行轨迹控制。
全文摘要
一种用于空间站舱外机动监视器的导航、控制与成像系统，主要由相对导航测量子系统、姿态与轨迹控制子系统、监视成像子系统组成。相对导航测量子系统包括前向相机、侧向相机、标志器阵列、GPS接收机。姿态与轨迹控制子系统包括陀螺、推力器组件、控制计算机。监视成像子系统包括数码相机、CMOS相机以及相对导航子系统中的前向相机和侧向相机。上述部组件中，除控制计算机外，均采用微小型化部件。通过本发明系统，可以使得空间站舱外机动监视器在满足体积、重量、能耗等约束的条件下，实现对航天员出舱活动进行监视、对空间站对接端进行探测、对空间站交会对接过程进行监测、对典型位置近距离拍照探测。
文档编号G01S19/49GK102736633SQ20121022281
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者丁延卫, 张晓敏, 马林 申请人:航天东方红卫星有限公司