非合作旋转航天器视觉位姿测量关键技术研究

发布时间：2022-01-11 10:13

　　近几十年来,随着全球航天热潮的兴起,人类开展的航天活动逐年增多,航天器发射的数量和种类也是逐年攀升,与此同时,也相应的产生了大量空间碎片,包括运载火箭残骸、失效卫星和空间飞行器碰撞等产生的碎片。随着科技的的不断进步,基于天基载荷的碎片观测方式受到各国航天界越来越多的关注。相比于地基观测,天基手段具有实时性更强的特点,而且受气象条件和地理位置等的约束较小。视觉相机具有重量轻,体积小,精度高等特点,能够提供针对目标的高分辨率图像,已成为航天器在轨服务、空间操控、交会对接行星车运行等任务测量导航的重要技术手段。根据是否使用被测物体的模型可以分为基于模型的和非基于模型的测量方法两条路线。前者一般需要被测物体的模型或先验知识,这类方法比较常见。非基于模型的测量法方不使用任何被测目标的先验信息,因此更具有挑战性。而且空间碎片或者失效飞行器往往绕其惯性主轴做自旋运动,虽然处于一种自旋稳定状态,但是对其运动状态测量的难度相比静止稳定物体而言又增加了若干倍,主要体现在对目标特征的快速提取和稳定跟踪以及重访区域的闭环检测和位姿优化。针对以上难点本文主要从以下几个方面进行了研究,具体内容如下:针对非合作旋转... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：131 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

高轨航天器及碎片分布示意图

哈尔滨工业大学工程博士学位论文-2-1.1.2低轨失效卫星碰撞概率攀升自1957年以来，5500多次航天发射导致今天有超过23000个轨道碎片物体，其中只有约1300个工作卫星，其余都是碎片。目前随着小卫星技术的迅猛发展，未来在轨卫星的数量将会成倍的增长。近地轨道空间将日益繁忙，与此同时也将带来巨大的安全隐患。2020年我国在轨卫星将超过200颗，即未来五年，我国每年发射的低轨卫星数量均将超过10颗。按照低轨卫星5年左右的设计寿命，每年我国都会有10颗以上、造价不菲的低轨卫星到达寿命末期，进入故障频发的、甚至失效的高风险阶段。这些航天器不仅无法完成既定任务，而且还会造成每年数十亿人民币的直接经济损失；同时面临直接沦为大型空间碎片的巨大风险，极有可能与其它航天器发生碰撞导致碎片大幅攀升，更是对正常运行航天器造成不可估量的直接威胁。从挽回经济损失、避免沦为碎片进而威胁正常卫星运行等角度考虑，亟需对寿命末期或故障航天器进行清理，且应当考虑两方面目标：一是避免其形成大型碎片，威胁在轨卫星；二是可以考虑使其功能重建、继续服役，提升应用效能。低轨失效卫星的主动清除面临迫切需求，且从经济性角度考虑，亟需突破传统的“离轨再入”清除方式，实现失效卫星的“再利用”。图1-2低轨航天器及碎片分布示意图Fig.1-2Distributiondiagramofloworbitspacecraftanddebrisdistribution

第1章绪论-3-综上所述，一方面，失效航天器占据了宝贵的轨道资源，同时增加了航天器间发生碰撞的安全隐患；另一方面，失效航天器也形成了可观的在轨再生资源。如果根据航天器不同的失效原因，采取相应的在轨维护策略，帮助助其获得重生，这将实现在轨资源的可重复利用，释放日益紧张的有限轨道资源，降低空间系统的建设成本，缩短航天器研制周期，最终可以实现经济效益的巨大提升[6]。1.2非合作航天器视觉测量技术研究现状1.2.1国外研究现状(1)国外失效卫星主动清除的相关计划欧空局太空碎片移除计划(e.Deorbit)，该计划属于欧空局清洁太空倡议，目的在于移除800-1000km太阳同步轨道和极地轨道上的大质量目标。2012年开始，目前已经完成初步分析，2015年6月转入细节设计阶段，计划2021年发射。以大质量非合作失效航天器为目标，验证多角度目标观测、多种抓捕方式的捕获、脱轨技术与能力。图1-3飞网目标抓捕试验过程示意Fig.1-3Flighttargetcapturetestprocessdiagram关键技术包括：非合作失效航天器的多角度观测与测量、安全抵近、抓捕、组合体控制、离轨控制；机械臂、触须、飞网、离子束引导等多种目标抓捕方式。瑞士“清洁太空一号”，瑞士空间中心负责的“清洁太空一号”已经在轨道上运行了五年，目前号称已经实现了第一个里程碑，经过测试，已经掌握了目标捕获系统的设计和操作方法。未来将在近地轨道上部署微纳低成本清洁卫星，推动空间碎片改变轨道，最后坠入大气层烧毁。

【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于点云配准的卫星运动参数辨识方法[J]. 鲁荣荣,孙海波,付双飞,朱枫,郝颖明.  激光与光电子学进展. 2019(14)
[2]基于导航接收机的自旋卫星姿态确定方法[J]. 王伟,方宝东,彭玉明.  上海航天. 2015(04)
[3]空间翻滚非合作目标相对位姿估计的视觉SLAM方法[J]. 郝刚涛,杜小平,宋建军.  宇航学报. 2015(06)
[4]失效卫星再利用系统方案设想[J]. 闫海平,和宇硕,冯月,张柏楠.  航天器工程. 2014(05)
[5]基于特征融合的非合作航天器位姿测量方法[J]. 王志超,王滨,李志奇,刘宏.  高技术通讯. 2013 (11)
[6]基于核主元投影的视觉跟踪算法[J]. 戴家树,邓廷权,董天祯,谢巍.  计算机仿真. 2013(09)
[7]基于功率谱AMSF的微动特征提取算法[J]. 杨予昊,李士国.  空军预警学院学报. 2013(03)
[8]空间碎片现状与清理[J]. 林来兴.  航天器工程. 2012(03)
[9]空间在轨服务技术进展[J]. 李岩,党常平.  兵工自动化. 2012(05)
[10]卫星在轨失效统计分析[J]. 张森,石军,王九龙.  航天器工程. 2010(04)

博士论文
[1]复杂环境下基于多特征融合的目标跟踪关键技术研究[D]. 刘明华.青岛科技大学 2016
[2]移动机器人视觉同时定位与地图构建关键算法研究[D]. 吴俊君.华南理工大学 2013

硕士论文
[1]非合作航天器视觉位姿测量方法的研究[D]. 王志超.哈尔滨工业大学 2013



本文编号：3582605