[发明专利]一种用于空间站舱外机动监视器的导航、控制与成像系统

说明书

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(Autonomous EVA 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。

附图说明

图1为本发明系统的组成原理框图。

具体实施方式

一、功能与组成