基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统及捕获方法转让专利
申请号 : CN201910759979.3
文献号 : CN110450990B
文献日 : 2021-03-30
发明人 : 党朝辉 , 周昊 , 罗建军 , 孙军 , 刘传凯 , 王明明 , 马卫华 , 孙冲
申请人 : 西北工业大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统,其特征在于,包括母星(100)、视星子群(200)和工星子群(300);
所述母星(100),所述母星(100)为航天器;用于搭载、释放和回收视星子群(200)和工星子群(300),为视星子群(200)和工星子群(300)的燃料补充、电量补充,并根据视星子群(200)测量信息进行数据融合和计算,根据数据融合和计算结果指挥和调度工星子群(300)实施逼近、贴附和接管空间非合作目标(400);
所述工星子群(300)包括两个以上具备轨道和姿态控制能力的工星(301),所述工星(301)上安装有轨道控制模块、姿态控制模块及星间无线通信模块,工星(301)用于通过星间无线通信接收母星(100)的控制指令,并按照指令调整自身轨道和姿态,并通过轨道和姿态协同控制的方式实现贴附在空间非合作目标(400)的可贴附表面;
所述视星子群(200)包括两个以上具备视觉成像或测量能力的视星(201);所述视星(201)上安装有视觉成像测量仪器或测量空间目标物理特性的仪器及星间无线通信模块,视星(201)用于通过获取空间非合作目标的整体或局部图像、工星(301)与空间非合作目标(400)的相对位姿关系图及视星(201)自身在空间中相对母星(100)的位姿关系,并通过星间无线通信将所获取的信息发送给母星(100);
所述母星(100)的搭载功能是指在接到空间非合作目标(400)捕获任务时,母星(100)会将视星子群(200)和工星子群(300)的所有微纳卫星固定在自身平台上,并通过轨道控制机动到指定的空间非合作目标(400)附近;
所述母星(100)的释放功能是指在平台到达空间非合作目标(400)附近后,母星(100)通过分离机构将各个微纳卫星弹射出去,实现各个微纳卫星在空间的自由漂浮;
所述母星(100)的回收功能是指在完成空间非合作目标(400)的捕获任务后,母星(100)通过引导各微纳卫星重新回到平台上,为搭载微纳卫星实现后续空间非合作目标(400)捕获做准备;
所述母星(100)的数据融合与计算功能是指通过星间无线通信获取视星子群(200)中各个视星(201)的测量信息,并通过星载计算机中的数据融合算法对这些信息进行处理,从中解算出空间非合作目标(400)的特征信息以及工星子群(300)中各工星(301)相对空间非合作目标(400)的位姿信息;
所述母星(100)的指挥和调度功能是指母星(100)通过解算得到的目标特征信息和相对空间非合作目标(400)的位姿信息,生成轨道和姿态控制指令,并通过星间无线通信将指令发送给各工星(301)从而指导完成对空间非合作目标(400)的捕获;
所述工星(301)在贴附到空间非合作目标(400)表面后,通过彼此联合的轨道和姿态控制对空间非合作目标(400)的轨道和姿态控制;
所述视星(201)对空间非合作目标(400)及贴附于其表面的工星(301)进行测量时,多个视星(201)均匀分布于空间非合作目标(400)的四周。
2.根据权利要求1所述的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统,其特征在于,所述母星(100)的补给功能是指母星(100)上携带燃料并具有太阳能电池板从而能够收集电量,当各微纳卫星上的燃料或电源即将用尽时,母星(100)通过资源共享的方式将燃料和电量输送给回收视星子群(200)和工星子群(300)。
3.根据权利要求1所述的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统,其特征在于,所述可贴附表面是指空间非合作目标(400)表面较为平整的局部区域,可贴附表面的面积比工星(301)的任一面的面积大。
4.根据权利要求1所述的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统,其特征在于,所述工星(301)根据空间非合作目标(400)的特征贴附于其外表面,且不同工星(301)贴附的位置不同。
5.根据权利要求1所述的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统,其特征在于,所述视星(201)和工星(301)均为微纳卫星,具有1U的整数倍大小。
6.权利要求1至5任一项所述的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统的捕获方法,其特征在于,包括以下步骤:
当所述捕获系统发现空间非合作目标(400)后,视星子群(200)从母星(100)释放并围绕空间非合作目标(400)进行悬停或绕飞观测,工星子群(300)从母星(100)释放并抵近至空间非合作目标(400)附近;视星子群(200)通过视觉测量获取空间非合作目标(400)的三维图像信息以及工星子群(300)中各微纳卫星相对空间非合作目标(400)的位姿状态,并将这些信息通过星间无线通信传递给母星(100),母星(100)对接收到的图像信息及相对位姿状态信息进行解算并据此生成控制指令,将指令通过无线通信传递给工星子群(300)中的各微纳卫星从而控制后者贴附至空间非合作目标(400)表面并完成对空间非合作目标(400)的姿态消旋和轨道控制。
7.根据权利要求6所述的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统的捕获方法,其特征在于,当协同使空间非合作目标(400)的姿态翻滚停止后工星(301)通过轨道控制将空间非合作目标(400)拖移到再入大气或将其转移到其它安全轨道。
说明书 :
基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统及捕获方法
技术领域
背景技术
目标。由于失去控制,空间非合作目标在轨道上处于姿态翻滚的状态,且其轨道随着空间复
杂摄动力的作用随机变化。空间非合作目标一方面会挤占空间轨道资源,使得新发射的航
天器没有合适的轨道选择;另一方面它也可能会碰撞正常航天器,从而给后者的运行带来
潜在的安全隐患。因此,如何捕获空间非合作目标并将其转移至安全轨道或通过轨道控制
将其重新返回大气层销毁成为当前航天领域的一大难题。
例如,空间飞网在捕获目标时容易因绳网结构的非线性、扭结和缠绕现象而导致飞网展开
失败;空间鱼叉在捕获目标时容易因鱼叉击碎目标而产生更多的空间非合作目标;空间机
械臂在捕获目标时容易因机械臂扭矩不足导致目标和本体发生碰撞从而任务失败。此外,
空间飞网和空间鱼叉等方案还只能一次性使用,这导致其捕获空间非合作目标的成本较
高。因此,研制一种分布式的、简单易操作的、可重复使用的、低成本的空间非合作目标捕获
方法,具有潜在的应用价值。
发明内容
根据数据融合和计算结果指挥和调度工星子群实施逼近、贴附和接管空间非合作目标;
的控制指令,并按照指令调整自身轨道和姿态,并通过轨道和姿态协同控制的方式实现贴
附在空间非合作目标的可贴附表面;
取空间非合作目标的整体或局部图像、工星与空间非合作目标的相对位姿关系图及视星自
身在空间中相对母星的位姿关系,并通过星间无线通信将所获取的信息发送给母星。
机动到指定的空间非合作目标附近;
间非合作目标的特征信息以及工星子群中各工星相对空间非合作目标的位姿信息;
工星从而指导完成对空间非合作目标的捕获。
的方式将燃料和电量输送给回收视星子群和工星子群。
通过视觉测量获取空间非合作目标的三维图像信息以及工星子群中各微纳卫星相对空间
非合作目标的位姿状态,并将这些信息通过星间无线通信传递给母星,母星对接收到的图
像信息及相对位姿状态信息进行解算并据此生成控制指令,将指令通过无线通信传递给工
星子群中的各微纳卫星从而控制后者贴附至空间非合作目标表面并完成对空间非合作目
标的姿态消旋和轨道控制。
捕获系统是分布式的,因而任意单个微纳卫星的故障或损坏均不会造成捕获方法的整体失
效,具有较强的故障容错性和鲁棒性。该捕获系统是自适应目标的,在轨工作时可根据对象
的大小及形状自动调节捕获方法中参与捕获的微纳卫星数量和具体捕获的位姿关系,因而
可适用于多种不同的捕获任务。该捕获系统支持可重复使用,即每当完成一个空间非合作
目标的捕获任务后还可通过各微纳卫星燃料和电源的补充,并通过回收、机动和再释放实
现对其它空间非合作目标的捕获,因而具有较高的经济实用性。本发明基于微纳卫星集群
的分布式捕获系统,具体优点主要包括四个方面。一是,微纳卫星研制和生产成本低廉,且
可通过在轨燃料加注等方式实现可重复使用,这使得整个捕获系统的经济效益较高。二是,
微纳卫星集群在捕获空间非合作目标时采用的是围捕贴附的方式,不会给被捕获目标及自
身造成损伤,因此是一种绿色可行的方案。三是,微纳卫星集群可以根据空间非合作目标的
大小自适应地调节参与任务的卫星数量,因此增加了在轨可捕获目标的多样性。四是,在围
捕过程中,即使有部分微纳卫星发生了故障,剩余微纳卫星也可以继续完成任务并将故障
的微纳卫星回收,因而提高了任务执行的鲁棒性和可靠性。
通过星间无线通信传递给母星,母星对接收到的图像信息及相对位姿状态信息进行解算并
据此生成控制指令,将指令通过无线通信传递给工星子群中的各微纳卫星从而控制后者贴
附至空间非合作目标表面并完成对空间非合作目标的姿态消旋和轨道控制。该捕获系统中
的微纳卫星可在补充燃料及电源的基础上重复使用,且单个微纳卫星的故障或损坏不会导
致整个捕获任务的失败,因而具有较高的经济性和可靠性。
附图说明
具体实施方式
发明。
过星间无线通信网络相连。
觉成像测量仪器或其它能够测量空间目标物理特性的仪器,同时所述视星201上还安装有
星间无线通信模块。
控制、姿态控制模块,同时安装有星间无线通信模块。
作目标400附近;视星子群200通过视觉测量获取空间非合作目标400的三维图像信息以及
工星子群300中各微纳卫星相对空间非合作目标400的位姿状态,并将这些信息通过星间无
线通信传递给母星100,母星100对接收到的图像信息及相对位姿状态信息进行解算并据此
生成控制指令,进一步将指令通过无线通信传递给工星子群300中的各微纳卫星从而控制
后者贴附至空间非合作目标400表面并完成对空间非合作目标400的姿态消旋和轨道控制。
该捕获系统中的微纳卫星可在补充燃料及电源的基础上重复使用,且单个微纳卫星的故障
或损坏不会导致整个捕获任务的失败,因而具有较高的经济性和可靠性。
机动到指定的空间非合作目标400附近。所述母星100的释放功能具体是指在平台到达空间
非合作目标400附近后,母星100通过分离机构将各个微纳卫星弹射出去,实现各个微纳卫
星在空间的自由漂浮。
获做准备。
法对这些信息进行处理,从中解算出空间非合作目标400的特征信息以及工星子群300中各
微纳卫星相对空间非合作目标400的位姿信息。
星的轨道和姿态控制指令,并通过星间无线通信将这些指令发送给各微纳卫星从而指导它
们完成对空间非合作目标400的捕获。
资源共享的方式将燃料和电量输送给各微纳卫星,从而实现后者的可重复使用。
整体或局部图像、工星301与空间非合作目标400的相对位姿关系图、视星201自身在空间中
相对母星100的位姿关系等信息。所述视星子群200的视星201,能够通过星间无线通信将所
获取的信息发送给母星100。
自身轨道和姿态。所述工星子群300中的工星301,是通过轨道和姿态协同控制的方式实现
贴附在空间非合作目标400的可贴附表面的。
附于其外表面合适位置,且不同工星301贴附的位置不同。
工星301,在贴附到空间非合作目标400表面后,通过彼此联合的姿态控制,例如通过反向的
推力器产生力偶,实现对目标的姿态控制。所述工星子群300中的工星301,当协同使空间非
合作目标400的姿态翻滚停止后可进一步通过轨道控制将其拖移到再入大气或将其转移到
其它安全轨道。
作目标400附近;视星子群200通过视觉测量获取空间非合作目标400的三维图像信息以及
工星子群300中各微纳卫星相对空间非合作目标400的位姿状态,并将这些信息通过星间无
线通信传递给母星100,母星100对接收到的图像信息及相对位姿状态信息进行解算并据此
生成控制指令,进一步将指令通过无线通信传递给工星子群300中的各微纳卫星从而控制
后者贴附至空间非合作目标400表面并完成对空间非合作目标400的姿态消旋和轨道控制。
该捕获系统中的微纳卫星可在补充燃料及电源的基础上重复使用,且单个微纳卫星的故障
或损坏不会导致整个捕获任务的失败,因而具有较高的经济性和可靠性。
过捕获系统的作用,使得空间非合作目标400的自旋停止。本发明的捕获系统由1颗母星
100、8颗视星201构成的视星子群200、18颗工星301构成的工星子群300三部分构成。
间非合作目标400及贴附于其表面的工星301进行高精度成像测量。每个视星201的观测视
场范围为60度的锥角,两两视星201之间的视场存在部分重叠,整个视星子群200可覆盖360
度的全部视场,从而实现无死角观测。各视星201测量的图像信息通过星间无线通信传递给
母星100。母星100通过星载计算机上的图像识别算法计算得到空间非合作目标400的质量、
转动惯量、姿态、姿态角速度等信息,同时通过相对导航算法得到各工星301相对空间非合
作目标400的位姿关系。
301执行控制指令,产生期望的控制力矩和控制力,从而实现空间非合作目标400的姿态消
旋和轨道控制,完成对空间非合作目标400的捕获。
修改或者等同替换,而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均在
本发明的权利要求保护范围之内。