空间机器人非合作航天器在轨服务研究进展

随着空间机器人和交会对接等技术的不断成熟,在轨服务将成为各种航天器寿命延长、能力升级以及轨道垃圾清理的重要手段.目前在轨的航天器、太空碎片等都是非合作目标,即没有安装用于测量的合作标志器和便于抓捕的手柄等,对此类非合作航天器的在轨服务己成为近年来研究的热点.本文首先分析了空间机器人非合作航天器在轨服务的任务特点,介绍了其应用前景;然后对主要航天大国的发展现状进行了综述,归纳了非合作在轨服务的关键技术;最后,对未来的发展趋势进行了展望.     

基于网络化的航天器智能GNC系统体系架构研究

智能化的导航制导与控制系统(GNC)是提高航天器在轨自主运行能力及其智能性的关键分系统。本文从航天器GNC系统智能化的意义、智能GNC的基本特征、智能等级划分、国内外航天器智能信息系统研究现状等方面进行了介绍,结合国内航天器GNC系统研究现状,提出了下一代基于时间触发以太网(TTE)技术的航天器智能GNC系统体系架构,指出了需要研究的主要内容及关键技术,为航天器智能GNC系统的发展提供技术参考。     

面向在轨服务遥操作技术的研究与展望

回顾了面向在轨服务遥操作技术的发展现状。针对现代航天器对在轨服务的技术需求,分别从系统结构与体系结构、控制模式、控制技术等方面论述了面向在轨服务遥操作技术需要研究的主要关键技术问题。最后,对遥操作技术的未来发展进行了展望。     

接近非合作目标的部分状态反馈姿轨联合控制

飞行器在轨精度跟踪优化问题,根据在轨服务任务需求,针对非合作翻滚目标航天器的自主接近跟踪问题,首先从采用视线坐标系表示的轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数表示的姿态动力学方程出发,建立了航天器六自由度类拉格朗日动力学方程;然后仅利用相对位置和相对姿态反馈信息并针对航天器惯性参数不确定性,采用自适应非线性输出反馈控制和神经网络逼近控制方法设计了姿轨联合控制器,并通过Lyapunov直接法证明了该闭环系统的全局渐进稳定性;最后通过仿真验证了采用的方法能够实现对非合作目标的精确跟踪.     

航天器自主高精度时间管理系统设计

为满足航天器长期在轨飞行期间高精度的时间同步需求,提出了一种航天器自主高精度时间管理系统,将北斗导航定位授时设备和频率综合器两种时钟源系统进行融合使用,两种时钟源系统可根据导航定位状态自主切换,在消除了频率源系统误差累积效应问题的同时,解决了导航非定位情况下时间精度急剧下降的问题.通过建立系统的误差模型,以航天器应用设计实例进行计算分析,结果表明:系统时间同步精度优于37.8μs.研究结果可以为后续航天器高精度时间管理系统设计提供参考.     

一种考虑光照约束的地球同步轨道航天器自主绕飞轨道机动策略

针对地球同步轨道(GEO)航天器的在轨服务航天器自主绕飞问题,为了实现对目标的有效观测,本文研究提出了一种考虑光照约束的轨道机动策略.首先,在HILL坐标系中建立了服务航天器与目标航天器之间的相对运动模型,定义了光照方位角来描述太阳光照对目标航天器观测效果.然后,结合航天器相对运动特性,分析了自主绕飞的形成过程,设计了...     

基于立体视觉的非合作航天器相对导航

非合作航天器其没有可交互的传感器,传统的相对导航方法难以满足精度要求。根据非合作航天器相对导航特点,提出一种基于立体视觉的空间非合作目标相对导航算法。方法使用安装在追踪航天器上的立体视觉相机作为测量传感器,实现目标在追踪航天器体坐标系下相对位置的测量。在惯性坐标系下建立航天器相对运动方程,并离散化作为系统的状态方程,利用立体视觉的测量信息作为量测值,在此基础上设计基于卡尔曼滤波(Kalman filter)的两步滤波相对导航算法,实现航天器间相对导航状态的实时估计,仿真结果显示算法实时性、有效性,导航方法收敛速度较快,精度高,满足相对导航要求。     

自主在轨服务航天器空间对接过程建模与仿真

发展在轨服务技术是延长航天器的使用寿命,提升航天器的整体性能的一种有效手段.对采用了一种新型对接机构的两颗自主在轨服务航天器的空间对接过程,进行了运动学和动力学建模,并利用多体动力学仿真软件ADAMS建立控制系统的方法,进行了三组具有不同初始条件及控制作用的对比仿真分析,结果证明对接机构性能良好,在一般初始条件下均可实现可靠对接.另外,还结合仿真结果给出了部分改进设计,为对接机构的进一步完善提供了参考.     

基于时间状态的敏捷自主在轨服务航天器协同运动规划方法研究

面对未来工业化、军事化太空对空间体系在轨服务的需求,并兼顾敏捷自主在轨服务航天器自身和所在复杂空间环境等特点,对多敏捷自主在轨服务航天器系统的协同运动规划问题进行研究.利用以平动、转动和时间为状态的改进快速搜索随机树运动规划方法,对服务系统中各航天器灵巧、精确的协同运动进行规划.仿真算例检验了该方法的有效性,结果表明它能够满足敏捷服务航天器系统在一定约束条件下按指定时间到达指定地点的协同运动要求,并且面对此类高维运动规划问题具备一定的规划效率.     

航天器控制系统的自主诊断重构技术

自主诊断重构是确保航天器控制系统安全可靠自主运行的关键技术之一.本文针对航天器资源严重受限的客观情况,改变传统一味追求华丽算法与豪华配置的设计理念,从航天器的自身特性出发,深入挖掘诊断重构问题的本质,提出基于可诊断性与可重构性评价设计的研究思路.文章首先介绍了航天器自主诊断重构技术的发展现状,分析了当前技术的不足之处并探究了其深层原因;然后,提出了通过可诊断性与可重构性评价设计从根本上提高系统自主诊断重构能力的全新思路,梳理了其研究内容与研究概况;最后,对航天器控制系统自主诊断重构技术的发展趋势进行了展望.     

基于离散粒子群算法的航天器在轨服务任务分配问题研究

航天器任务分配对于提高多颗服务航天器之间的协同工作效率具有十分重要的意义;针对服务航天器协同目标分配问题特点,提出了一种基于离散粒子群算法的协同目标分配方法,设计了新的离散粒子群位置和速度更新公式,综合分析影响目标卫星价值、服务航天器损耗以及距离消耗等3项关键指标因素,建立了在轨服务任务分配问题的数学模型;仿真结果表明:离散粒子群算法具有收敛速度快、寻优能力强等优点,能够有效地解决多约束条件下的服务航天器协同任务分配问题,特别是在大规模的任务分配中,该方法具有很强的优越性。     

服务航天器近距离操作四维运动规划方法研究

为了解决空间自主在轨服务航天器近距离操作敏捷、精确的运动问题,针对操作窄间小、障碍复杂等特点,提出基于改进的快速搜索随机树的四维运动规划方法.仿真算例验证了所给出的叫维运动规划方法能够满足在指定时间到达指定地点的四维运动要求,而且对服务航天器近距离操作运动具有较强的适应性.     

空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术.首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知-决策-执行”(Perception-decision-action, PDA)自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing, assembly, and manufacturing, OSAM)控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考.     

航天器在轨基线控制系统设计与实现

航天器在轨状态管控是保证其在轨稳定运行的重要支撑;对设计师提出的单机工作状态、软件版本状态、运行模式状态、自主功能状态的管控需求进行研究,设计研制了航天器在轨基线控制系统,通过数据库逻辑分离、分布式部署、数据订阅发布等设计保证了系统的实时性能,实现了航天器飞行状态与基线状态的实时比对,能够帮助设计师快速发现航天器飞行状态异常;同时记录航天器在轨基线变更历史,形成航天器基线变更履历,实现航天器基线状态变更有记录、可追溯;飞行状态的实时监控是对传统遥测监视的有益补充,也为后续遥测监控系统的研制提供了新的思路和参考。     

Vision-based position and pose determination of non-cooperative target for on-orbit servicing

For finding an effective measurement for space non-cooperative targets in close distance, a vision-based position and pose determination algorithm of non-cooperative target for on-orbit servicing is investigated. First, the satellite-rocket docking ring’s region is separated from the background environment by a selected grayscale thresholding method and the Canny operator algorithm is used to extract the edge of the satellite-rocket docking ring. Furthermore, the mathematical alignment of the image plane and binocular stereo matching are used to obtain the correspondence of 3D points. Finally, the model of 3D reconstruction is established to determine the relative position and pose of the satellite-rocket docking ring. The ground simulation test shows that our method can measure the relative position and pose of the satellite-rocket docking ring effectively. The precision of the relative position is 0.001 m and that of the relative attitude is 0.1 deg., which satisfies the requirements of the relative measurement for non-cooperative target in extra-close range.

     

A monocular structured light vision method for pose determination of large non-cooperative satellites

A space robotic system is expected to perform on-orbit servicing missions to rescue malfunctioned satellites in geostationary orbit (GEO). In final berthing and capture, it is difficult for a space robot to determine the relative pose (attitude and position) of a non-cooperative malfunctioned satellite that is usually huge and without artificial recognition devices. In this paper, a space robot with a monocular structured light vision subsystem is introduced to solve the problem. Firstly, the monocular structured light vision subsystem composed of a single camera and a point light source is designed. Secondly, a partial rectangular shaped framework, which is very common on a non-cooperative malfunctioned satellite, is chosen as the recognition object for non-cooperative pose measurement. Using projection constraints on rectangle and circular points, a rectangle feature reconstruction algorithm is proposed. Thirdly, according to the reconstructed rectangle feature, a least square method of pose determination is presented. Lastly, using a semi-physical vision simulation system, several experiments of typical cases are simulated to verify the pose determination method of large non-cooperative target. The results show the validity and flexibility of the proposed method.