CN106767843B - 一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器。提出了一种基于均匀后向反射标志的合作目标设计，其包括6个反光标志，它们按照设计好的空间几何拓扑构型安装在一个圆盘型支架上；每个反光标志包括玻璃微珠面板、窄带滤光片、抗辐射玻璃、壳体。这种合作目标标志器具有反射效率高、反光均匀性好、光能量稳定性高、抗杂光干扰能力强、体积小、重量轻的优点，它解决了常规的合作目标在超近距离时反射效率低、反光均匀性下降造成系统测量精度下降、测量可靠性降低的不足，适合用在交会对接超近距离高精度测量场合。

Description

一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器
技术领域
本发明涉及一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器，应用于空间交会对接视觉测量的超近距离合作目标设计。
背景技术
月球轨道交会对接是实施月球探测工程的关键技环节。月球探测器在月球表面完成月面行走巡视、月球探测、月壤取样后，将从月球表面起飞，上升到环绕月球轨道，与驻留在该轨道上的月球返回飞行器交会对接，组合在一起，返回地球。在两飞行器距离从150米到对接完成过程中，交会对接视觉测量系统是唯一能够同时提供位置和姿态六自由度测量信息的设备，是交会对接的关键设备。
交会对接视觉测量系统由安装在月球探测器上的视觉测量相机和安装在月球返回飞行器上的合作目标组成，通过视觉测量相机对合作目标成像与图像处理，可以获得视觉测量相机相对于合作目标的相对位置和相对速度、相对姿态角和相对姿态角速度，从而为两飞行器交会对接提供相对导航信息。
在月球探测器与月球返回飞行器交会对接过程中，随着交会对接距离的接近，对视觉测量系统精度要求也越高，其中在1米到0.3米位置测量精度达到了毫米级，姿态测量精度达到角分级。测量精度合作目标的性能直接相关。
为了实现超近距离高精度测量性能，提出了一种基于均匀后向反射标志的合作目标设计，具有反射光均匀性好、光能量稳定性高、反射效率高、抗杂光干扰能力强的优点，它解决了常规的合作目标在近距离时反射效率低、反光均匀性下降造成系统测量精度下降、测量可靠性降低的不足，适合用在交会对接近距离高精度测量场合。
文献如下：
[1]张海峰，程志恩，李朴等，激光雷达合作目标设计及其在空间交会对接中的应用，红外与激光工程，2015年第4卷第9期
[2]Chang,C.-C.；Su,M.-C.；Yang,Y.-C.；Tsai,J.-c.Design,Fabrication,andCharacterization of Tunable Cat's Eye Retroreflector Arrays as OpticalIdentification Tags.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.32,NO.3,FEBRUARY 1,2014
文献情况：
文献[1]利用角反射器把入射光束按照入射方向原路反射回去的机理，通过多个角反射器以一定的几何构型组合在一起，为视觉测量系统提供合作目标；该文中采用多个角反射器密接形成合作目标，体积大，可以实现单个回光标志组成的合作目标，但无法实现超近距离时对合作目标提出的微小尺寸、高均匀性的需要；
文献[2]提出了采用猫眼透镜形成合作目标，同样存在超近距离时回光不均匀、体积大的问题，可以用于远距离时单个回光标志组成的合作目标的场合，但不能满足超近距离时，多个回光标志组成的微小尺寸合作目标应用场合。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种月球轨道交会对接高精度超近距离测量用合作目标设计，有效解决了超近距离合作目标回光均匀性、回光效率、微小型化以及视觉容错问题，解决了交会对接视觉测量系统在超近距离测量合作目标回光均匀性差、回光效率低造成的测量精度低问题，以及超近距离要求微小型合作目标的设计要求。
本发明的技术方案是：一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器，包括6个反光标志、圆盘型支架；6个反光标志均布在圆盘型支架上，各个反光标志之间呈60°分布，其中一条轴线上的两个反光标志通过支撑柱凸出圆盘型支架放置。
所述的反光标志包括玻璃微珠面板、窄带滤光片、抗辐射玻璃、壳体；玻璃微珠面板、窄带滤光片、抗辐射玻璃从左到右依次固定安装于壳体中。
所述的玻璃微珠面板中的玻璃微珠的尺寸选取为10um-20um。
所述的窄带滤光片通光谱段选取为840nm-860nm，截至深度为10-4。
所述的抗辐射玻璃的材料选取为熔融石英。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)利用玻璃微珠面板、窄带滤光片、抗辐射玻璃组合设计了回光反射标志，设计具有视觉容错能力的合作目标几何拓朴构型，同时充分考虑了深空辐射、太阳干扰等多方面因素，有效解决了合作目标微小型、大发散角、高均匀反光能力和高反射效率与可靠性等问题，为交会对接视觉测量系统在月球轨道复杂背景环境下的可靠工作提供了有力支撑。
2)本发明首次把玻璃微珠面板应用到空间领域，并通过带通滤光片进行抗阳光干扰设计，该合作目标设计结构简单，便于加工生产，具有重量轻、反射率高、反光均匀稳定、可靠性高、成本低的优点，既可应用于月球轨道交会对接任务，还可以应用于空间站交会对接、空间站机械臂在轨操作等交会对接任务要求合作目标长期在轨工作的长寿命场合，也可以应用于飞行着陆助降等工业领域，具有通用性，有广阔地的应用前景。
附图说明
图1a为合作目标几何结构正视图；
图1b为合作目标几何结构侧视图；
图2为回光反射标志结构。
具体实施方式
交会对接测量相机利用照明光源对合作目标照明，合作目标把照明光束能量按原路反射回相机后成像、图像处理完成相对位置姿态测量。传统合作目标基于角反射器或猫眼透镜实现，对于超近距离测量应用场合，存在两个不足：一是其回光能量受到入射角度的影响较大，随着入射角增大回光效率下降较快，而且不同角度回光均匀性较低；二是由于角反射器、猫眼透镜工作原理限制，零件尺寸无法做得太小，因此无法实现超近距离用的微小型合作目标。上述两个不足直接影响到交会对接相机测量精度、可实现的最小测量距离，这两个指标对于月球轨道交会对接任务非常关键。
本发明针对月球轨道交会对接视觉测量系统研制过程中利用玻璃微珠面板、窄带滤光片、抗辐射玻璃组合设计了回光反射标志，设计具有视觉容错能力的合作目标几何拓朴构型，同时充分考虑了深空辐射、太阳干扰等多方面因素，有效解决了合作目标微小型、大发散角、高均匀反光能力和高反射效率与可靠性等问题，为交会对接视觉测量系统在月球轨道复杂背景环境下的可靠工作提供了有力支撑。
本发明一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器，包括6个反光标志1、圆盘型支架2；6个反光标志1均布在圆盘型支架2上，各个反光标志1之间呈60°分布，其中一条轴线上的两个反光标志1通过支撑柱凸出圆盘型支架2放置。所述的反光标志1包括玻璃微珠面板3、窄带滤光片4、抗辐射玻璃5、壳体6；玻璃微珠面板3、窄带滤光片4、抗辐射玻璃5从左到右依次固定安装于壳体6中。所述的玻璃微珠面板3中的玻璃微珠的尺寸选取为10um-20um。所述的窄带滤光片4通光谱段选取为840nm-860nm，截至深度为10-4。所述的抗辐射玻璃5的材料选取为熔融石英。
本发明的设计特点为：
(1)该设计由6个微小型、轻量化回光反射标志组成，通过专门设计的几何拓朴构型组合在一起，该几何拓朴构型既保有利于保证测量精度，又具备视觉容错能力，确保部分回光反射标志因超出视场、被强太阳光干扰、损坏等原因未被相机成像时，系统仍能够完成测量任务；
(2)每个回光反射标志通过彩圆形玻璃微珠面板、带通滤光片、抗辐射保护玻璃、机械壳体等实现微小型、轻量化设计；
(3)玻璃微珠面板反光均匀、稳定、反光区域边缘清晰，且具有类朗伯体反射特性，便于相机成像后图像处理，保证了测量时图像质心精度；
(4)考虑月球轨道强太阳光干扰影响，通过专门的带通滤光片设计，确保只反射感兴趣谱段照明光，而对于通带外的空间太阳光截止不反射，有利于提高敏感器的抗阳光干扰性能；
单个回光反射标志重量不到20g，合作目标总重量不超过160g，实现了轻量化设计。
主要技术方案如下图1、图2所示，主体结构利用玻璃微珠面板、窄带滤光片、抗辐射玻璃组合设计了回光反射标志，设计具有视觉容错能力的合作目标几何拓朴构型。具体实施过程如下：
(1)根据交会对接视觉测量系统测量范围需求，按图1所示几何拓朴结构配置合作目标，共由6个回光反射标志按一定的几何构型组合而成；
(2)每个回光反射标志由玻璃微珠面板、窄带滤光片、抗辐射玻璃、壳体结构组成，结构形式如图2所示；
(3)考虑月球轨道强太阳光干扰影响，采用专门的带通滤光片，确保只反射感兴趣谱段照明光束，而对于通带外的空间太阳光截止不反射，有利于提高敏感器的抗阳光干扰性能。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器，其特征在于：包括6个反光标志(1)、圆盘型支架(2)；6个反光标志(1)均布在圆盘型支架(2)上，各个反光标志(1)之间呈60°分布，其中一条轴线上的两个反光标志(1)通过支撑柱凸出圆盘型支架(2)放置；所述的反光标志(1)包括玻璃微珠面板(3)、窄带滤光片(4)、抗辐射玻璃(5)、壳体(6)；玻璃微珠面板(3)、窄带滤光片(4)、抗辐射玻璃(5)从左到右依次固定安装于壳体(6)中。
2.根据权利要求1所述的一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器，其特征在于：所述的玻璃微珠面板(3)中的玻璃微珠的尺寸选取为10um-20um。
3.根据权利要求1所述的一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器，其特征在于：所述的窄带滤光片(4)通光谱段选取为840nm-860nm，截至深度为10-4。
4.根据权利要求1所述的一种月球轨道交会对接超近距离测量用合作目标标志器，其特征在于：所述的抗辐射玻璃(5)的材料选取为熔融石英。
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激光雷达合作目标设计及其在空间交会对接中的引用;张海峰等;《红外与激光工程》;20150930;第44卷(第9期);第2556-2561页

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