CN108263644A - 一种航天器交会对接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航天器交会对接装置及方法，通过航天器交会对接装置中的图像获取装置获取航天器交会对接装置中的至少三个光源的图像；根据所获取的图像，得到图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息，从而可以基于相对位置信息自动引导追踪航天器到目标航天器的初始瞄准点，这样在交互对接的最终逼近阶段和停靠对接阶段可以省去人工调整环节，通过自动对准方式使得追踪航天器能够精准地对准目标航天器的初始瞄准点，提高交会对接成功的几率，进而提高对接的安全性。

Description

一种航天器交会对接装置及方法

技术领域

本发明属于航天器技术领域，更具体地说，尤其涉及一种航天器交会对接装置及方法。

背景技术

随着航天技术的不断发展，交会对接在目标航天器和追踪航天器的对接过程中起着至关重要的作用，通过交会对接可实现目标航天器和追踪航天器之间的交互识别以及追踪航天器对目标航天器的定位。目前交会对接包括：地面导引、近距导引、最终逼近及停靠对接这四个阶段，对于这四个阶段中目标航天器和追踪航天器之间的工作过程如下：

在地面导引阶段，追踪航天器在地面测控的支持下经过若干次变轨机动，使得追踪航天器进入到追踪航天器上的敏感器能捕获目标航天器的范围；

在近程导引阶段，追踪航天器通过追踪航天器上的敏感器，如微波雷达和短距离敏感器测量追踪航天器与目标航天器的相对运动参数，并根据相对运动参数将追踪航天器自动引导到目标航天器的初始瞄准点；

在最终逼近阶段，追踪航天器通过其上的敏感器捕获目标航天器的对接轴，当对接轴线不沿轨道飞行方向时，追踪航天器在轨道平面外进行绕飞机动，以使得追踪航天器进入对接走廊；

在停靠对接阶段，追踪航天器通过测量系统精确测量追踪航天器和目标航天器之间的距离、相对速度和姿态，同时启动小型发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标航天器逼近。在对接前关闭小型发动机，以0.15～0.18米/秒的停靠速度与目标航天器相撞，最后利用栓-锥或异体同构对接装置使追踪航天器和目标航天器在结构上实现硬连接，完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接，从而完成追踪航天器和目标航天器的交互对接。

但是在上述交互对接的各阶段中，如最终逼近阶段和停靠对接阶段，需要航天员根据追踪航天器和目标航天器的相对位置对追踪航天器进行调整，以使得其对准初始瞄准点，而这种手动对准方式可能存在一定偏差，从而导致交互对接的失败，降低对接的安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种航天器交会对接装置及方法，用于提高对接的安全性。技术方案如下：

本发明提供一种航天器交会对接装置，所述装置包括：至少三个光源、第一发送单元、第一接收单元、图像获取装置、处理器、第二发送单元和第二接收单元；

所述至少三个光源、所述第一发送单元和所述第一接收单元位于目标航天器上、且所述至少三个光源设置在所述目标航天器的对接面上但所述至少三个光源所在位置不在一条直线上；

所述图像获取装置、处理器、第二发送单元和第二接收单元设置在追踪航天器上，且所述第二发送单元与所述第一接收单元进行通信，所述第二接收单元与所述第一发送单元进行通信；

所述图像获取装置用于获取所述至少三个光源的图像；

所述处理器用于根据所获取的图像，得到所述图像获取装置与所述目标航天器之间的相对位置信息，所述相对位置信息用于引导所述追踪航天器到所述目标航天器的初始瞄准点。

优选的，所述目标航天器上设置有至少一个所述第一发送单元和至少一个所述第一接收单元，所述追踪航天器上设置有至少一个所述第二发送单元和至少一个所述第二接收单元。

优选的，所述第二发送单元与所述第一接收单元基于可见光通信技术进行通信，所述第二接收单元与所述第一发送单元基于可见光通信技术进行通信。

优选的，两个以上所述第二发送单元与两个以上所述第一接收单元之间可传输相同信息或传输不同信息；

和/或

两个以上所述第二接收单元与两个以上所述第一发送单元之间可传输相同信息或传输不同信息。

优选的，所述至少三个光源围绕所述目标航天器的对接面的中心点设置，且所述至少三个光源嵌入在所述目标航天器的对接面内；

所述第一发送单元和所述第一接收单元嵌入在所述目标航天器的对接面内。

优选的，所述图像获取装置、所述第二发送单元和所述第二接收单元嵌入在所述追踪航天器的对接面内。

优选的，所述图像获取装置为宽光谱摄像头。

优选的，所述处理器，具体用于根据所获取的图像得到所述图像获取装置与所述至少三个光源中每个光源之间的相对位置信息，根据所述图像获取装置与所述至少三个光源中每个光源之间的相对位置信息，解算出所述图像获取装置与所述目标航天器之间的相对位置信息。

本发明还提供一种航天器交会对接方法，所述方法上述航天器交会对接装置，所述方法包括：

通过所述航天器交会对接装置中的图像获取装置获取所述航天器交会对接装置中的至少三个光源的图像；

根据所获取的图像，得到所述图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息，所述相对位置信息用于引导追踪航天器到所述目标航天器的初始瞄准点。

从上述技术方案可知，通过航天器交会对接装置中的图像获取装置获取航天器交会对接装置中的至少三个光源的图像；根据所获取的图像，得到图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息，从而可以基于相对位置信息自动引导追踪航天器到目标航天器的初始瞄准点，这样在交互对接的最终逼近阶段和停靠对接阶段可以省去人工调整环节，通过自动对准方式使得追踪航天器能够精准地对准目标航天器的初始瞄准点，提高交会对接成功的几率，进而提高对接的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的航天器交会对接装置的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的目标航天器上设置器件的示意图；

图3是本发明实施例提供的追踪航天器上设置器件的示意图；

图4是本发明实施例提供的航天器交会对接方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其示出了本发明实施例提供的航天器交会对接装置的一种结构，用于自动引导追踪航天器能够精准地对准目标航天器的初始瞄准点，以提高交会对接成功的几率，进而提高对接的安全性。其中图1所示航天器交会对接装置可以包括：至少三个光源11、第一发送单元12、第一接收单元13、图像获取装置14、处理器15、第二发送单元16和第二接收单元17。

至少三个光源11、第一发送单元12和第二接收单元13位于目标航天器上，且至少三个光源11设置在目标航天器的对接面上但至少三个光源11所在位置不在一条直线上。

也就是说，对于航天器交会对接装置中的至少三个光源11来说，虽然可以将至少三个光源11设置在目标航天器的对接面上，但是至少三个光源11所在位置不构成一条直线，这样才能够基于至少三个光源11得到用于引导追踪航天器到目标航天器的初始瞄准点的相对位置信息，该相对位置信息是图像获取装置14与目标航天器之间的相对位置信息，其中至少三个光源11可以是LED(Light Emitting Diode，发光二极管)和激光光源中的至少一种类型的光源。

在本实施例中，至少三个光源11、第一发送单元12和第一接收单元13在目标航天器中的设置方式可以是：至少三个光源11围绕目标航天器的对接面的中心点设置，且至少三个光源11嵌入在目标航天器的对接面内；第一发送单元12和第一接收单元13嵌入在目标航天器的对接面内。

如图2所示以三个光源11为例，在目标航天器的对接面1上，三个光源11以目标航天器的对接面1的中心点为基准，围绕该基准均匀嵌入(也可以非均匀嵌入)在目标航天器的对接面1内，同样的第一发送单元12和第一接收单元13嵌入在目标航天器的对接面1内，这样通过嵌入目标航天器的对接面1内的方式可以避免光源11、第一发送单元12和第一接收单元13影响追踪航天器和目标航天器的对接，同时还可以通过对接面1保护光源11、第一发送单元12和第一接收单元13。

图像获取装置14、处理器15、第二发送单元16和第二接收单元17设置在追踪航天器上，且第二发送单元16和第一接收单元13进行通信，第二接收单元17与第一发送单元12进行通信。

其中，图像获取装置14、第二发送单元16和第二接收单元17设置在追踪航天器上的可行方式如图3所示，在图3中图像获取装置14、第二发送单元16和第二接收单元17嵌入在追踪航天器的对接面2内，这样通过嵌入追踪航天器的对接面2内的方式可以避免图像获取装置14、第二发送单元16和第二接收单元17影响追踪航天器和目标航天器的对接，同时还可以通过对接面2保护图像获取装置14、第二发送单元16和第二接收单元17，并且有利于图像获取装置14来获取至少三个光源11的图像。

第二发送单元16与第一接收单元13基于可见光通信技术进行通信，第二接收单元17与第一发送单元12基于可见光通信技术进行通信，以通过可见光通信技术实现可靠通信，如通过可见光通信技术可以使得传输距离10km(千米)时，数据传输可达10Mbps(兆比特每秒)，短距离时数据传输可达10Gbps(吉比特每秒)，并且通过可见光通信技术可以避免射频通信对追踪航天器和目标航天器带来的电磁干扰问题。

在本实施例中，目标航天器上设置有至少一个第一发送单元12和至少一个第一接收单元13，追踪航天器上设置有至少一个第二发送单元16和至少一个第二接收单元17，通过多个发送单元和多个接收单元可以组成一个可见光MIMO阵列(Multiple-InputMultiple-Output，多输入多输出)。对于这个MIMO阵列来说，其可以采用RC(RepetitionCoding，重复编码)算法使得多个发送单元同时传输相同信息，如使得两个以上第一发送单元12中的每个第一发送单元同时传输相同信息，使得两个以上第二发送单元16中的每个第二发送单元同时传输相同信息(第二发送单元和第一发送单元发送的信息可以不同)，并且在采用RC算法时若其中一个发送单元出现问题，其他发送单元仍可以正常传输信息，使得追踪航天器和目标航天器仍可以正常进行信息交互，提高可靠性。

当然对于这个可见光MIMO阵列来说，其还可以采用其他传输方式，如SMP(SpatialMultiplexing，空间复用)技术，即通过SMP技术使得多个发送单元同时传输不同信息，以利用多路增益获得高传输速率。

在这里需要说明的一点是：若上述第一发送单元12、第一接收单元13、第二发送单元16和第二接收单元17的数量太多，会增加追踪航天器和目标航天器的重量，为此本实施例需要限定上述第一发送单元12、第一接收单元13、第二发送单元16和第二接收单元17的数量。如可见光MIMO阵列采用RC算法的情况下，追踪航天器上最多设置五个第二发送单元16和最多设置五个第二接收单元17，目标航天器上最多设置五个第一接收单元13和最多设置五个第一发送单元12。可见光MIMO阵列采用SMP技术的情况下，视追踪航天器和目标航天器对传输速率的要求来确定上述第一发送单元12、第一接收单元13、第二发送单元16和第二接收单元17的数量。

图像获取装置14用于获取至少三个光源11的图像。如图像获取装置14可以为宽光谱摄像头，该宽光谱摄像头可以检测到的光谱范围为380nm至1400nm(纳米)，提高在宽光谱摄像头在黑暗状态下的识别率，进而提高图像获取装置获取至少三个光源11图像的成功率。

处理器15用于根据所获取的图像，得到图像获取装置14与目标航天器之间的相对位置信息，相对位置信息用于引导追踪航天器到目标航天器的初始瞄准点。具体的，处理器15可以根据所获取的图像得到图像获取装置14与至少三个光源11中每个光源之间的相对位置信息，并根据图像获取装置14与至少三个光源11中每个光源之间的相对位置信息，解算出图像获取装置14与目标航天器之间的相对位置信息，如处理器15可以根据图像获取装置14与至少三个光源11中每个光源之间的相对位置信息，应用可见光成像定位原理解算出图像获取装置14与目标航天器之间的相对位置信息。

从上述技术方案可知，通过航天器交会对接装置中的图像获取装置获取航天器交会对接装置中的至少三个光源的图像；根据所获取的图像，得到图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息，从而可以基于相对位置信息自动引导追踪航天器到目标航天器的初始瞄准点，这样在交互对接的最终逼近阶段和停靠对接阶段可以省去人工调整环节，通过自动对准方式使得追踪航天器能够精准地对准目标航天器的初始瞄准点，提高交会对接成功的几率，进而提高对接的安全性。

与上述装置实施例相对应，本发明实施例还提供一种基于上述航天器交会对接装置的航天器交会对接方法，其流程图如图4所示，包括以下步骤：

101：通过航天器交会对接装置中的图像获取装置获取航天器交会对接装置中的至少三个光源的图像。对于航天器交会对接装置中的图像获取装置和至少三个光源的说明请参阅上述装置实施例，对此本实施例不再阐述。

102：根据所获取的图像，得到图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息，相对位置信息用于引导追踪航天器到目标航天器的初始瞄准点。

具体的，根据所获取的图像得到图像获取装置与至少三个光源中每个光源之间的相对位置信息，并根据图像获取装置与至少三个光源中每个光源之间的相对位置信息，解算出图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息，如根据图像获取装置与至少三个光源中每个光源之间的相对位置信息，应用可见光成像定位原理解算出图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法类实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航天器交会对接装置，其特征在于，所述装置包括：至少三个光源、第一发送单元、第一接收单元、图像获取装置、处理器、第二发送单元和第二接收单元；

所述至少三个光源、所述第一发送单元和所述第一接收单元位于目标航天器上、且所述至少三个光源设置在所述目标航天器的对接面上但所述至少三个光源所在位置不在一条直线上；

所述图像获取装置、处理器、第二发送单元和第二接收单元设置在追踪航天器上，且所述第二发送单元与所述第一接收单元进行通信，所述第二接收单元与所述第一发送单元进行通信；

所述图像获取装置用于获取所述至少三个光源的图像；

所述处理器用于根据所获取的图像，得到所述图像获取装置与所述目标航天器之间的相对位置信息，所述相对位置信息用于引导所述追踪航天器到所述目标航天器的初始瞄准点。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述目标航天器上设置有至少一个所述第一发送单元和至少一个所述第一接收单元，所述追踪航天器上设置有至少一个所述第二发送单元和至少一个所述第二接收单元。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二发送单元与所述第一接收单元基于可见光通信技术进行通信，所述第二接收单元与所述第一发送单元基于可见光通信技术进行通信。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，两个以上所述第二发送单元与两个以上所述第一接收单元之间可传输相同信息或传输不同信息；

和/或

两个以上所述第二接收单元与两个以上所述第一发送单元之间可传输相同信息或传输不同信息。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少三个光源围绕所述目标航天器的对接面的中心点设置，且所述至少三个光源嵌入在所述目标航天器的对接面内；

所述第一发送单元和所述第一接收单元嵌入在所述目标航天器的对接面内。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述图像获取装置、所述第二发送单元和所述第二接收单元嵌入在所述追踪航天器的对接面内。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述图像获取装置为宽光谱摄像头。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器，具体用于根据所获取的图像得到所述图像获取装置与所述至少三个光源中每个光源之间的相对位置信息，根据所述图像获取装置与所述至少三个光源中每个光源之间的相对位置信息，解算出所述图像获取装置与所述目标航天器之间的相对位置信息。

9.一种航天器交会对接方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1至8任意一项所述的航天器交会对接装置，所述方法包括：

通过所述航天器交会对接装置中的图像获取装置获取所述航天器交会对接装置中的至少三个光源的图像；

根据所获取的图像，得到所述图像获取装置与目标航天器之间的相对位置信息，所述相对位置信息用于引导追踪航天器到所述目标航天器的初始瞄准点。