CN108327931B - 空间碎片捕捉机构及清除系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间碎片捕捉机构及清除系统，用以至少解决现有空间碎片清理成本高的问题。所述捕捉机构由反向折叠伞式展开机构构成。所述清除系统包括碎片探测系统和碎片捕捉系统；所述碎片捕捉系统包括反向折叠伞式展开机构和第一推进单元；所述碎片探测系统用于确定空间碎片的定位信息；所述第一推进单元用于根据所述定位信息，推动所述反向折叠伞式展开机构捕捉所述空间碎片。

Description

空间碎片捕捉机构及清除系统
技术领域
本发明涉及卫星应用领域，特别是涉及一种空间碎片捕捉机构及清除系统。
背景技术
随着空间技术的发展，太空已经成为人类生活中不可缺少的一部分，在地球轨道上的卫星在许多领域都有应用，包括空间科学、对地遥感、气候研究、通信、导航和深空探测等领域。随着发射活动的日益增多，空间碎片数目也与日俱增，大小不一的空间碎片对卫星及载人航天器都造成了严重的安全威胁。
为解决空间碎片问题，现有空间碎片清除方案设计复杂，操作难度大，对于小碎片清理，清理成本很高。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种空间碎片捕捉机构及清除系统，用以至少解决现有空间碎片清理成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种空间碎片捕捉机构，所述捕捉机构由反向折叠伞式展开机构构成。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种空间碎片清除系统，所述清除系统包括碎片探测系统和碎片捕捉系统；所述碎片捕捉系统包括反向折叠伞式展开机构和第一推进单元；
所述碎片探测系统用于确定空间碎片的定位信息；
所述第一推进单元用于根据所述定位信息，推动所述反向折叠闪式展开机构捕捉所述空间碎片。
本发明有益效果如下：
本发明通过反向折叠伞式的捕捉机构捕捉空间碎片，该捕捉机构占用卫星平台空间小，操作简单，冗余度大，清除碎片可靠性高，有效降低了空间碎片清理成本。
附图说明
图1是本发明实施例中一种空间碎片捕捉机构的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种空间碎片清除系统的结构示意图；
图3是本发明实施例中伞面全展开示意图；
图4是本发明实施例中空间碎片捕捉机构的初始状态示意图；
图5是本发明实施例中空间碎片捕捉机构下拉杆伸开状态示意图；
图6是本发明实施例中空间碎片捕捉机构推动空间碎片的仿真示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种空间碎片捕捉机构及清除系统，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“组件”“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
使用用于区分元件的诸如“第一”、“第二”等前缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。
实施例一
本发明实施例提供了一种空间碎片捕捉机构，所述捕捉机构由反向折叠伞式展开机构构成。
本发明实施例中展开机构也可以称之为捕捉机构。
反向折叠伞颠覆了传统伞的打开方式，采用开口朝上从内向外的打开方式，伞骨是莲花形，伞杆是六角形，坚固性好，这种伞的优势在于最小空间开合，本发明实施例借鉴反向折叠伞的设计理念，将反向折叠伞式的展开机构安装在卫星平台里，占用空间小，自动开合，形成太空雨伞，展开机构可机械式自动展开，操作简单，有效避免了绳网式展开机构缠绕问题，有效降低了空间碎片清理成本。
在本发明实施例中，可选地，所述反向折叠伞式展开机构包括可伸缩组件、展开推动组件、伞骨组件和伞面；
所述伞面设置在所述伞骨组件上；
所述展开推动组件分别与所述可伸缩组件和所述伞骨组件连接，用以推动所述可伸缩组件伸长或变短，以及推动所述伞骨组件展开或收缩，以使所述伞面展开或收缩。
在本发明实施例中，可选地，如图1所示，所述可伸缩组件包括第一拉杆4和第二拉杆5；
所述展开推动组件包括第一伸杆2、第二伸杆3、设置在所述第二拉杆并且邻近所述第一拉杆一端的第一连接部件6、设置在所述第二拉杆的另一端的第三连接部件8以及设置在所述第一连接部件6和所述第三连接部件8之间的第二连接部件7；其中，第二连接部件7为套接在第二拉杆5上滑动部件。
所述伞骨组件包括多个伞骨9。
在本发明实施例中，可选地，所述第一拉杆4设置在所述第二拉杆5的腔体内，并且可沿着所述腔体移动；
所述第一连接部件6与所述第一伸杆2连接；所述第二连接部件7分别与所述第二伸杆3和每个伞骨9的一端连接，每个伞骨9的另一端与所述第三连接部件8连接。
本发明实施例中的反向折叠伞式展开机构设置在6U立方星平台的3U空间结构中。
实施例二
本发明实施例提供一种空间碎片清除系统，所述清除系统包括碎片探测系统和碎片捕捉系统；所述碎片捕捉系统包括反向折叠伞式展开机构和第一推进单元；
所述碎片探测系统用于确定空间碎片的定位信息；
所述第一推进单元用于根据所述定位信息，推动所述反向折叠伞式展开机构捕捉所述空间碎片。
本发明实施例通过碎片探测系统，实现对空间碎片进行识别和定位，通过反向折叠伞式展开机构，进行空间碎片清除，从而有效降低了空间碎片清除系统设计复杂度，技术成熟度高，不需要精确的碎片位置，冗余度大，清除碎片可靠性高，有效降低了空间碎片清理成本。
具体说，本发明实施例提供一种利用反向折叠伞式的展开机构，基于低成本的微纳卫星平台，进行清除空间碎片的系统，平台和载荷分别为6U立方星平台和反向折叠伞式的展开机构，如图2所示，清除系统由碎片探测系统S1、碎片捕捉系统S2两部分组成，其中碎片探测系统在卫星平台3U一侧，由3U卫星平台和多传感器构成，碎片捕捉系统S2由反向折叠伞式展开机构构成，占据卫星平台另一侧3U空间。
简要描述本发明实施例的实施原理。
1、碎片探测系统运用多传感器融合(机器视觉和惯性传感器等)技术，监测和定位空间碎片。
在本发明实施例中，可选地，本发明实施例中定位信息包括相对位置和空间地图。
在本发明实施例中，可选地，所述碎片探测系统包括第二推进单元、机器视觉传感器单元、惯性传感器单元和空间建模单元。
在本发明实施例中，可选地，所述机器视觉传感器单元用于采集天区星象的图像数据，根据所述图像数据确定所述空间碎片的目标方向；
第二推进单元用于根据所述目标方向，推动所述碎片探测系统移动至所述空间碎片的预设空间区域；
所述惯性传感器单元用于确定与所述空间碎片的相对位置；
所述空间建模单元用于根据所述图像数据和所述相对位置，定位所述空间碎片，并绘制所述空间区域的空间地图。
本发明实施例中碎片探测系统可以简称为探测系统。
本发明实施例中的空间建模单元可以是3D空间建模单元。
例如，碎片探测系统包括多个传感器，其中，机器视觉传感器单元可以包括多通道可见光相机、红外相机；惯性传感器单元可以包括陀螺仪、加速计和磁力计等。
首先探测系统处于大视场恒星凝视模式，利用相机进行视频数据采集，连续拍摄周围天区星象，确定碎片目标大致方向，此时碎片在图像中表现为点状。
其次探测系统机动靠近碎片空间区域，探测系统处于小视场碎片跟踪模式，利用惯性传感器结合获取的碎片目标关键帧特征点，通过运动学求解探测系统与碎片相对位置。
最后利用采集到的视频数据，压缩后输入到3D空间建模单元，通过机器学习和模式识别等算法，定位空间碎片，绘制出一定区域的空间碎片地图。
2、碎片捕捉系统在定位空间碎片后，打开反向折叠伞式展开机构。
在本发明实施例中，可选地，所述反向折叠伞式展开机构包括可伸缩组件、展开推动组件、伞骨组件和伞面；
所述伞面设置在所述伞骨组件上；
所述展开推动组件分别与所述可伸缩组件和所述伞骨组件连接，用以推动所述可伸缩组件伸长或变短，以及推动所述伞骨组件展开或收缩，以使所述伞面展开或收缩。
在本发明实施例中，可选地，如图1所示，所述可伸缩组件包括第一拉杆4和第二拉杆5；
所述展开推动组件包括第一伸杆2、第二伸杆3、设置在所述第二拉杆并且邻近所述第一拉杆一端的第一连接部件6、设置在所述第二拉杆的另一端的第三连接部件8以及设置在所述第一连接部件6和所述第三连接部件8之间的第二连接部件7；其中，第二连接部件7为套接在第二拉杆5上滑动部件。
所述伞骨组件包括多个伞骨9。
在本发明实施例中，可选地，所述第一拉杆4设置在所述第二拉杆5的腔体内，并且可沿着所述腔体移动；
所述第一连接部件6与所述第一伸杆2连接；所述第二连接部件7分别与所述第二伸杆3和每个伞骨9的一端连接，每个伞骨9的另一端与所述第三连接部件8连接。
例如，如图1-5所示，反向折叠伞式展开机构在3U空间结构1中，由下拉杆(第一拉杆)4、上拉杆(第二拉杆)5、若干伞骨9、第一连接部件6、第二连接部件7、第三连接部件8、第一伸杆2、第二伸杆3和伞面10组成。
碎片捕捉系统接到捕捉命令后，展开机构开始执行，如图4所示，初始状态时拉杆和伞骨为压缩状态。如图5所示，第一伸杆2推动第一连接部件6向上滑动，直到下拉杆4全部伸开，展开机构此时为下拉杆伸开状态。如图1所示，之后第二伸杆3推动第二连接部件7向上滑动，直到若干伞骨9全部伸开，展开机构此时为伞骨伸开状态。如图3所示，展开过程中伞面10自动打开。
3、空间碎片清除系统利用推进器单元，抓捕空间碎片并向大气层推进，使其销毁。
在本发明实施例中，可选地，第一推进单元用于根据所述定位信息，推动所述反向折叠伞式展开机构捕捉所述空间碎片，以及将所述空间碎片向大气层推进。
例如，如图6所示，碎片捕捉系统根据碎片探测系统反馈的空间碎片的定位信息，利用推进器单元机动，达到与空间碎片处于同一轨道上，连续机动，使得伞状捕捉机构覆盖碎片范围，之后向地球方向进行推进，使其脱离轨道，逐步进入大气层烧毁。
也就是说，第一推进单元用于根据所述定位信息，推动所述反向折叠伞式展开机构达到与空间碎片处于同一轨道；所述反向折叠伞式展开机构用于展开伞面，覆盖所述空间碎片，并向大气层推进。
本发明实施例可以在低成本的微纳卫星平台里，安装反向雨伞式展开机构，通过平台多传感器融合形成的碎片探测系统，实现对空间碎片进行识别和定位，之后打开展开机构，形成雨伞状的捕获机构，借助卫星平台的推进单元，通过捕获机构，改变空间碎片的轨迹，使其进入大气层烧毁，从而解决空间碎片清理问题。
本发明实施例利用低成本成熟的6U立方星平台和反向折叠伞式的展开机构，进行空间碎片清除，系统设计复杂度低，技术成熟度高，不需要精确的碎片位置，冗余度大，清除碎片可靠性高。
本发明实施例借鉴反向折叠伞式的伞状捕捉机构，占用卫星平台空间小，操作简单，使展开机构可机械式自动展开，避免了绳网式展开机构缠绕问题。
本发明实施例可以利用6U卫星平台中3U空间设计的卫星平台，利用多传感器融合技术，使用高性能的机器学习、SLAM(simultaneous localization and mapping，并发建图与定位)视觉技术等手段，构建一定范围的碎片空间地图，具备智能性和先进性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空间碎片捕捉机构，其特征在于，所述捕捉机构由反向折叠伞式展开机构构成；
所述反向折叠伞式展开机构包括可伸缩组件、展开推动组件、伞骨组件和伞面；
所述伞面设置在所述伞骨组件上；
所述展开推动组件分别与所述可伸缩组件和所述伞骨组件连接，用以推动所述可伸缩组件伸长或变短，以及推动所述伞骨组件展开或收缩，以使所述伞面展开或收缩；
所述可伸缩组件包括第一拉杆和第二拉杆；
所述展开推动组件包括第一伸杆、第二伸杆、设置在所述第二拉杆并且邻近所述第一拉杆一端的第一连接部件、设置在所述第二拉杆的另一端的第三连接部件以及设置在所述第一连接部件和所述第三连接部件之间的第二连接部件；
所述伞骨组件包括多个伞骨。
2.如权利要求1所述的捕捉机构，其特征在于，所述第一拉杆设置在所述第二拉杆的腔体内，并且可沿着所述腔体移动；
所述第一连接部件与所述第一伸杆连接；所述第二连接部件分别与所述第二伸杆和每个伞骨的一端连接，每个伞骨的另一端与所述第三连接部件连接。
3.一种空间碎片清除系统，其特征在于，所述清除系统包括碎片探测系统和碎片捕捉系统；所述碎片捕捉系统包括反向折叠伞式展开机构和第一推进单元；
所述碎片探测系统用于确定空间碎片的定位信息；
所述第一推进单元用于根据所述定位信息，推动所述反向折叠伞式展开机构捕捉所述空间碎片；
所述反向折叠伞式展开机构包括可伸缩组件、展开推动组件、伞骨组件和伞面；
所述伞面设置在所述伞骨组件上；
所述展开推动组件分别与所述可伸缩组件和所述伞骨组件连接，用以推动所述可伸缩组件伸长或变短，以及推动所述伞骨组件展开或收缩，以使所述伞面展开或收缩；
所述可伸缩组件包括第一拉杆和第二拉杆；
所述展开推动组件包括第一伸杆、第二伸杆、设置在所述第二拉杆并且邻近所述第一拉杆一端的第一连接部件、设置在所述第二拉杆的另一端的第三连接部件以及设置在所述第一连接部件和所述第三连接部件之间的第二连接部件；
所述伞骨组件包括多个伞骨；
所述第一拉杆设置在所述第二拉杆的腔体内，并且可沿着所述腔体移动；
所述第一连接部件与所述第一伸杆连接；所述第二连接部件分别与所述第二伸杆和每个伞骨的一端连接，每个伞骨的另一端与所述第三连接部件连接。
4.如权利要求3所述的清除系统，其特征在于，所述定位信息包括相对位置和空间地图；所述碎片探测系统包括第二推进单元、机器视觉传感器单元、惯性传感器单元和空间建模单元；
所述机器视觉传感器单元用于采集天区星象的图像数据，根据所述图像数据确定所述空间碎片的目标方向；
第二推进单元用于根据所述目标方向，推动所述碎片探测系统移动至所述空间碎片的预设空间区域；
所述惯性传感器单元用于确定与所述空间碎片的相对位置；
所述空间建模单元用于根据所述图像数据和所述相对位置，定位所述空间碎片，并绘制所述空间区域的空间地图。
5.如权利要求4所述的清除系统，其特征在于，所述机器视觉传感器单元包括多通道可见光相机和/或红外相机；
所述惯性传感器单元包括以下一种或多种：陀螺仪、加速计和磁力计。
6.如权利要求3所述的清除系统，其特征在于，所述碎片探测系统和碎片捕捉系统设置在6U立方星平台。
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