CN110450990B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，捕获系统，包括母星、视星子群和工星子群；母星用于搭载、释放和回收视星子群和工星子群，并根据视星子群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实施逼近、贴附和接管空间非合作目标；工星用于通过星间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；视星用于通过获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。该捕获系统可适用于多种不同的捕获任务。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种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。
背景技术
当前，绕地球飞行的可跟踪人造物体共有1.9万多颗，而其中正常运行的航天器只有2千余颗，剩余的为故障航天器、航天器爆炸或破碎后形成的大块碎片，统称空间非合作目标。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。
为了能够捕获空间非合作目标，工程师们已经提出了多种捕获方法，包括空间飞网、空间鱼叉、空间机械臂等。但这些方法存在诸多缺点，使得其在轨实际应用带来了困难。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
为解决上述问题，本发明提出了一种基于微纳卫星集群的新型分布式空间非合作目标捕获系统及捕获方法。该捕获系统可适用于多种不同的捕获任务。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统，包括母星、视星子群和工星子群；
所述母星，所述母星为航天器；用于搭载、释放和回收视星子群和工星子群，为视星子群和工星子群的燃料补充、电量补充，并根据视星子群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实施逼近、贴附和接管空间非合作目标；
所述工星子群包括两个以上具备轨道和姿态控制能力的工星，所述工星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，工星用于通过星间无线通信接收母星的控制指令，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；
所述视星子群包括两个以上具备视觉成像或测量能力的视星；所述视星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，视星用于通过获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。
作文本发明进一步改进，所述母星的搭载功能是指在接到空间非合作目标捕获任务时，母星会将视星子群和工星子群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附近；
所述母星的释放功能是指在平台到达空间非合作目标附近后，母星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；
所述母星的回收功能是指在完成空间非合作目标的捕获任务后，母星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捕获做准备；
所述母星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中各个视星的测量信息，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；
所述母星的指挥和调度功能是指母星通过解算得到的目标特征信息和相对空间非合作目标的位姿信息，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从而指导完成对空间非合作目标的捕获。
作文本发明进一步改进，所述母星的补给功能是指母星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，母星通过资源共享的方式将燃料和电量输送给回收视星子群和工星子群。
作文本发明进一步改进，所述可贴附表面是指空间非合作目标表面较为平整的局部区域，可贴附表面的面积比工星的任一面的面积大。
作文本发明进一步改进，所述工星根据空间非合作目标的特征贴附于其外表面，且不同工星贴附的位置不同。
所述工星在贴附到空间非合作目标表面后，通过彼此联合的轨道和姿态控制对空间非合作目标的轨道和姿态控制。
所述视星对空间非合作目标及贴附于其表面的工星进行测量时，多个视星均匀分布于空间非合作目标的四周。
所述视星和工星均为微纳卫星，具有1U的整数倍大小。
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，包括以下步骤：
当所述捕获系统发现空间非合作目标后，视星子群从母星释放并围绕空间非合作目标进行悬停或绕飞观测，工星子群从母星释放并抵近至空间非合作目标附近；视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。
当协同使空间非合作目标的姿态翻滚停止后工星通过轨道控制将空间非合作目标拖移到再入大气或将其转移到其它安全轨道。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该捕获系统由母星、视星子群和工星子群组成，工星子群包括两个以上具备轨道和姿态控制能力的工星，视星子群包括两个以上具备视觉成像或测量能力的视星，由于该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。
本发明空间非合作目标捕获方法，视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。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
图1是本发明提出的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统的构成示意图；
图2是本发明提出的基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统的工作原理图。
其中，100、母星；200、视星子群；300、工星子群；201、视星；301、工星；400、空间非合作目标。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，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方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，本发明公开了一种基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获系统，所述捕获系统主要由母星100、视星子群200和工星子群300三部分构成；所述三部分之间通过星间无线通信网络相连。
所述母星100是一颗具备星载计算、自主导航、轨道控制、姿态控制、无线通信等能力的航天器。
所述视星子群200由两个以上微纳卫星构成，所述视星子群200中的微纳卫星称作视星201，所述微纳卫星是一种基于立方体卫星技术的微小卫星。所述视星201上安装有视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。
所述工星子群300由两个以上微纳卫星构成，所述工星子群300中的微纳卫星称作工星301，所述工星301是一种基于立方体卫星技术的微小卫星。所述工星301上安装有轨道控制、姿态控制模块，同时安装有星间无线通信模块。
本发明的工作过程为：
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，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。
所述捕获系统中，所述母星100的主要功能有四个：
一是作为搭载、释放和回收视星子群200和工星子群300的平台；
二是作为视星子群200测量信息的数据融合和计算平台；
三是指挥和调度工星子群300实施精确逼近、贴附和接管空间非合作目标400的指控中心；
四是作为视星子群200和工星子群300的燃料补充、电量补充的补给站。
所述母星100的搭载功能具体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。
所述母星100的回收功能具体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，母星100通过星间无线通信获取视星子群200各个微纳卫星的测量信息(例如图像测量信息)，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中各微纳卫星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微纳卫星相对空间非合作目标400的位姿信息，按照星载计算机中的控制算法生成各微纳卫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。
所述母星100的补给功能是指，母星100上携带较多的燃料并具有大型的太阳能电池板从而能够收集较多的电量，当各微纳卫星上的燃料或电源即将用尽时，母星100可通过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。
所述视星子群200由两个以上具备视觉成像或其它测量能力的微纳卫星构成；这些微纳卫星称作视星201，且能够通过视觉成像或其它测量手段获取空间非合作目标400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、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。
所述工星子群300由两个以上具备轨道和姿态控制能力的微纳卫星构成；这些微纳卫星称作工星301，且能够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。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。
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，其大小要比工星301的一个面大。所述工星子群300中的工星301，将根据空间非合作目标400的特征贴附于其外表面合适位置，且不同工星301贴附的位置不同。
所述工星子群300中的工星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控制，例如通过推力器产生推力，实现对目标的轨道控制。所述工星子群300中的工星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。
所述视星201和工星301，是基于立方体卫星技术研制的微纳卫星，具有1U的整数倍大小。
所述1U是指立方体卫星技术体系中的尺寸单元，为10cm×10cm×10cm。
本发明还提供一种基于微纳卫星集群的空间非合作目标捕获方法，具体步骤为：
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，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。
下面列举一个具体实施例，说明本发明的捕获系统的具体工作原理。
实施例1
如附图2所示，空间中存在一颗失效航天器，称作空间非合作目标400，其横截面为八边形。空间非合作目标400沿着垂直于其横截面的方向匀速自旋。捕获任务的要求为，通过捕获系统的作用，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。
其中，18颗工星301分别贴附在空间非合作目标400的不同表面上，8颗视星201位于距空间非合作目标400 10米外的位置，均匀分布于四周。视星201采用光学成像相机对空间非合作目标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。
基于这些信息，母星100进一步通过控制算法计算得到各工星301的姿态控制指令和轨道控制指令，并通过星间无线通信网络将指令发送给各工星301。收到指令的各工星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。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，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。
Claims (7)
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。
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