新一代空间交会对接光学成像敏感器

摘要： 为满足中国未来空间交会对接任务对光学成像敏感器工作能力尤其是杂光抑制能力的更高需求,研制新一代空间交会对接光学成像敏感器.该产品多项指标优于其上一代产品神舟八号CCD光学成像敏感器,测量距离由原来的150~2 m范围提升为250~0.9 m范围;目标捕获时间由10 s缩短为0.32 s;抗杂光干扰能力大幅提升,实现准全天候工作.该产品已在中国神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证,可在后续更好地服务中国空间站、探月三期等工程的交会对接任务.介绍该产品的测量原理、系统组成、地面试验和在轨工作表现等情况,并给出相应结论.     

空间杂光对交会对接光学成像敏感器影响分析

CCD光学成像敏感器是交会对接最后靠拢段的关键测量敏感器,其在轨工作时,太阳和地球杂光可能会进入相机视场,影响敏感器的正常测量.提出通过杂光建模分析和地面杂光试验验证相结合的方法,评估和验证空间杂光对光学成像敏感器测量的影响,确定相机遮光罩设计指标要求,给出理论分析、地面及飞行试验结果.     

交会对接光学成像敏感器的LD照明系统

以交会对接光学成像敏感器应用为背景,阐述主动式和被动式交会对接光学成像敏感器的区别、照明系统的不同方案,论述LD照明系统的组成和原理,以及LD器件和光纤的选择和特性,解决了交会对接光学成像敏感器大视场远距离均匀照明的难题,克服了空间适应性的困扰,且通过双波长工作模式增强了抗杂光能力.     

神舟八号飞船交会对接CCD光学成像敏感器

介绍了CCD光学成像敏感器的功能和组成,以及低噪声视频电路、高速数据处理平台、抗杂光干扰算法、杂光干扰地面试验验证方法等关键技术,并给出了相关测试结果.实际飞行结果表明,CCD光学成像敏感器相机各项指标满足任务书要求,在最后的对接段最远测量距离达164m,位置测量精度优于2mm,滚动轴姿态测量精度优于0.03°,横轴姿态精度优于0.1°,位置和姿态测量精度超过了世界先进水平.     

交会对接光学成像敏感器遮光罩设计

遮光罩是交会对接光学成像敏感器中杂光抑制的重要组件,对有效提取目标点信息、保证敏感器定姿精度有重要作用.着重阐述了基于蒙特卡洛法的交会对接光学成像敏感器遮光罩设计,借助光学仿真软件进行仿真验证,并通过与试验结果进行对比,验证了遮光罩设计的有效性.     

基于交会对接CCD光学成像敏感器的双目测量算法

在空间交会对接近距离逼近阶段,CCD光学成像敏感器作为相对导航信息获取的主要测量敏感器,其测量性能直接关系到空间交会对接能否成功.针对适用于空间交会对接过程中CCD光学成像敏感器的双目测量算法展开研究,推导了基于主像机坐标系的双目测量算法计算公式,并重点对其抗干扰能力进行研究,最后对该双目测量算法进行了仿真分析并给出了仿真结果.     

交会对接敏感器总体设计要点分析

相对测量技术是完成在轨航天器交会对接的重要技术之一,设计能够完成相对位置、速度,以及近距离的相对角度、角速度测量的交会对接敏感器,用于确定交会的轨迹和控制对接时的相对运动,不仅要考虑实现功能、性能方面,还要考虑在工程实现中外太空杂光干扰、热环境等因素的影响．本文不涉及到交会敏感器的具体设计,而是从分系统的任务和技术总体设计角度,总结交会对接敏感器设计时应注意的几个方面．     

空间光学敏感器成像组件抗力学稳定性分析与评价

摘要： 成像组件是空间光学敏感器和光学相机的核心组件,其抗力学稳定性直接影响单机的测量精度.为了提高其抗力学性能,本文首先对成像组件结构进行了力学分析,并通过试验验证了分析方法的有效性.由于仿真分析只能对抗力学稳定性进行定性评价,本文设计了实验来定量评价,并提出了一种成像组件抗力学稳定性评价方法.最后,应用该评价方法对三种结构进行了抗力学稳定性分析、试验和测试.结果表明,本文提出的评价方法与力学仿真结合试验的评价方法对三种结构的评价结论是一致的.而本文的量化评价方法可以给出结构力学试验后的滑移值和机械基准变化值,为产品的研制提供数据参考.该方法可应用于对位置变化敏感的空间光学仪器的研制过程.     

空间光学敏感器技术进展与应用

空间光学敏感器作为航天器控制与导航以及空间监视测量的重要传感器在航天任务实施中发挥着重要作用,论述空间光学敏感器概念的内涵和外延、分类方法、特点、设计目标与方法、应用,对各类敏感器的技术进展和应用情况进行概要综述,归纳此类敏感器的发展趋势.     

人控交会对接控制方法研究

追踪器上的航天员根据摄像机的图像手动操作手柄完成目标器和追踪器的对接任务,为了减轻航天员负担,提高人控对接成功率,文章提出的思路是姿态控制采用自动控制,使得追踪器姿态和合作目标器姿态保持一致,航天员只负责相对位置控制。文章给出了航天员的相对位置控制策略,并将全系数自适应控制和PID控制方法用于追踪器的姿态控制。仿真结果表明,采用全系数自适应控制进行姿态控制过渡过程时间短、稳态精度高,有利于航天员完成人控对接的任务。     

空间交会最终平移段控制策略

提出空间交会最终平移段的控制方法,选取追踪航天器的相对位置与姿态角作为控制变量,同步控制追踪航天器的质心运动与姿态运动,修正制导机动执行偏差的影响,使目标航天器保持在光学导航视场范围之内,且满足对接操作对追踪航天器状态的要求。     

基于螺旋伴飞式航天器交会控制技术

首次提出以螺旋伴飞式实现航天器交会的思路.在两航天器符合绕飞条件的前提下,从相对运动的Hill方程出发,首先推导出实现螺旋伴飞式交会的相对位置反馈控制律,这种相对位置反馈控制表明,航天器在交会过程中可以在只有相对位置测量条件下进行工作,因而具有一定的工程指导意义;进而,对螺旋伴飞式交会控制律的特点进行了分析,同时给出了稳定性分析与能量估算,分析表明这种交会控制技术,其控制具有较好的稳定性,且消耗能量较小;最后,通过一个空间圆绕飞轨道的伴星回收实例,给出了控制加速度的特性图和螺线回收轨迹图.仿真结果证明,伴星螺线回收轨道是可行的,并且具有优良的特性.     

飞行器交会对接相对位置和姿态的估值方法

在飞行器的交会对接过程中 ,应用计算机视觉系统作为精确传感设备 ,测量飞行器相对于固定在空间站的坐标系的三维位置和方向 ,为导航和控制回路提供需要的反馈信息。文中研究了由计算机视觉系统采集的二维图像信息估计飞船相对于空间站的位置和姿态的方法 ;提出了光点检测光线拟合算法 ,并给出数字仿真结果。     

空间非合作目标交会对接影像测量自适应处理

分析了空间非合作目标影像测量及特征点提取机理,根据对接中特征点识别噪声不确定和空间摄动引起的模型误差,对传统滤波方法进行改进;通过量测更新后的新息数据对量测噪声量级进行估计,同时采用渐消自适应方法对模型误差进行处理,增进滤波效果;设计了针对空间非合作目标对接段的滤波器,能够提供对接段相对位置、速度、姿态角及角速率估计信息。仿真结果表明,提出的改进滤波算法能够在测量噪声不确定和模型误差条件下达到较好效果。     

采样式航天光学遥感成像系统混叠噪声

为了准确计算采样式航天光学遥感成像系统中混叠噪声的权重和分析系统设计参数的影响,采用经验景物模型,模拟成像系统主要噪声源的统计特性,提出了一种含混叠的成像系统噪声计算模型。采用该模型,以某卫星高分辨率相机成像系统为例,计算混叠噪声功率占总噪声功率的百分比,并对不同λF/p参数和不同景物参数的情况进行了仿真。结果表明：该卫星高分辨率相机成像系统中,混叠噪声占较大比重;当提高λF/p时,可有效降低混叠噪声。     

CCD像元灵敏度非均匀性及处理方法研究

研究了CCD像元灵敏度非均匀性产生的原理和给CCD应用带来的问题。采用改进的归一化算法对CCD像元灵敏度进行修正,解决了CCD图像传感器由于加工工艺造成的各像元光电灵敏度具有差异的问题。该方法有效的减小了CCD的原始误差,对提高CCD测量准确度具有重要意义。     

交会对接气浮仿真平台视觉辅助姿态确定

文章首先介绍了用于空间合作卫星最后逼近段交会对接任务的仿真平台,描述了文中使用的姿态运动学方程和视觉成像算法。为了充分利用陀螺仪和视觉系统进行姿态确定,采用传统的扩展卡尔曼滤波（EKF）对两种测量数据进行融合,实现对姿态和陀螺仪漂移的估计。为了克服EKF调节参数过多和计算过程需要求逆的问题,设计了一种新的非线性观测器。最后,通过在对接仿真平台上进行试验,对比验证了非线性滤波器的有效性以及实用性。