Relative position and attitude estimation of spacecrafts based on dual quaternion for rendezvous and docking

The capacity to acquire the relative position and attitude information between the chaser and the target satellites in real time is one of the necessary prerequisites for the successful implementation of autonomous rendezvous and docking. This paper addresses a vision based relative position and attitude estimation algorithm for the final phase of spacecraft rendezvous and docking. By assuming that the images of feature points on the target satellite lie within the convex regions, the estimation of the relative position and attitude is converted into solving a convex optimization problem in which the dual quaternion method is employed to represent the rotational and translational transformation between the chaser body frame and the target body frame. Due to the point-to-region correspondence instead of the point-to-point correspondence is used, the proposed estimation algorithm shows good performance in robustness which is verified through computer simulations.     

基于可靠性分析的立方星网络维护架构优化

立方星编队或星座构成分布式空间传感器网络，可提高立方星执行复杂空间任务的能力。然而立方星易发生故障，其故障时间不确定性也导致了传感器网络性能的不稳定，这凸显了对立方星网络进行在轨维护的重要性。考虑立方星传感器网络的功能维持问题，描述了一种网络维护架构，通过定期发射、在轨备份立方星以及时更换故障立方星，从而提高网络对单星随机失效事件的快速响应与恢复能力。建立了该架构的运行成本模型，包括固定成本、储存成本和短缺成本。收集整理了真实的立方星寿命数据，并使用最大化拟合优度参数估计方法得到最优立方星寿命的随机模型。采用基于蒙特卡罗仿真的遗传算法优化备用立方星的补给时刻和补给数量，在备份成本与系统性能下降所带来的损失之间进行权衡，使得系统的综合收益最优。     

空间多功能在轨维护机器人系统及其末端执行器设计

空间机器人是空间在轨服务的一种重要工具。以合作目标与非合作目标的在轨维护为目的,通过对现有空间机器人研究现状的调研和分析,提出了基于末端工具可快换的多功能在轨维护机器人系统,并提出多种末端执行器设计方案。其中三指-三瓣式末端执行器作为末端工具快换装置,不仅具有机械接口捕获对接的功能,还具有电力/信号传输功能,以及机械臂动力传输功能;钢丝绳缠绕式末端执行器具有优越的容差和软捕获性能,适合用于实现对安装有捕获接口的合作目标以及非合作目标卫星发动机喷管的捕获;而欠驱动三指末端执行器具有良好的待捕获目标物体形状自适应功能以及软捕获功能,因此可用于对空间形状不规则的太空垃圾等目标进行非合作目标捕获。通过对多功能在轨维护机器人系统及其末端工具快换过程以及末端执行器对目标捕获操作的研究,所提出的基于末端工具快换的多功能在轨维护机器人系统有较好的应用前景。     

一种月面采样量的在轨自主测量方法

月面采样量的在轨自主测量是实现月面自主采样的必要环节。本文设计了一种月面采样装置,根据图像信息实现对月面采样量的在轨自主测量。针对图像中目标与背景灰度差较小、背景区域噪声较多的特点,采用了改进型最大类间方差法与连通标记自适应去噪方法,实现了采样区域较为准确的分割。针对单目相机无法直接获取采样区域尺寸的特点,利用已知物体尺寸进行在轨自主标定,结合图像中提取出的采样区域,完成了采样区域尺寸的计算,实现了采样量的在轨自主测量。试验结果表明,在轨自主测量结果与实际结果吻合,本文提出的在轨自主测量方法有效。     

空间非合作目标燃料最优终端接近策略研究

针对一类姿轨控制系统失效的目标航天器实施空间救援等在轨服务任务。要求追踪航 天器跟踪到达指定目标点,对目标航天器进行在轨捕获,建立了目标航天器在空间自由翻滚 情况下追踪航天器跟踪目标点的动力学模型,并建立了安全无碰撞的燃料最优终端接近模型 。数学仿真表明,当初始条件合适时,燃料最优终端接近轨迹自然满足安全性要求。
     

空间次生环境研究及探测方法概述

文章基于空间次生环境及其效应定义,分别结合不同次生环境阐述了国内外在磁场作用下带电粒子对航天器的影响、航天器非金属材料出气的影响、航天器与空间等离子体相互作用影响、航天器发动机羽流效应和航天器舱内电子环境及效应等的研究状况,并有针对性地开展了典型的发动机羽流效应、放电监测系统和航天器自身磁场分布探测研究。     

红蓝光敏探测器空间环境效应探测数据分析

红蓝光敏太阳电池空间环境效应探测器利用镓铟磷和三结砷化镓太阳电池来探测空间污染、原子氧和辐射环境及效应,搭载在中国空间技术研究院自主研制的“新技术验证一号”卫星上。文章通过分析红蓝光敏探测器在轨1年时间的探测数据,得到如下结论：红蓝光敏探测器污染电池板功率下降2.7%,等效污染累积增加量2.23×10^-5 g/cm^2,日均6×10^-8 g/cm^2;原子氧探测器在轨道高度499.226 km运行11个月,原子氧积分通量探测数据为9.7×10^20 AO/cm^2;辐射效应探测器（三结砷化镓太阳电池）在轨1年后累计接受辐射剂量（等效1 MeV电子注量）5.49×10^11 e/cm^2。     

变结构航天器动力学特性在轨辨识方法综述

动力学特性在轨辨识是对大型变结构航天器精确控制的基础和关键。首先,分析了国外在动力学特性在轨辨识领域的工程应用。其次,从在轨运行过程对动力学特性的影响出发,对在轨辨识方法的工程适用性进行了分析和评述,并总结了开展制约航天器动力学特性在轨辨识方法工程应用的条件。最后,对航天器质量特性和模态参数在轨辨识方法的应用进行了总结,可为动力学特性在轨辨识方法在我国未来大型变结构航天器中的应用提供参考。     

在轨服务中空间系绳的应用及发展

针对空间系绳在空间在轨服务中的应用与发展问题,在简述空间系绳传统应用及试验情况的基础上,综述了空间绳系机器人、空间绳网机器人两类新在轨应用方式的研究和发展,主要包括动力学建模、结构设计、相对状态测量、逼近/抓捕控制、拖曳变轨等。最后进一步讨论了空间系绳未来的研究方向。     

空间黏附足式爬行机器人的稳定性判据及蠕动步态

面向空间在轨服务任务中的黏附足式爬行机器人应用需求,提出一种通过足端和腹部黏附实现爬行的机器人构型,分析了空间黏附足式爬行机器人的稳定性原理,推导了一种以机器人黏附和脱附力矩平衡为稳定条件的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据。在此基础上,分析得出空间黏附足式爬行机器人3+1步态的不稳定性,并规划了一种适用于黏附足式爬行机器人在空间微重力环境下的稳定行走步态,即蠕动步态。最后,通过仿真验证了所提出的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据及所规划蠕动步态的有效性。