一種在軌服務相對導航實驗平臺及工作方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可用于相對導航算法的實驗驗證的低成本半物理仿真實驗平臺， 屬于非合作航天器的相對導航技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類的航天技術(shù)飛速發(fā)展，而日益復雜的空間任務對空間飛行器的性能和可靠性 提出了越來越高的要求。尤其是在復雜的空間環(huán)境下，如何保證空間飛行器持久而穩(wěn)定地 在軌運行，已經(jīng)成為了航天領域中亟待攻克的重大技術(shù)問題。眾所周知，設計缺陷、發(fā)射故 障、空間高能粒子等原因都可能導致空間飛行器故障、失效、甚至廢棄，無法執(zhí)行目標任務； 另一方面，燃料的消耗殆盡、元器件老化故障都可能縮短衛(wèi)星部件壽命，最終使整星失效而 成為太空垃圾。
[0003] 所以構(gòu)建空間在軌服務系統(tǒng)，開展在軌服務以及相關技術(shù)的研究具有重大意義， 特別是在空間活動日益頻繁的情況下，除了延長空間飛行器的使用壽命之外，甚至還可以 提升航天器的性能。服務航天器在空間完成與故障航天器交會、對接和抓捕的過程，實際上 也是目標識別，相對位姿精確測量與控制的過程，空間相對狀態(tài)確定和目標辨識技術(shù)是成 功實施在軌服務的關鍵。
[0004] 相對導航系統(tǒng)的精度、可靠度和信息獲取與處理的實時性，對故障航天器在軌服 務的成敗有著直接的影響，同時所采用的測量傳感器需要滿足低功耗，小質(zhì)量，適合空間環(huán) 境等多方面的要求。目前，國外已經(jīng)有一些針對故障衛(wèi)星近距離操作的在軌試驗，相對導航 傳感器以視覺傳感器為主。
[0005] 為了精確獲得空間故障航天器相對位置和相對姿態(tài)信息，為在軌服務任務提供必 要的參數(shù)，已有很多國內(nèi)外學者開展了基于視覺測量系統(tǒng)研究了故障衛(wèi)星相對位姿估計算 法。
[0006] 絕大多數(shù)的相對導航算法研究還停留在純仿真階段，而真實情況下的相對導航過 程中，還存在著諸多物理環(huán)節(jié)，為了最大程度真實地驗證所設計方法的有效性，提前消除設 計不足，半物理仿真實驗就成了驗證算法的最佳選擇，能夠精確模擬算法實際執(zhí)行的情況， 并且逼真度較高，對了解相對位姿估計算法的實際運行效果具有極強的指導意義和參考價 值。
[0007] 目前在地面上驗證在軌服務相對導航算法主要有2個途徑:一個是以德國DLR為代 表的利用大型機械臂和導軌來模擬兩個航天器之間的相對運動；另一個是利用三軸氣浮 臺，其中2個是平動自由度，另1個是旋轉(zhuǎn)自由度，尚不能完全模擬3個平動自由度和3個旋轉(zhuǎn) 自由度。并且這兩個實驗方法都需要高昂的成本投入。本發(fā)明專利利用了實驗室常見的三 軸電動轉(zhuǎn)臺和三維平移臺進行二次集成，大大縮減了實驗平臺的成本投入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對上述問題的不足，提出一種在軌服務相對導航實驗平臺及工作方法， 本發(fā)明能夠低成本地用于驗證在軌服務相對導航方法的半物理實驗，減少了高昂的實驗成 本的投入。
[0009] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提出的技術(shù)方案是：
[0010] -種在軌服務相對導航實驗平臺，包括手動轉(zhuǎn)臺、棋盤格標定板、三軸電動轉(zhuǎn)臺、 三維平移臺、仿真控制計算機、故障航天器等效裝置、雙目立體視覺系統(tǒng)與導航計算機系 統(tǒng)，其中：
[0011]所述棋盤格標定板設置于手動轉(zhuǎn)臺上，故障航天器等效裝置安裝在三軸電動轉(zhuǎn)臺 上，故障航天器等效裝置表面安裝有用于實驗平臺初次使用的標定特征點群，該特征點群 由LED燈構(gòu)成。
[0012] 雙目立體視覺系統(tǒng)用于對棋盤格標定板的圖像采集、LED燈陣的圖像采集以及對 故障航天器等效裝置的圖像采集；
[0013] 所述三軸電動轉(zhuǎn)臺模擬相對姿態(tài)運動，三維平移臺模擬相對位置運動。
[0014] 仿真控制計算機用于根據(jù)導航計算機系統(tǒng)發(fā)送相對姿態(tài)的初值和相對位置的初 值生成仿真場景并控制三軸電動轉(zhuǎn)臺和三維平移臺運動；另外，仿真控制計算機還根據(jù)導 航計算機系統(tǒng)推送的導航參數(shù)與仿真場景中的仿真真值比較，作為評價待驗證算法性能的 依據(jù)；
[0015] 導航計算機系統(tǒng)根據(jù)采集的棋盤格標定板的圖像對雙目立體視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參 數(shù)進行標定，作為導航計算機實現(xiàn)導航解算的基礎;根據(jù)采集的LED燈陣圖像確定故障航天 器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對姿態(tài)的初值和相對位置的初值，并將該初值發(fā)給仿 真控制計算機;根據(jù)周期性采集的故障航天器等效裝置圖像地對兩個相機圖像進行處理， 然后利用待驗證的相對導航和辨識算法進行導航計算，將導航結(jié)果發(fā)給仿真控制計算機。
[0016] 優(yōu)選的:所述雙目立體視覺系統(tǒng)包括2臺工業(yè)相機、同步觸發(fā)電路，其中，同步觸發(fā) 電路用于周期性地觸發(fā)2臺工業(yè)相機采集故障航天器等效裝置圖像。
[0017]優(yōu)選的：所述導航計算機系統(tǒng)包括視覺參數(shù)標定模塊、圖像處理模塊和相對導航 算法驗證模塊，其中：
[0018] 所述圖像處理模塊用于對棋盤格標定板采集圖像的處理，并將處理數(shù)據(jù)傳送給視 覺參數(shù)標定模塊，所述視覺參數(shù)標定模塊根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)對雙目立體視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù) 進行標定，作為導航計算機實現(xiàn)導航解算的基礎；
[0019] 所述圖像處理模塊用于對LED燈陣采集圖像的處理，并將處理結(jié)果傳送給視覺參 數(shù)標定模塊，所述視覺參數(shù)標定模塊根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)確定故障航天器等效裝置與雙目立體 視覺系統(tǒng)的相對姿態(tài)的初值和相對位置的初值，并將初值傳送給仿真控制計算機；
[0020] 所述圖像處理模塊用于對故障航天器等效裝置周期性采集的圖像進行處理，并將 該處理得到的數(shù)據(jù)傳送給相對導航算法驗證模塊，所述相對導航算法驗證模塊根據(jù)傳送數(shù) 據(jù)進行導航計算，并將導航結(jié)果發(fā)給仿真控制計算機。
[0021] -種在軌服務相對導航工作方法，包括如下步驟：
[0022] 步驟1，通過手動轉(zhuǎn)臺和棋盤格標定板對雙目立體視覺系統(tǒng)進行內(nèi)外參數(shù)的標定， 該內(nèi)外參數(shù)包括左右相機的有效焦距、右相機相對測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。 [00 23]步驟2,通過仿真控制計算機復位三軸電動轉(zhuǎn)臺，讓其姿態(tài)處于標稱零位。
[0024]步驟3,通過仿真控制計算機復位三維電動平移臺，讓其位置處于標稱零位。
[0025] 步驟4,導航計算機根據(jù)標定的內(nèi)外參數(shù)和故障航天器等效裝置上的LED燈陣確定 故障航天器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對姿態(tài)的初值和相對位置的初值。
[0026] 步驟5,仿真控制計算機利用步驟5中的得到的相對姿態(tài)初值、相對位置初值以及 仿真控制計算機生成的仿真場景通過相對姿態(tài)動力學模型和相對軌道動力學模型計算出 相對姿態(tài)和相對位置的姿態(tài)序列，然后將相應的控制指令分別發(fā)給三軸電動轉(zhuǎn)臺和三維平 移臺，從物理上模擬出服務航天器與故障航天器之間的相對運動。
[0027] 步驟6,開啟同步觸發(fā)電路，周期性地觸發(fā)2臺工業(yè)相機對故障航天器等效裝置成 像。
[0028] 步驟7,開啟導航計算機系統(tǒng)，周期性地對兩個相機圖像進行處理，然后利用待驗 證的相對導航和辨識算法進行導航計算，將導航結(jié)果發(fā)給仿真控制計算機，仿真控制計算 機將導航結(jié)果與真值比較，作為評價待驗證算法性能的依據(jù)。
[0029] 優(yōu)選的：所述步驟1左右相機分別相對測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣的確定 方法:選左相機作為測量坐標系，則可得到右相機相對測量坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。
[0030] 優(yōu)選的:所述步驟1中對雙目立體視覺系統(tǒng)進行內(nèi)外參數(shù)標定的方法，包括以下步 驟：
[0031] 步驟11，將棋盤格標定板安置在手動轉(zhuǎn)臺上。
[0032] 步驟12,旋轉(zhuǎn)步驟11安裝有棋盤格標定板的手動轉(zhuǎn)臺，并保持。
[0033]步驟13，讓雙目立體視覺系統(tǒng)中的兩臺工業(yè)相機對步驟12中的棋盤格標定板進行 成像，并保存記錄圖像。
[0034] 步驟14,重復步驟12、13至少10次。
[0035] 步驟15,對步驟14重復得到2個相機的圖片進行標定處理，通過導航計算機計算出 雙目立體視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)。
[0036] 優(yōu)選的：所述步驟4中確定故障航天器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對姿態(tài) 的初值和相對位置初值的方法。
[0037]步驟41，點亮在故障航天器等效裝置上的LED燈陣，形成明顯的標定特征點陣。 [0038]步驟42,利用雙目立體視覺系統(tǒng)對故障航天器等效裝置表面的標定特征點陣成 像，提取特征點，在利用三維重建技術(shù)計算出每個特征點的坐標值。
[0039]步驟43,利用測量得到的特征點的坐標值計算各個特征點之間的距離并求和，得 到的和值與故障航天器等效裝置表面上對應的兩個LED燈之間的已知距離進行比較，如果 該比較值大于設定的門限，則說明平臺的實驗精度不夠，返回步驟11)。如果該比較值小于 一定門限，則進入后續(xù)實驗步驟。
[0040] 步驟44,根據(jù)步驟43得到的滿足門限的特征點陣的坐標值，計算出雙目立體視覺 系統(tǒng)的測量坐標系和故障衛(wèi)星之間的相對姿態(tài)、相對位置的初值，并將值發(fā)送給仿真控制 計算機。
[0041] 步驟45,關閉LED燈陣，完成確定故障航天器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對 姿態(tài)的初值和相對位置的初值。
[0042]優(yōu)選的:所述步驟42中利用三維重建技術(shù)計算出每個特征點的坐標值方法如下： [0043]將2臺工業(yè)相機分為左右相機，LED燈陣在右相機坐標系下的坐標為（XR^ym Z