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技术方案

本发明专利技术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。

Acquisition system and method of space non cooperative target based on micro nano satellite cluster

The invention discloses a space non cooperative target acquisition system and a acquisition method based on a micro nano satellite cluster, including a parent star, a visual satellite sub group and a working star sub group; a parent star is used for carrying, releasing and recovering a visual satellite sub group and a working star sub group, and carries out data fusion and calculation according to the measurement information of the visual satellite sub group, and commands and dispatches the working star sub group reality according to the data fusion and calculation results Approach, attach and take over non cooperative objects in space; industrial satellite is used to attach to non cooperative objects in space through orbit and attitude coordinated control between stars; visual satellite is used to obtain the overall or local image of non cooperative objects in space, the relative pose relationship between industrial satellite and non cooperative objects in space, and the pose of the visual star itself in space relative to the parent star And send the acquired information to the parent satellite through inter satellite wireless communication. The system can be applied to many different capture tasks.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及航空航天
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术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，本专利技术采用以下技术手段：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。作文本专利技术进一步改进，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。作文本专利技术进一步改进，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。作文本专利技术进一步改进，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。作文本专利技术进一步改进，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，本专利技术的有益效果是：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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)；/n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)；/n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；/n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)。/n...

【技术特征摘要】
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)。


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。

【专利技术属性】
技术研发人员：党朝辉，周昊，罗建军，孙军，刘传凯，王明明，马卫华，孙冲，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61