高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法和装置，包括：对目标卫星进行整体成像和多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别目标卫星的功能类型，并根据功能类型确定目标卫星是否为被服务卫星；若目标卫星为被服务卫星，则对被服务卫星进行至少三个不同预设距离的多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别被服务卫星的星表特征部位；对星表特征部位进行实时跟踪，以及对星表特征部位进行相对位姿测量，并将相对位姿测量结果发送至抓捕控制系统。本发明专利技术可在轨实时提供空间在轨失效非合作目标功能类型、特征部位、相对位姿等信息，支持空间飞行器在轨自主决策和控制。

【技术实现步骤摘要】
高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法和装置
本专利技术涉及空间飞行器在轨服务与维护
，尤其涉及一种高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法和装置。
技术介绍
现有在轨航天器尤其是高价值高轨卫星，由于星地通信延迟大，信息获取不足，操作手段缺失等原因，出现帆板展开异常、姿态异常、燃料耗尽和碎片撞击等原因造成的失效情况时，地面救助难度非常大，极大影响卫星在轨寿命，给国家带来巨大经济损失。为减少在轨故障引起的经济损失，世界各航天强国纷纷开展在轨航天器主动维修与维护技术研究，利用各类抓捕和操作机构开展卫星维修和维护操作，解决帆板在轨展开不利、姿态异常、燃料耗尽及废弃卫星离轨等问题，挽回经济损失，延长卫星寿命，提高在轨航天器的使用健壮性，并增强对空间在轨航天器进行无人操作能力。由于在轨失效航天器通常处于无法主动提供有效位置、姿态等信息的“非合作”状态，因此如何获取非合作目标信息，引导在轨服务航天器对目标进行发现、认知、接近、靠近和操作，成为在轨服务与维护技术的关键性技术问题。现有空间非合作目标操作引导方式可分为三个步骤：步骤1：空间目标确认。该阶段工作目前技术手段只支持在地面测控中心完成，即航天器在轨获得目标图像和位置信息后，在过境时通过测控链路下传地面测控站，地面接收数据后进行数据解析和恢复，通过下传图像进行人工识别和判断，对照预定目标进行比对判断，确定待操作空间目标，避免发生目标识别错误及在轨误操作。但受测控站位置、过境周期、链路传输延时、数据下传带宽、地面数据接收处理流程和人工判断决策流程等条件限制，信息获取效率低，获取数据量受限，实时性差。步骤2：空间目标操作部位确认。该阶段工作目前技术手段采用地面测控中心人工判断与在轨特征部位检测算法相结合的方式进行。航天器在轨获得目标图像后，在过境时通过测控链路下传地面测控站，地面接收数据后进行数据解析和恢复，通过下传的多幅图像进行特征部位人工寻找和选择，针对抓捕机构工作方式和工作能力，选择适合的星表特征部位进行抓捕。之后根据目标相对位姿，人工选择适合抓捕机构进行工作操作的服务飞行器预想轨道位置，并控制服务飞行器进行变轨和姿态调整，以适合抓捕机构工作的方式接近抓捕部位，并在服务飞行器接近抓捕机构过程中，需要避免与目标尤其是姿态不稳定或翻滚目标发生碰撞。通过姿态调整与空间目标保持姿态相对稳定后，服务飞行器进行特征部位检测和定位。由于极大程度需要地面人员配合进行，因此与步骤1相同，受测控站位置、过境周期、链路传输延时、数据下传带宽、地面数据接收处理流程、人工判断决策流程等条件限制，信息获取效率低，获取数据量受限，实时性差。同时，以特征部位外形尺寸信息为先验信息，即提前预知要寻找的特征部位的外形轮廓和尺寸，专门针对该类特定目标进行检测，若出现类似外形或轮廓尺寸的其它特征部位，则易引起误检。步骤3：对特定部位进行跟踪和测量。由于现有操作方式均针对预先选定的特征部位，因此跟踪与测量算法的针对性较强，适应性不足，不支持在轨更换特征部位，在轨服务与维护的灵活性较差。从上述空间目标操作引导方式可以看出，由于受地面干预较多，对地面人工判读依赖较强，受测控条件、目标先验信息等约束较大，在轨操作灵活性和适应性不足，实时性较差。
技术实现思路
基于此，本专利技术实施例提供一种高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法和装置，以解决现有在轨抓捕方法过度依赖地面，在轨服务实时性和灵活性不足的问题。根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法，包括：对目标卫星进行整体成像和多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述目标卫星的功能类型，并根据所述功能类型确定所述目标卫星是否为被服务卫星；若所述目标卫星为被服务卫星，则对所述被服务卫星进行至少三个不同预设距离的多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述被服务卫星的星表特征部位；对所述星表特征部位进行实时跟踪，以及对所述星表特征部位进行相对位姿测量，并将相对位姿测量结果发送至抓捕控制系统。可选的，所述对目标卫星进行整体成像时服务飞行器与所述目标卫星之间的距离H范围为：其中，L为所述目标卫星的太阳翼展开后的总长度，α为所述服务飞行器的相机视场角。可选的，所述根据成像后得到的所有卫星图像识别所述目标卫星的功能类型，并根据所述功能类型确定所述目标卫星是否为被服务卫星，包括：基于第一深度卷积神经网络，对每张所述目标卫星图像和所述目标卫星整体图像进行功能类型识别，得到多个识别结果。若识别结果为第一功能类型的数目大于数量阈值，且识别结果的置信度大于第一信度阈值时，则确定所述第一功能类型为所述目标卫星的功能类型；若所述第一功能类型与预设的被服务卫星的功能类型一致，则确认所述目标卫星为待接受服务的所述被服务卫星。可选的，所述对所述被服务卫星进行至少三个不同预设距离的多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述被服务卫星的星表特征部位，包括：对所述被服务卫星分别进行第一预设距离、第二预设距离和第三预设距离的多角度环绕成像，其中，所述第一预设距离大于所述第二预设距离，所述第二预设距离大于所述第三预设距离；基于第二深度卷积神经网络，根据成像后得到的所有卫星图像均进行星表特征部位识别，得到每张所述卫星图像对应的星表特征部位的名称、星表特征部位的像素坐标位置及星表特征部位的检测置信度；在所述星表特征部位检测置信度大于第二信度阈值时，记录检测到所述星表特征部位对应的图像样本号、服务飞行器与所述被服务卫星的距离和所述服务飞行器与所述被服务卫星的相对位姿。可选的，所述第一预设距离H1的范围为：所述第二预设距离H2的范围为：所述第三预设距离H3的范围为：其中，L为所述被服务卫星的太阳翼展开后的总长度，α为服务飞行器的相机视场角，S为所述被服务卫星的本体长度。可选的，所述对所述星表特征部位进行实时跟踪，包括：根据高轨卫星抓捕机构对抓捕部位需求，在识别到的所有星表特征部位中确认是否有抓捕机构需要的特征部位；若有所述抓捕机构需要的特征部位，则将与所述抓捕机构需要的特征部位对应的第一星表特征部位的信息反馈给主控设备，以使所述主控设备控制服务飞行器恢复到识别出所述第一星表特征部位时与所述被服务卫星的相对位置；对所述第一星表特征部位进行连续检测，若当前检测的置信度不小于第三信度阈值，则对所述第一星表特征部位进行操作；根据所述第一星表特征部位对应的卫星图像和所述像素坐标位置，对所述第一星表特征部位进行实时跟踪。可选的，所述对所述星表特征部位进行相对位姿测量，包括：根据所述星表特征部位确定相对位姿测量算法；基于所述相对位姿测量算法，确定所述星表特征部位的抓持特征点；对所述抓持特征点进行相对位姿测量，得到所述抓持特征点在服务飞行器的相机坐标系下的三轴位置、俯仰、滚转和偏航三轴姿态角。根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法，其特征在于，包括：/n对目标卫星进行整体成像和多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述目标卫星的功能类型，并根据所述功能类型确定所述目标卫星是否为被服务卫星；/n若所述目标卫星为被服务卫星，则对所述被服务卫星进行至少三个不同预设距离的多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述被服务卫星的星表特征部位；/n对所述星表特征部位进行实时跟踪，以及对所述星表特征部位进行相对位姿测量，并将相对位姿测量结果发送至抓捕控制系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法，其特征在于，包括：
对目标卫星进行整体成像和多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述目标卫星的功能类型，并根据所述功能类型确定所述目标卫星是否为被服务卫星；
若所述目标卫星为被服务卫星，则对所述被服务卫星进行至少三个不同预设距离的多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述被服务卫星的星表特征部位；
对所述星表特征部位进行实时跟踪，以及对所述星表特征部位进行相对位姿测量，并将相对位姿测量结果发送至抓捕控制系统。


2.如权利要求1所述的高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法，其特征在于，所述对目标卫星进行整体成像时服务飞行器与所述目标卫星之间的距离H范围为：



其中，L为所述目标卫星的太阳翼展开后的总长度，α为所述服务飞行器的相机视场角。


3.如权利要求1所述的高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法，其特征在于，所述根据成像后得到的所有卫星图像识别所述目标卫星的功能类型，并根据所述功能类型确定所述目标卫星是否为被服务卫星，包括：
基于第一深度卷积神经网络，对每张所述目标卫星图像和所述目标卫星整体图像进行功能类型识别，得到多个识别结果；
若识别结果为第一功能类型的数目大于数量阈值，且识别结果的置信度大于第一信度阈值时，则确定所述第一功能类型为所述目标卫星的功能类型；
若所述第一功能类型与预设的被服务卫星的功能类型一致，则确认所述目标卫星为待接受服务的所述被服务卫星。


4.如权利要求1所述的高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法，其特征在于，所述对所述被服务卫星进行至少三个不同预设距离的多角度环绕成像，并根据成像后得到的所有卫星图像识别所述被服务卫星的星表特征部位，包括：
对所述被服务卫星分别进行第一预设距离、第二预设距离和第三预设距离的多角度环绕成像，其中，所述第一预设距离大于所述第二预设距离，所述第二预设距离大于所述第三预设距离；
基于第二深度卷积神经网络，根据成像后得到的所有卫星图像均进行星表特征部位识别，得到每张所述卫星图像对应的星表特征部位的名称、星表特征部位的像素坐标位置及星表特征部位的检测置信度；
在所述星表特征部位检测置信度大于第二信度阈值时，记录检测到所述星表特征部位对应的图像样本号、服务飞行器与所述被服务卫星的距离和所述服务飞行器与所述被服务卫星的相对位姿。


5.如权利要求4的高轨卫星抓捕机构的在轨抓捕导引方法，其特征在于，所述第一预设距离H1的范围为：



所述第二预设距离H2的范围为：
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【专利技术属性】
技术研发人员：庞羽佳，李志，黄龙飞，蒙波，黄剑斌，韩旭，张志民，李海超，王尹，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11