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一种深空探测两器释放分离监视系统.pdf

摘要
申请专利号:

CN201410106480.X

申请日:

2014.03.21

公开号:

太阳城集团CN103983252A

公开日:

2014.08.13

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 11/02申请日:20140321|||公开
IPC分类号: G01C11/02 主分类号: G01C11/02
申请人: 北京空间飞行器总体设计部
发明人: 邹昕; 邓湘金; 吴学英; 张熇; 陈丽平
地址: 100094 北京市海淀区友谊路104号
优先权:
专利代理机构: 北京理工大学专利中心 11120 代理人: 李爱英;杨志兵
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201410106480.X

授权太阳城集团号:

CN103983252B||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2015.04.15|||2014.09.10|||2014.08.13

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及一种深空探测两器释放分离监视系统,该系统主要由监视相机A、监视相机B及监视相机C组成;其中,监视相机A安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和-Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机B安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和+Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机C安装在着陆器+Z侧板,相机俯仰角为-15°,偏航角为0°。本发明采用3台固定安装的相机,分别监视指定区域,不需要机构运动部件的配合,减少了控制过程环节,降低了风险,提高了系统的可靠性。

权利要求书

权利要求书
1.  一种深空探测两器释放分离监视系统,其特征在于,
着陆器机械坐标系O-XYZ预定义:坐标原点O为对接环下端框、着陆器与运载火箭对接法兰的理论圆心;X轴为过坐标原点,垂直于器箭分离面指向主结构方向;Z轴为过坐标原点指向巡视器转移机构方向;Y轴为与X轴、Z轴构成右手坐标系;
巡视器机械坐标系O'-X'Y'Z'预定义:坐标原点O'为结构底板对月面的理论几何中心点;X'轴位于结构底板对月面内,+X'轴指向巡视器前进方向;Z'轴为沿结构底板对月面法线方向,+Z'轴指向月面;Y'轴与Z'轴和X'轴构成右手坐标系;
该系统主要由监视相机A、监视相机B及监视相机C组成;其中,监视相机A安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和-Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机B安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和+Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机C安装在着陆器+Z侧板,相机俯仰角为-15°,偏航角为0°;
所述监视相机A,在两器分离解锁时,用于观测巡视器±Y'侧后轮以及对应轮的板簧状态,观测巡视器-X'面的分离插头和脐带电缆的连接状态,所述监视相机A的有效像元数量为1024×1024,视场角为60°×60°且偏差不超过5%,量化值为8bit,成像距离为0.2m~3m;
所述监视相机B,在巡视器运行到转移机构上时,用于观测巡视器+Y'侧后轮相对+Y'侧转移机构短梯斜边的位置状态,所述监视相机B的有效像元数量为1024×1024,视场角为60°×60°且偏差不超过5%,量化值为8bit,成像距离为0.2m~3m;
所述监视相机C,在巡视器从转移机构转移至月面的过程,用于观测巡视器在着陆器+Z方向近距离的月面移动状态及着陆器+Z方向的月面地貌状态,在巡 视器移动到月面上后,用于观测巡视器转移机构与月面的接触区域,所述监视相机C的有效像元数量为1024×1024,视场角为60°×60°且偏差不超过5%,量化值为8bit,成像距离为1m~20m;
三台监视相机将监视到的状态传输出去。

2.  根据权利要求1所述深空探测两器释放分离监视系统,其特征在于,所述监视相机A、监视相机B、监视相机C均为彩色相机,且都可以实现静态拍照和动态摄像,均能够自动和遥控调节且可以消减杂散光,能够对图像和视频进行压缩。

3.  根据权利要求1或2所述深空探测两器释放分离监视系统,其特征在于,三台监视相机动态摄像时帧频均为1fps~5fps,数据压缩比均为8:1。

说明书

说明书一种深空探测两器释放分离监视系统
技术领域
本发明属于航天光学载荷技术领域,具体涉及一种深空探测两器(着陆器与巡视器,以下简称两器)释放分离监视系统。
背景技术
相机是卫星或探测器的眼睛,是几乎所有卫星或探测器都要搭载的主要载荷。美国、欧洲及日本等国家在进行深空探测活动中,在他们的着陆器或月球车上都搭载了多台相机,承担照相、监视、辅助导航等任务,或通过配置多种类型的相机来实现更多功能。
与地球应用卫星相比,由于深空探测器的速度增量需求较大,重量的增加将急剧增加推进剂的需求,因此,深空探测器对各个探测仪器的重量要求更为苛刻。轻小型相机是我国深空探测的任务需求,也是未来技术发展的必然趋势。
目前国外用于深空探测器中监视相机,其主要任务包括月球或火星降落过程监视、月球车或火星车行驶状态监视、月球或火星表面地貌观测。目前国内用于深空探测器中的监视相机,其主要任务包括:太阳翼展开、定向天线展开、490N发动机等状态监视。因此,国内外深空探测器的监视任务中尚无两器释放分离过程监视。
此外,目前航天领域卫星上的监视系统配置的实现途径,主要有如下几种方式:
(1)通过相机与机构运动部件配合工作,实现监视功能。这种途径增加了机构运动部件的控制与工作工程,增加了风险环节,也因增加1套运动部件, 带来较大的重量和功耗需求。
(2)采用具备变焦功能的相机,能够兼顾近距离和远距离成像,具有较好的观测距离适应能力。但是变焦相机的实现,将在温控、重量、功耗、安装尺寸、防尘、控制等方面产生一定的影响,对于深空探测工程带来较大难度。目前深空探测领域尚无变焦相机。
(3)采用摄像机,其帧频较高,视频图像很连贯,但由于数传码速率的限制和实时下传的需求,必会要求摄像机的探测器像元数少或图像压缩比高,导致摄像机图像的分辨率较低。
发明内容
本发明的目的是克服相机与机构运动部件配合方式带来的大重量和高功耗资源利用,变焦相机在深空探测工程中实现难度大,摄像机实时下传图像的低分辨率等缺点,针对共同实现两器释放分离过程、巡视器月面移动状态、月面地貌观测的任务需求,提出一种深空探测两器释放分离监视系统。
本发明的技术解决方案是:
一种深空探测两器释放分离监视系统,
着陆器机械坐标系O-XYZ预定义:坐标原点O为对接环下端框、着陆器与运载火箭对接法兰的理论圆心;X轴为过坐标原点,垂直于器箭分离面指向主结构方向;Z轴为过坐标原点指向巡视器转移机构方向;Y轴为与X轴、Z轴构成右手坐标系;
巡视器机械坐标系O'-X'Y'Z'预定义:坐标原点O'为结构底板对月面的理论几何中心点;X'轴位于结构底板对月面内,+X'轴指向巡视器前进方向;Z'轴为沿结构底板对月面法线方向,+Z'轴指向月面;Y'轴与Z'轴和X'轴构成右手坐标系; 该系统主要由监视相机A、监视相机B及监视相机C组成;其中,监视相机A安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和-Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机B安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和+Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机C安装在着陆器+Z侧板,相机俯仰角为-15°,偏航角为0°;
所述监视相机A,在两器分离解锁时,用于观测巡视器±Y'侧后轮以及对应轮的板簧状态,观测巡视器-X'面的分离插头和脐带电缆的连接状态,所述监视相机A的有效像元数量为1024×1024,视场角为60°×60°且偏差不超过5%,量化值为8bit,成像距离为0.2m~3m;
所述监视相机B,在巡视器运行到转移机构上时,用于观测巡视器+Y'侧后轮相对+Y'侧转移机构短梯斜边的位置状态,所述监视相机B的有效像元数量为1024×1024,视场角为60°×60°且偏差不超过5%,量化值为8bit,成像距离为0.2m~3m;
所述监视相机C,在巡视器从转移机构转移至月面的过程,用于观测巡视器在着陆器+Z方向近距离的月面移动状态及着陆器+Z方向的月面地貌状态,在巡视器移动到月面上后,用于观测巡视器转移机构与月面的接触区域,所述监视相机C的有效像元数量为1024×1024,视场角为60°×60°且偏差不超过5%,量化值为8bit,成像距离为1m~20m;
三台监视相机将监视到的状态传输出去。
进一步地,本发明所述监视相机A、监视相机B、监视相机C均为彩色相机,且都可以实现静态拍照和动态摄像,均能够自动和遥控调节且可以消减杂散光,能够对图像和视频进行压缩。
进一步地,本发明三台监视相机动态摄像时帧频均为1fps~5fps,数据压缩 比均为8:1。
有益效果:
(1)本发明采用3台固定安装的相机,分别监视指定区域,不需要机构运动部件的配合,减少了控制过程环节,降低了风险,提高了系统的可靠性。
(2)本发明采用满足巡视器释放分离运动速度匹配性的低帧频相机,来代替摄像机,进行对巡视器释放分离过程和在月面移动状态监视,提高了监视系统的分辨率。
(3)本发明相机动态摄像时,图像下传具有准实时性,可满足深空探测的数传码速率的限制。
附图说明
图1为深空探测两器释放分离监视系统安装布局示意图。
图2为着陆器机械坐标系定义示意图:
着陆器机械坐标系(O-XYZ),如附图2所示:
坐标原点O:对接环下端框、着陆器与运载火箭对接法兰的理论圆心;
X轴:过坐标原点,垂直于器箭分离面指向主结构方向;
Z轴:过坐标原点指向巡视器转移机构方向;
Y轴:与X轴、Z轴构成右手坐标系。
图3为巡视器机械坐标系示意图:
巡视器机械坐标系(O'-X'Y'Z'),如附图3所示:
坐标原点O':为结构底板对月面的理论几何中心点;
X'轴:位于结构底板对月面内,+X'轴指向巡视器前进方向;
Z'轴:为沿结构底板对月面法线方向,+Z'轴指向月面;
Y'轴:与Z'轴和X'轴构成右手坐标系;
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明深空探测两器释放分离监视系统,该系统主要由监视相机A、监视相机B及监视相机C组成;其中,监视相机A安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和-Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机B安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和+Z侧,其俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机C安装在着陆器+Z侧板,相机俯仰角为-15°,偏航角为0°;
所述监视相机A,在两器分离解锁时,用于观测巡视器±Y'侧后轮以及对应轮的板簧状态,该后轮与对应板簧状态可以是图片的形式或视频的形式,所述后轮与对应板簧状态传输到地面后,监视人员根据后轮与对应板簧状态判断巡视器解锁机构是否解锁,实现对两器解锁的监视;监视相机A还观测巡视器-X'面的分离插头和脐带电缆的连接状态,该连接状态同样可以是图片的形式或视频的形式,所述连接状态传输到地面后,监视人员根据连接状态判断分离插头是否分离和脐带电缆是否脱落,实现对巡视器脐带电缆脱离等的监视;监视人员可根据监视的结果,控制生成不同的遥测指令,来执行对巡视器接下来的动作的控制。
所述监视相机B,在巡视器运行到转移机构上时,用于观测巡视器+Y'侧后轮相对+Y'侧转移机构短梯斜边的位置状态,该位置状态可以是图片的形式或视频的形式,所述位置状态传输到地面后,监视人员根据位置状态判断巡视器是否完全运行到转移机构上,实现对巡视器驶离连接支架,行驶至转移机构的监视;监视人员可根据监视的结果执行后续的控制。
所述监视相机C,在巡视器从转移机构转移至月面的过程,用于观测巡视器在着陆器+Z方向近距离的月面移动状态及着陆器+Z方向的月面地貌状态,在巡视器移动到月面上后,用于观测巡视器转移机构与月面的接触区域状态;该月面地貌状态和接触区域状态同样可以是图片的形式或视频的形式,在这些状态传输到地面后,监视人员根据其判断出巡视器是否安全移动到月面上,实现对巡视器安全着陆,完成释放分离的监视。
本发明三台监视相机的相互配合,共同实现两器解锁、脐带电缆脱离、巡视器驶离连接支架、行驶至转移机构、释放分离等关键点和关键过程的监视;实现巡视器在着陆器+Z方向近距离的月面活动状况监视;实现着陆器+Z方向(巡视器降落点)的月面地貌状态观测。
3台监视相机的功能、观测任务及安装位置如表1所示。
表1两器释放分离监视系统的功能、观测任务及安装位置


从观测任务角度出发,对两器释放分离过程中观测关键点和关键环节进行细化和分解,具体为:
(1)两器分离解锁时,巡视器后轮与对应轮板簧的状态;
(2)两器分离解锁时,巡视器分离插头和脐带电缆的连接状态;
(3)巡视器驶离连接支架,行驶到转移机构上的过程。
(4)巡视器运行到转移机构上时,巡视器后轮相对转移机构短梯斜边的位置状态。
(5)巡视器从转移机构转移至月面的过程。
(6)巡视器移动到月面上时,巡视器转移机构与月面的接触区域状态。
(7)巡视器在着陆器+Z方向近距离的月面移动状态,以及着陆器+Z方向的月面地貌状态。
针对上述7个观测关键点和关键环节,结合着陆器的构型布局条件,同时考虑探测器节省资源利用,监视系统所需相机数量的最小化原则,确定采用三台相机完成这7个观测目标,监视相机A的观测目标为(1)和(2),监视相机 B的观测目标为(3)和(4),监视相机C的观测目标为(5)、(6)和(7)。
从两器释放分离前至巡视器行驶到转移机构上前,巡视器都位于着陆器顶板上,当时相对当地的天东北坐标系下,太阳方位角为100°~130°,高度角为20°~30°,考虑观测目标需在光照区,相机最好顺光成像,因此,监视相机A和监视相机B安装在着陆器顶板上靠近+Y侧。此外,根据监视相机A和监视相机B的观测目标的位置分别在着陆器的-Z侧和+Z侧,结合相机视场角和成像距离因素综合分析和计算,最终确定监视相机A安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和-Z侧,相机俯仰角为15°,偏航角为40°;监视相机B安装在着陆器顶板上靠近+Y侧和+Z侧,相机俯仰角为15°,偏航角为40°。巡视器从转移机构至月面的过程和月面移动过程,都在着陆器+Z方向,结合相机视场角和成像距离因素综合分析和计算,最终确定监视相机C安装在着陆器+Z侧板,相机俯仰角为-15°,偏航角为0°。
为了完成上述探测任务,监视相机将具有一定的波段范围、视场角、成像范围、信噪比、系统传递函数等性能指标。通过构建探测器系统、月面环境系统、动态光照系统、监视相机可视化系统这四个系统,具体如下:
(1)构建探测器系统。导入着陆器和巡视器三维模型;设置探测器材质属性,具体为材质的色彩、纹理、平滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等参数;设置机构部件运动属性,具体为巡视器的运动轨迹、运动速度,着陆器转移机构的运动轨迹、转动角度等参数。
(2)构建月面环境系统。月面地形随机生成;月面典型地貌特征附加,设定月球坑、石块、平地、斜坡、山包、凹地等典型月面形貌环境的尺寸、坡度等参数。
(3)构建动态光照环境系统。设置太阳高度角、方位角属性。
(4)基于上述构建的三个系统建立相机可视化系统。
月面场景选取,包含探测器(着陆器和巡视器)、月面地形、光照环境;设置监视相机成像属性,具体为相机的位置、视场角、焦距、有效像元素、成像距离、MTF、帧频等性能参数;进行相机视场遮挡分析和观测目标阴影状态分析。
通过上述仿真分析和计算,在多种工况下(不同着陆姿态、不同月面状态和不同太阳光照情况下),监视相机在静态拍照或动态摄像模式时的可视化效果(静态图像或视频)可输出和直观显示。通过预览相机成像效果,综合迭代调整相机成像属性,经过相机视场遮挡分析和观测目标阴影状态分析,直到获得的相机静态图像或视频满足要求为止。此外,综合考虑任务需求、资源条件、安装位置、接口关系等多方面因素后,优化迭代,确定监视相机A/B/C的性能指标如表2所示。
表2监视相机A/B/C的主要性能指标


依据表2,计算得出监视相机分辨能力的结果如表3所示。
表3监视相机A/B/C分辨能力
距离视场大小(m2)像元分辨率(mm)0.2m0.23×0.230.2040.5m0.58×0.580.511m1.15×1.151.023m4.45×4.453.065m5.75×5.755.110m11.5×11.510.220m23×2320.4
(1)两器分离解锁的过程
两器分离解锁的过程,由监视相机A进行监视。在两器分离解锁时,监视相机A可观测巡视器±Y'侧后轮以及对应轮的板簧状态,地面监视人员根据后轮与对应板簧状态判断巡视器解锁机构是否解锁;观测距离约为360mm,像元分辨率约0.61mm,经计算,分离间隙10mm占16pixel;监视相机A还可观测巡视器-X'面的分离插头和脐带电缆的连接状态,地面监视人员根据连接状态判断分离插头是否分离和脐带电缆是否脱落。
(2)巡视器运行到转移机构上的过程
巡视器运行到转移机构上的过程,由监视相机B进行监视。在此过程中,巡视器本体逐渐进入监视相机B的视场。在巡视器运行到转移机构上后,监视相 机B可观测巡视器+Y'侧后轮相对+Y'侧转移机构短梯斜边的位置状态,地面监视人员根据监视相机B所监视的位置状态判断巡视器是否完全运行到转移机构上。同时,监视相机B还可观测巡视器+Y'面和-X'面的车体。
(3)巡视器从转移机构转移至月面的过程
巡视器从转移机构转移至月面的过程,由监视相机C进行监视。当巡视器接近月面时,监视相机C可观测巡视器转移机构与月面的接触区域,地面监视人员根据监视相机C所监视的状态判断巡视器是否安全移动到月面上。同时,监视相机C还可观测巡视器-X'面的主体。
(4)巡视器月面移动状态和月面地貌状态
巡视器在着陆器+Z方向近距离的月面移动状态,以及着陆器+Z方向的月面地貌状态,由监视相机C进行观测。当巡视器在着陆器+Z方向近距离时,监视相机C可清晰观测巡视器月表活动状态。巡视器展开包络尺寸为2.41m(W)×1.66m(H)。巡视器器表国旗尺寸为192mm(W)×128mm(H),则国旗中小五角星的外接圆直径为12.8mm,大五角星外接圆直径为38.4mm。
监视相机C的视场角:60°×60°;像元分辨率:1024pixel×1024pixel。巡视器展开包络尺寸为2.41m(W)×1.66m(H)。根据以上参数及表3给出的监视相机分辨能力,可以计算得到表4。
表4不同距离下监视相机C的分辨率

(a)在距离3m时,监视相机C的视场大小约为4.45m×4.45m,像元分辨率为3.06mm,此时:巡视器整体占约653pixel×392pixel(约2m×1.2m,展开包络),轮廓清晰。能看到各主要部件,如车轮、桅杆,能够清晰的分辨各部分的细节状态。国旗在图像中占62pixel×41pixel,轮廓可见。小五角星的直径在图像中占4pixel×4pixel,监视相机C能够看到国旗上的小五角星。
(b)在距离5m时,监视相机C的视场大小约为5.75m×5.75m,像元分辨率为5.1mm,此时:巡视器整体占约392pixel×235pixel,有清晰轮廓特性。能看到各主要部件,能够较清晰的分辨各部分的细节状态。国旗在图像中占37pixel×25pixel,轮廓可见。小五角星的直径在图像中占2pixel×2pixel。
(c)在距离10m时,监视相机C的视场大小约为11.5m×11.5m,像元分辨率为10.2mm,此时:巡视器整体占约196pixel×118pixel,有清晰轮廓特性。能看到各主要部件,能够较清晰的分辨各部分的细节状态。国旗在图像中占18pixel×12pixel,轮廓可见。
巡视器在着陆器近距离月面移动时,监视相机C对巡视器整体和主要部件可以实现清晰观测,也能够清晰分辨巡视器上国旗的轮廓,但由于视场角较大,不能清晰观测国旗中的小五角星。
(5)监视相机的视频连贯性状态
监视相机主要目的为对两器分离解锁到巡视器转移至月面过程中的关键点和关键环节静态结果进行判别,且对两器释放分离过程和巡视器月面移动状态进行动态摄像,并实现准实时传输。经分析,监视相机视频图像动画的连贯性主要取决于相邻两幅图像场景的重叠率。场景重叠率越高,动画就越连贯。巡视器在转移过程中的运行速度较慢,走走停停,并通过AUTODESK公司的 3DSmax9.0软件仿真监视相机成像效果,最终定监视相机在动态摄像时的帧频为1~5fps可调,能够满足监视需求。
监视相机A/B/C相互配合,实现两器释放分离过程的监视,实现巡视器月面移动状态和月面地貌观测,且监视相机动态摄像帧频设为1fps时,数据率为1.05Mbps,着陆器着陆后通过定向天线下行数传码速率为1Mbps,可准实时对监视相机数据进行下传。
太阳城集团综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

关 键 词:
一种 探测 释放 分离 监视 系统
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