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一種深空探測兩器釋放分離監視系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410106480.X

申請日:

2014.03.21

公開號:

CN103983252A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01C 11/02申請日:20140321|||公開
IPC分類號: G01C11/02 主分類號: G01C11/02
申請人: 北京空間飛行器總體設計部
發明人: 鄒昕; 鄧湘金; 吳學英; 張熇; 陳麗平
地址: 100094 北京市海淀區友誼路104號
優先權:
專利代理機構: 北京理工大學專利中心 11120 代理人: 李愛英;楊志兵
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410106480.X

授權公告號:

CN103983252B||||||

法律狀態公告日:

2015.04.15|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種深空探測兩器釋放分離監視系統,該系統主要由監視相機A、監視相機B及監視相機C組成;其中,監視相機A安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和-Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機B安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和+Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機C安裝在著陸器+Z側板,相機俯仰角為-15°,偏航角為0°。本發明采用3臺固定安裝的相機,分別監視指定區域,不需要機構運動部件的配合,減少了控制過程環節,降低了風險,提高了系統的可靠性。

權利要求書

權利要求書
1.  一種深空探測兩器釋放分離監視系統,其特征在于,
著陸器機械坐標系O-XYZ預定義:坐標原點O為對接環下端框、著陸器與運載火箭對接法蘭的理論圓心;X軸為過坐標原點,垂直于器箭分離面指向主結構方向;Z軸為過坐標原點指向巡視器轉移機構方向;Y軸為與X軸、Z軸構成右手坐標系;
巡視器機械坐標系O'-X'Y'Z'預定義:坐標原點O'為結構底板對月面的理論幾何中心點;X'軸位于結構底板對月面內,+X'軸指向巡視器前進方向;Z'軸為沿結構底板對月面法線方向,+Z'軸指向月面;Y'軸與Z'軸和X'軸構成右手坐標系;
該系統主要由監視相機A、監視相機B及監視相機C組成;其中,監視相機A安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和-Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機B安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和+Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機C安裝在著陸器+Z側板,相機俯仰角為-15°,偏航角為0°;
所述監視相機A,在兩器分離解鎖時,用于觀測巡視器±Y'側后輪以及對應輪的板簧狀態,觀測巡視器-X'面的分離插頭和臍帶電纜的連接狀態,所述監視相機A的有效像元數量為1024×1024,視場角為60°×60°且偏差不超過5%,量化值為8bit,成像距離為0.2m~3m;
所述監視相機B,在巡視器運行到轉移機構上時,用于觀測巡視器+Y'側后輪相對+Y'側轉移機構短梯斜邊的位置狀態,所述監視相機B的有效像元數量為1024×1024,視場角為60°×60°且偏差不超過5%,量化值為8bit,成像距離為0.2m~3m;
所述監視相機C,在巡視器從轉移機構轉移至月面的過程,用于觀測巡視器在著陸器+Z方向近距離的月面移動狀態及著陸器+Z方向的月面地貌狀態,在巡 視器移動到月面上后,用于觀測巡視器轉移機構與月面的接觸區域,所述監視相機C的有效像元數量為1024×1024,視場角為60°×60°且偏差不超過5%,量化值為8bit,成像距離為1m~20m;
三臺監視相機將監視到的狀態傳輸出去。

2.  根據權利要求1所述深空探測兩器釋放分離監視系統,其特征在于,所述監視相機A、監視相機B、監視相機C均為彩色相機,且都可以實現靜態拍照和動態攝像,均能夠自動和遙控調節且可以消減雜散光,能夠對圖像和視頻進行壓縮。

3.  根據權利要求1或2所述深空探測兩器釋放分離監視系統,其特征在于,三臺監視相機動態攝像時幀頻均為1fps~5fps,數據壓縮比均為8:1。

說明書

說明書一種深空探測兩器釋放分離監視系統
技術領域
本發明屬于航天光學載荷技術領域,具體涉及一種深空探測兩器(著陸器與巡視器,以下簡稱兩器)釋放分離監視系統。
背景技術
相機是衛星或探測器的眼睛,是幾乎所有衛星或探測器都要搭載的主要載荷。美國、歐洲及日本等國家在進行深空探測活動中,在他們的著陸器或月球車上都搭載了多臺相機,承擔照相、監視、輔助導航等任務,或通過配置多種類型的相機來實現更多功能。
與地球應用衛星相比,由于深空探測器的速度增量需求較大,重量的增加將急劇增加推進劑的需求,因此,深空探測器對各個探測儀器的重量要求更為苛刻。輕小型相機是我國深空探測的任務需求,也是未來技術發展的必然趨勢。
目前國外用于深空探測器中監視相機,其主要任務包括月球或火星降落過程監視、月球車或火星車行駛狀態監視、月球或火星表面地貌觀測。目前國內用于深空探測器中的監視相機,其主要任務包括:太陽翼展開、定向天線展開、490N發動機等狀態監視。因此,國內外深空探測器的監視任務中尚無兩器釋放分離過程監視。
此外,目前航天領域衛星上的監視系統配置的實現途徑,主要有如下幾種方式:
(1)通過相機與機構運動部件配合工作,實現監視功能。這種途徑增加了機構運動部件的控制與工作工程,增加了風險環節,也因增加1套運動部件, 帶來較大的重量和功耗需求。
(2)采用具備變焦功能的相機,能夠兼顧近距離和遠距離成像,具有較好的觀測距離適應能力。但是變焦相機的實現,將在溫控、重量、功耗、安裝尺寸、防塵、控制等方面產生一定的影響,對于深空探測工程帶來較大難度。目前深空探測領域尚無變焦相機。
(3)采用攝像機,其幀頻較高,視頻圖像很連貫,但由于數傳碼速率的限制和實時下傳的需求,必會要求攝像機的探測器像元數少或圖像壓縮比高,導致攝像機圖像的分辨率較低。
發明內容
本發明的目的是克服相機與機構運動部件配合方式帶來的大重量和高功耗資源利用,變焦相機在深空探測工程中實現難度大,攝像機實時下傳圖像的低分辨率等缺點,針對共同實現兩器釋放分離過程、巡視器月面移動狀態、月面地貌觀測的任務需求,提出一種深空探測兩器釋放分離監視系統。
本發明的技術解決方案是:
一種深空探測兩器釋放分離監視系統,
著陸器機械坐標系O-XYZ預定義:坐標原點O為對接環下端框、著陸器與運載火箭對接法蘭的理論圓心;X軸為過坐標原點,垂直于器箭分離面指向主結構方向;Z軸為過坐標原點指向巡視器轉移機構方向;Y軸為與X軸、Z軸構成右手坐標系;
巡視器機械坐標系O'-X'Y'Z'預定義:坐標原點O'為結構底板對月面的理論幾何中心點;X'軸位于結構底板對月面內,+X'軸指向巡視器前進方向;Z'軸為沿結構底板對月面法線方向,+Z'軸指向月面;Y'軸與Z'軸和X'軸構成右手坐標系; 該系統主要由監視相機A、監視相機B及監視相機C組成;其中,監視相機A安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和-Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機B安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和+Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機C安裝在著陸器+Z側板,相機俯仰角為-15°,偏航角為0°;
所述監視相機A,在兩器分離解鎖時,用于觀測巡視器±Y'側后輪以及對應輪的板簧狀態,觀測巡視器-X'面的分離插頭和臍帶電纜的連接狀態,所述監視相機A的有效像元數量為1024×1024,視場角為60°×60°且偏差不超過5%,量化值為8bit,成像距離為0.2m~3m;
所述監視相機B,在巡視器運行到轉移機構上時,用于觀測巡視器+Y'側后輪相對+Y'側轉移機構短梯斜邊的位置狀態,所述監視相機B的有效像元數量為1024×1024,視場角為60°×60°且偏差不超過5%,量化值為8bit,成像距離為0.2m~3m;
所述監視相機C,在巡視器從轉移機構轉移至月面的過程,用于觀測巡視器在著陸器+Z方向近距離的月面移動狀態及著陸器+Z方向的月面地貌狀態,在巡視器移動到月面上后,用于觀測巡視器轉移機構與月面的接觸區域,所述監視相機C的有效像元數量為1024×1024,視場角為60°×60°且偏差不超過5%,量化值為8bit,成像距離為1m~20m;
三臺監視相機將監視到的狀態傳輸出去。
進一步地,本發明所述監視相機A、監視相機B、監視相機C均為彩色相機,且都可以實現靜態拍照和動態攝像,均能夠自動和遙控調節且可以消減雜散光,能夠對圖像和視頻進行壓縮。
進一步地,本發明三臺監視相機動態攝像時幀頻均為1fps~5fps,數據壓縮 比均為8:1。
有益效果:
(1)本發明采用3臺固定安裝的相機,分別監視指定區域,不需要機構運動部件的配合,減少了控制過程環節,降低了風險,提高了系統的可靠性。
(2)本發明采用滿足巡視器釋放分離運動速度匹配性的低幀頻相機,來代替攝像機,進行對巡視器釋放分離過程和在月面移動狀態監視,提高了監視系統的分辨率。
(3)本發明相機動態攝像時,圖像下傳具有準實時性,可滿足深空探測的數傳碼速率的限制。
附圖說明
圖1為深空探測兩器釋放分離監視系統安裝布局示意圖。
圖2為著陸器機械坐標系定義示意圖:
著陸器機械坐標系(O-XYZ),如附圖2所示:
坐標原點O:對接環下端框、著陸器與運載火箭對接法蘭的理論圓心;
X軸:過坐標原點,垂直于器箭分離面指向主結構方向;
Z軸:過坐標原點指向巡視器轉移機構方向;
Y軸:與X軸、Z軸構成右手坐標系。
圖3為巡視器機械坐標系示意圖:
巡視器機械坐標系(O'-X'Y'Z'),如附圖3所示:
坐標原點O':為結構底板對月面的理論幾何中心點;
X'軸:位于結構底板對月面內,+X'軸指向巡視器前進方向;
Z'軸:為沿結構底板對月面法線方向,+Z'軸指向月面;
Y'軸:與Z'軸和X'軸構成右手坐標系;
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
如圖1所示,本發明深空探測兩器釋放分離監視系統,該系統主要由監視相機A、監視相機B及監視相機C組成;其中,監視相機A安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和-Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機B安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和+Z側,其俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機C安裝在著陸器+Z側板,相機俯仰角為-15°,偏航角為0°;
所述監視相機A,在兩器分離解鎖時,用于觀測巡視器±Y'側后輪以及對應輪的板簧狀態,該后輪與對應板簧狀態可以是圖片的形式或視頻的形式,所述后輪與對應板簧狀態傳輸到地面后,監視人員根據后輪與對應板簧狀態判斷巡視器解鎖機構是否解鎖,實現對兩器解鎖的監視;監視相機A還觀測巡視器-X'面的分離插頭和臍帶電纜的連接狀態,該連接狀態同樣可以是圖片的形式或視頻的形式,所述連接狀態傳輸到地面后,監視人員根據連接狀態判斷分離插頭是否分離和臍帶電纜是否脫落,實現對巡視器臍帶電纜脫離等的監視;監視人員可根據監視的結果,控制生成不同的遙測指令,來執行對巡視器接下來的動作的控制。
所述監視相機B,在巡視器運行到轉移機構上時,用于觀測巡視器+Y'側后輪相對+Y'側轉移機構短梯斜邊的位置狀態,該位置狀態可以是圖片的形式或視頻的形式,所述位置狀態傳輸到地面后,監視人員根據位置狀態判斷巡視器是否完全運行到轉移機構上,實現對巡視器駛離連接支架,行駛至轉移機構的監視;監視人員可根據監視的結果執行后續的控制。
所述監視相機C,在巡視器從轉移機構轉移至月面的過程,用于觀測巡視器在著陸器+Z方向近距離的月面移動狀態及著陸器+Z方向的月面地貌狀態,在巡視器移動到月面上后,用于觀測巡視器轉移機構與月面的接觸區域狀態;該月面地貌狀態和接觸區域狀態同樣可以是圖片的形式或視頻的形式,在這些狀態傳輸到地面后,監視人員根據其判斷出巡視器是否安全移動到月面上,實現對巡視器安全著陸,完成釋放分離的監視。
本發明三臺監視相機的相互配合,共同實現兩器解鎖、臍帶電纜脫離、巡視器駛離連接支架、行駛至轉移機構、釋放分離等關鍵點和關鍵過程的監視;實現巡視器在著陸器+Z方向近距離的月面活動狀況監視;實現著陸器+Z方向(巡視器降落點)的月面地貌狀態觀測。
3臺監視相機的功能、觀測任務及安裝位置如表1所示。
表1兩器釋放分離監視系統的功能、觀測任務及安裝位置


從觀測任務角度出發,對兩器釋放分離過程中觀測關鍵點和關鍵環節進行細化和分解,具體為:
(1)兩器分離解鎖時,巡視器后輪與對應輪板簧的狀態;
(2)兩器分離解鎖時,巡視器分離插頭和臍帶電纜的連接狀態;
(3)巡視器駛離連接支架,行駛到轉移機構上的過程。
(4)巡視器運行到轉移機構上時,巡視器后輪相對轉移機構短梯斜邊的位置狀態。
(5)巡視器從轉移機構轉移至月面的過程。
(6)巡視器移動到月面上時,巡視器轉移機構與月面的接觸區域狀態。
(7)巡視器在著陸器+Z方向近距離的月面移動狀態,以及著陸器+Z方向的月面地貌狀態。
針對上述7個觀測關鍵點和關鍵環節,結合著陸器的構型布局條件,同時考慮探測器節省資源利用,監視系統所需相機數量的最小化原則,確定采用三臺相機完成這7個觀測目標,監視相機A的觀測目標為(1)和(2),監視相機 B的觀測目標為(3)和(4),監視相機C的觀測目標為(5)、(6)和(7)。
從兩器釋放分離前至巡視器行駛到轉移機構上前,巡視器都位于著陸器頂板上,當時相對當地的天東北坐標系下,太陽方位角為100°~130°,高度角為20°~30°,考慮觀測目標需在光照區,相機最好順光成像,因此,監視相機A和監視相機B安裝在著陸器頂板上靠近+Y側。此外,根據監視相機A和監視相機B的觀測目標的位置分別在著陸器的-Z側和+Z側,結合相機視場角和成像距離因素綜合分析和計算,最終確定監視相機A安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和-Z側,相機俯仰角為15°,偏航角為40°;監視相機B安裝在著陸器頂板上靠近+Y側和+Z側,相機俯仰角為15°,偏航角為40°。巡視器從轉移機構至月面的過程和月面移動過程,都在著陸器+Z方向,結合相機視場角和成像距離因素綜合分析和計算,最終確定監視相機C安裝在著陸器+Z側板,相機俯仰角為-15°,偏航角為0°。
為了完成上述探測任務,監視相機將具有一定的波段范圍、視場角、成像范圍、信噪比、系統傳遞函數等性能指標。通過構建探測器系統、月面環境系統、動態光照系統、監視相機可視化系統這四個系統,具體如下:
(1)構建探測器系統。導入著陸器和巡視器三維模型;設置探測器材質屬性,具體為材質的色彩、紋理、平滑度、透明度、反射率、折射率、發光度等參數;設置機構部件運動屬性,具體為巡視器的運動軌跡、運動速度,著陸器轉移機構的運動軌跡、轉動角度等參數。
(2)構建月面環境系統。月面地形隨機生成;月面典型地貌特征附加,設定月球坑、石塊、平地、斜坡、山包、凹地等典型月面形貌環境的尺寸、坡度等參數。
(3)構建動態光照環境系統。設置太陽高度角、方位角屬性。
(4)基于上述構建的三個系統建立相機可視化系統。
月面場景選取,包含探測器(著陸器和巡視器)、月面地形、光照環境;設置監視相機成像屬性,具體為相機的位置、視場角、焦距、有效像元素、成像距離、MTF、幀頻等性能參數;進行相機視場遮擋分析和觀測目標陰影狀態分析。
通過上述仿真分析和計算,在多種工況下(不同著陸姿態、不同月面狀態和不同太陽光照情況下),監視相機在靜態拍照或動態攝像模式時的可視化效果(靜態圖像或視頻)可輸出和直觀顯示。通過預覽相機成像效果,綜合迭代調整相機成像屬性,經過相機視場遮擋分析和觀測目標陰影狀態分析,直到獲得的相機靜態圖像或視頻滿足要求為止。此外,綜合考慮任務需求、資源條件、安裝位置、接口關系等多方面因素后,優化迭代,確定監視相機A/B/C的性能指標如表2所示。
表2監視相機A/B/C的主要性能指標


依據表2,計算得出監視相機分辨能力的結果如表3所示。
表3監視相機A/B/C分辨能力
距離視場大小(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)兩器分離解鎖的過程
兩器分離解鎖的過程,由監視相機A進行監視。在兩器分離解鎖時,監視相機A可觀測巡視器±Y'側后輪以及對應輪的板簧狀態,地面監視人員根據后輪與對應板簧狀態判斷巡視器解鎖機構是否解鎖;觀測距離約為360mm,像元分辨率約0.61mm,經計算,分離間隙10mm占16pixel;監視相機A還可觀測巡視器-X'面的分離插頭和臍帶電纜的連接狀態,地面監視人員根據連接狀態判斷分離插頭是否分離和臍帶電纜是否脫落。
(2)巡視器運行到轉移機構上的過程
巡視器運行到轉移機構上的過程,由監視相機B進行監視。在此過程中,巡視器本體逐漸進入監視相機B的視場。在巡視器運行到轉移機構上后,監視相 機B可觀測巡視器+Y'側后輪相對+Y'側轉移機構短梯斜邊的位置狀態,地面監視人員根據監視相機B所監視的位置狀態判斷巡視器是否完全運行到轉移機構上。同時,監視相機B還可觀測巡視器+Y'面和-X'面的車體。
(3)巡視器從轉移機構轉移至月面的過程
巡視器從轉移機構轉移至月面的過程,由監視相機C進行監視。當巡視器接近月面時,監視相機C可觀測巡視器轉移機構與月面的接觸區域,地面監視人員根據監視相機C所監視的狀態判斷巡視器是否安全移動到月面上。同時,監視相機C還可觀測巡視器-X'面的主體。
(4)巡視器月面移動狀態和月面地貌狀態
巡視器在著陸器+Z方向近距離的月面移動狀態,以及著陸器+Z方向的月面地貌狀態,由監視相機C進行觀測。當巡視器在著陸器+Z方向近距離時,監視相機C可清晰觀測巡視器月表活動狀態。巡視器展開包絡尺寸為2.41m(W)×1.66m(H)。巡視器器表國旗尺寸為192mm(W)×128mm(H),則國旗中小五角星的外接圓直徑為12.8mm,大五角星外接圓直徑為38.4mm。
監視相機C的視場角:60°×60°;像元分辨率:1024pixel×1024pixel。巡視器展開包絡尺寸為2.41m(W)×1.66m(H)。根據以上參數及表3給出的監視相機分辨能力,可以計算得到表4。
表4不同距離下監視相機C的分辨率

(a)在距離3m時,監視相機C的視場大小約為4.45m×4.45m,像元分辨率為3.06mm,此時:巡視器整體占約653pixel×392pixel(約2m×1.2m,展開包絡),輪廓清晰。能看到各主要部件,如車輪、桅桿,能夠清晰的分辨各部分的細節狀態。國旗在圖像中占62pixel×41pixel,輪廓可見。小五角星的直徑在圖像中占4pixel×4pixel,監視相機C能夠看到國旗上的小五角星。
(b)在距離5m時,監視相機C的視場大小約為5.75m×5.75m,像元分辨率為5.1mm,此時:巡視器整體占約392pixel×235pixel,有清晰輪廓特性。能看到各主要部件,能夠較清晰的分辨各部分的細節狀態。國旗在圖像中占37pixel×25pixel,輪廓可見。小五角星的直徑在圖像中占2pixel×2pixel。
(c)在距離10m時,監視相機C的視場大小約為11.5m×11.5m,像元分辨率為10.2mm,此時:巡視器整體占約196pixel×118pixel,有清晰輪廓特性。能看到各主要部件,能夠較清晰的分辨各部分的細節狀態。國旗在圖像中占18pixel×12pixel,輪廓可見。
巡視器在著陸器近距離月面移動時,監視相機C對巡視器整體和主要部件可以實現清晰觀測,也能夠清晰分辨巡視器上國旗的輪廓,但由于視場角較大,不能清晰觀測國旗中的小五角星。
(5)監視相機的視頻連貫性狀態
監視相機主要目的為對兩器分離解鎖到巡視器轉移至月面過程中的關鍵點和關鍵環節靜態結果進行判別,且對兩器釋放分離過程和巡視器月面移動狀態進行動態攝像,并實現準實時傳輸。經分析,監視相機視頻圖像動畫的連貫性主要取決于相鄰兩幅圖像場景的重疊率。場景重疊率越高,動畫就越連貫。巡視器在轉移過程中的運行速度較慢,走走停停,并通過AUTODESK公司的 3DSmax9.0軟件仿真監視相機成像效果,最終定監視相機在動態攝像時的幀頻為1~5fps可調,能夠滿足監視需求。
監視相機A/B/C相互配合,實現兩器釋放分離過程的監視,實現巡視器月面移動狀態和月面地貌觀測,且監視相機動態攝像幀頻設為1fps時,數據率為1.05Mbps,著陸器著陸后通過定向天線下行數傳碼速率為1Mbps,可準實時對監視相機數據進行下傳。
綜上所述,以上僅為本發明的較佳實施例而已,并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。

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