[发明专利]基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统

说明书

本发明公开了一种基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统，包括同步定位与建图部分、目标位姿估计部分、航天器自主导航规划部分和地面仿真系统。本发明的有益效果为：在空间复杂场景下的目标逼近、服务阶段，采用激光雷达作为位姿获取的传感器，精度高、适用范围广，可以解决服务航天器和非合作目标的相对位置姿态测量问题。

技术领域

本发明涉及空间服务技术领域，尤其是一种基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统。

背景技术

随着人类探索、开发和利用外层空间的深入，对航天技术提出了更高的要求。太空成为战略竞争新的制高点，纷纷开展对各项空间服务技术的研究，如故障航天器的在轨捕获与维修、空间垃圾清理等方面的研究。然而，空间环境复杂多变，如目标非合作、目标航天器翻滚、无光照、存在障碍物(空间碎片)等。在这种复杂条件下，如何保证航天器相对于目标航天器进行自主导航已成为目前航天技术领域亟待解决的重要问题。

空间服务可以通过空间机器人或微小卫星靠近、操控目标航天器来实现，为未来空间维护、空间攻防等提供有效手段。根据待捕获的目标飞行器能否提供有效的合作信息，空间目标捕获技术分为合作目标捕获技术和非合作目标捕获技术这两类。非合作指的是目标航天器没有合作的轨道和姿态控制、或者没有专门的用于对接的接口、或是没有基于视觉导航的识别标志等。目前的航天技术发展情况下，空间合作目标已相对成熟，并已成功应用于一些航天器的空间服务项目；而空间非合作目标的服务技术还不是很成熟，现在还没有国家能够实现空间非合作目标服务的在轨演示验证。

空间非合作目标服务技术的难点在于：如何对目标运动情况和空间机构未知的非合作目标进行准确的位置姿态参数获取以及超近距离的操控技术。目前，国内外已有学者对空间非合作目标的自主识别与位姿测量问题进行了相关研究，但是问题还未能得到很好的解决。目前相对位姿获取方法主要有：卫星导航定位、单目视觉、立体视觉、激光雷达等。比较几种方法：传统的卫星导航定位有时延、操作不够灵活；基于光学成像测量方法，受光照条件的影响大、测量范围有限；激光雷达测量精度高、应用范围广,自带光源，受光照影响小，信息丰富。

航天器在轨期间，面临的空间环境非常复杂，如不同于地面散射的光照条件、失效目标周围空间碎片的干扰等。本发明针对如下场景：相比目标飞行器尺寸，进行空间操作的微小卫星或空间机器人尺寸较小，其所处的环境有可能是在目标飞行器的包络以内。因此在对空间环境未知的场景下，航天器如何对环境进行感知，规避危险，然后识别出服务目标特征，并进行准确相对自主导航是需要解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统，能够解决空间复杂条件下服务航天器和非合作目标的相对位置姿态测量问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统，包括：同步定位与建图部分、目标位姿估计部分、航天器自主导航规划部分和地面仿真系统；同步定位与建图部分包括激光雷达和惯性测量单位，激光雷达采集空间环境的点云数据，惯性测量单位采集航天器自身的运动数据，融合传感器数据，对航天器进行定位，并构建全局地图；目标位姿估计部分对激光雷达获取的点云进行特征点提取、目标识别、位姿估计，并对目标未来时刻的状态进行预测；航天器自主导航规划部分构建航天器在空间环境中进行相对自主导航的坐标系，结合对目标的位姿估计和预测的姿态信息，针对目标任务问题进行数学描述，规划航天器移动到目标的最优路径并在自主移动过程中实时避障，最后超近距离控制目标；地面仿真系统搭建多自由度的气浮台模拟服务航天器，并模拟目标的运动，验证自主导航路径规划的算法。

优选的，选用三维激光雷达Velodyne-16采集空间环境的信息，惯性测量单元STIM300采集航天器自身的运动信息。