本發(fā)明涉及一種月球軌道交會(huì)對(duì)接超近距離測(cè)量用合作目標(biāo)標(biāo)志器，應(yīng)用于空間交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量的超近距離合作目標(biāo)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

月球軌道交會(huì)對(duì)接是實(shí)施月球探測(cè)工程的關(guān)鍵技環(huán)節(jié)。月球探測(cè)器在月球表面完成月面行走巡視、月球探測(cè)、月壤取樣后，將從月球表面起飛，上升到環(huán)繞月球軌道，與駐留在該軌道上的月球返回飛行器交會(huì)對(duì)接，組合在一起，返回地球。在兩飛行器距離從150米到對(duì)接完成過程中，交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量系統(tǒng)是唯一能夠同時(shí)提供位置和姿態(tài)六自由度測(cè)量信息的設(shè)備，是交會(huì)對(duì)接的關(guān)鍵設(shè)備。

交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量系統(tǒng)由安裝在月球探測(cè)器上的視覺測(cè)量相機(jī)和安裝在月球返回飛行器上的合作目標(biāo)組成，通過視覺測(cè)量相機(jī)對(duì)合作目標(biāo)成像與圖像處理，可以獲得視覺測(cè)量相機(jī)相對(duì)于合作目標(biāo)的相對(duì)位置和相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)角和相對(duì)姿態(tài)角速度，從而為兩飛行器交會(huì)對(duì)接提供相對(duì)導(dǎo)航信息。

在月球探測(cè)器與月球返回飛行器交會(huì)對(duì)接過程中，隨著交會(huì)對(duì)接距離的接近，對(duì)視覺測(cè)量系統(tǒng)精度要求也越高，其中在1米到0.3米位置測(cè)量精度達(dá)到了毫米級(jí)，姿態(tài)測(cè)量精度達(dá)到角分級(jí)。測(cè)量精度合作目標(biāo)的性能直接相關(guān)。

為了實(shí)現(xiàn)超近距離高精度測(cè)量性能，提出了一種基于均勻后向反射標(biāo)志的合作目標(biāo)設(shè)計(jì)，具有反射光均勻性好、光能量穩(wěn)定性高、反射效率高、抗雜光干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它解決了常規(guī)的合作目標(biāo)在近距離時(shí)反射效率低、反光均勻性下降造成系統(tǒng)測(cè)量精度下降、測(cè)量可靠性降低的不足，適合用在交會(huì)對(duì)接近距離高精度測(cè)量場(chǎng)合。

文獻(xiàn)如下：

[1]張海峰，程志恩，李樸等，激光雷達(dá)合作目標(biāo)設(shè)計(jì)及其在空間交會(huì)對(duì)接中的應(yīng)用，紅外與激光工程，2015年第4卷第9期

[2]Chang,C.-C.；Su,M.-C.；Yang,Y.-C.；Tsai,J.-c.Design,Fabrication,and Characterization of Tunable Cat's Eye Retroreflector Arrays as Optical Identification Tags.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.32,NO.3,FEBRUARY 1,2014

文獻(xiàn)情況：

文獻(xiàn)[1]利用角反射器把入射光束按照入射方向原路反射回去的機(jī)理，通過多個(gè)角反射器以一定的幾何構(gòu)型組合在一起，為視覺測(cè)量系統(tǒng)提供合作目標(biāo)；該文中采用多個(gè)角反射器密接形成合作目標(biāo)，體積大，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)回光標(biāo)志組成的合作目標(biāo)，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)超近距離時(shí)對(duì)合作目標(biāo)提出的微小尺寸、高均勻性的需要；

文獻(xiàn)[2]提出了采用貓眼透鏡形成合作目標(biāo)，同樣存在超近距離時(shí)回光不均勻、體積大的問題，可以用于遠(yuǎn)距離時(shí)單個(gè)回光標(biāo)志組成的合作目標(biāo)的場(chǎng)合，但不能滿足超近距離時(shí)，多個(gè)回光標(biāo)志組成的微小尺寸合作目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種月球軌道交會(huì)對(duì)接高精度超近距離測(cè)量用合作目標(biāo)設(shè)計(jì)，有效解決了超近距離合作目標(biāo)回光均勻性、回光效率、微小型化以及視覺容錯(cuò)問題，解決了交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量系統(tǒng)在超近距離測(cè)量合作目標(biāo)回光均勻性差、回光效率低造成的測(cè)量精度低問題，以及超近距離要求微小型合作目標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種月球軌道交會(huì)對(duì)接超近距離測(cè)量用合作目標(biāo)標(biāo)志器，包括6個(gè)反光標(biāo)志、圓盤型支架；6個(gè)反光標(biāo)志均布在圓盤型支架上，各個(gè)反光標(biāo)志之間呈60°分布，其中一條軸線上的兩個(gè)反光標(biāo)志通過支撐柱凸出圓盤型支架放置。

所述的反光標(biāo)志包括玻璃微珠面板、窄帶濾光片、抗輻射玻璃、殼體；玻璃微珠面板、窄帶濾光片、抗輻射玻璃從左到右依次固定安裝于殼體中。

所述的玻璃微珠面板中的玻璃微珠的尺寸選取為10um-20um。

所述的窄帶濾光片通光譜段選取為840nm-860nm，截至深度為10^-4。

所述的抗輻射玻璃的材料選取為熔融石英。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

1)利用玻璃微珠面板、窄帶濾光片、抗輻射玻璃組合設(shè)計(jì)了回光反射標(biāo)志，設(shè)計(jì)具有視覺容錯(cuò)能力的合作目標(biāo)幾何拓樸構(gòu)型，同時(shí)充分考慮了深空輻射、太陽(yáng)干擾等多方面因素，有效解決了合作目標(biāo)微小型、大發(fā)散角、高均勻反光能力和高反射效率與可靠性等問題，為交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量系統(tǒng)在月球軌道復(fù)雜背景環(huán)境下的可靠工作提供了有力支撐。

2)本發(fā)明首次把玻璃微珠面板應(yīng)用到空間領(lǐng)域，并通過帶通濾光片進(jìn)行抗陽(yáng)光干擾設(shè)計(jì)，該合作目標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工生產(chǎn)，具有重量輕、反射率高、反光均勻穩(wěn)定、可靠性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，既可應(yīng)用于月球軌道交會(huì)對(duì)接任務(wù)，還可以應(yīng)用于空間站交會(huì)對(duì)接、空間站機(jī)械臂在軌操作等交會(huì)對(duì)接任務(wù)要求合作目標(biāo)長(zhǎng)期在軌工作的長(zhǎng)壽命場(chǎng)合，也可以應(yīng)用于飛行著陸助降等工業(yè)領(lǐng)域，具有通用性，有廣闊地的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1a為合作目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)正視圖；

圖1b為合作目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖2為回光反射標(biāo)志結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

交會(huì)對(duì)接測(cè)量相機(jī)利用照明光源對(duì)合作目標(biāo)照明，合作目標(biāo)把照明光束能量按原路反射回相機(jī)后成像、圖像處理完成相對(duì)位置姿態(tài)測(cè)量。傳統(tǒng)合作目標(biāo)基于角反射器或貓眼透鏡實(shí)現(xiàn)，對(duì)于超近距離測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合，存在兩個(gè)不足：一是其回光能量受到入射角度的影響較大，隨著入射角增大回光效率下降較快，而且不同角度回光均勻性較低；二是由于角反射器、貓眼透鏡工作原理限制，零件尺寸無(wú)法做得太小，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)超近距離用的微小型合作目標(biāo)。上述兩個(gè)不足直接影響到交會(huì)對(duì)接相機(jī)測(cè)量精度、可實(shí)現(xiàn)的最小測(cè)量距離，這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于月球軌道交會(huì)對(duì)接任務(wù)非常關(guān)鍵。

本發(fā)明針對(duì)月球軌道交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量系統(tǒng)研制過程中利用玻璃微珠面板、窄帶濾光片、抗輻射玻璃組合設(shè)計(jì)了回光反射標(biāo)志，設(shè)計(jì)具有視覺容錯(cuò)能力的合作目標(biāo)幾何拓樸構(gòu)型，同時(shí)充分考慮了深空輻射、太陽(yáng)干擾等多方面因素，有效解決了合作目標(biāo)微小型、大發(fā)散角、高均勻反光能力和高反射效率與可靠性等問題，為交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量系統(tǒng)在月球軌道復(fù)雜背景環(huán)境下的可靠工作提供了有力支撐。

本發(fā)明一種月球軌道交會(huì)對(duì)接超近距離測(cè)量用合作目標(biāo)標(biāo)志器，包括6個(gè)反光標(biāo)志1、圓盤型支架2；6個(gè)反光標(biāo)志1均布在圓盤型支架2上，各個(gè)反光標(biāo)志1之間呈60°分布，其中一條軸線上的兩個(gè)反光標(biāo)志1通過支撐柱凸出圓盤型支架2放置。所述的反光標(biāo)志1包括玻璃微珠面板3、窄帶濾光片4、抗輻射玻璃5、殼體6；玻璃微珠面板3、窄帶濾光片4、抗輻射玻璃5從左到右依次固定安裝于殼體6中。所述的玻璃微珠面板3中的玻璃微珠的尺寸選取為10um-20um。所述的窄帶濾光片4通光譜段選取為840nm-860nm，截至深度為10^-4。所述的抗輻射玻璃5的材料選取為熔融石英。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：

(1)該設(shè)計(jì)由6個(gè)微小型、輕量化回光反射標(biāo)志組成，通過專門設(shè)計(jì)的幾何拓樸構(gòu)型組合在一起，該幾何拓樸構(gòu)型既保有利于保證測(cè)量精度，又具備視覺容錯(cuò)能力，確保部分回光反射標(biāo)志因超出視場(chǎng)、被強(qiáng)太陽(yáng)光干擾、損壞等原因未被相機(jī)成像時(shí)，系統(tǒng)仍能夠完成測(cè)量任務(wù)；

(2)每個(gè)回光反射標(biāo)志通過彩圓形玻璃微珠面板、帶通濾光片、抗輻射保護(hù)玻璃、機(jī)械殼體等實(shí)現(xiàn)微小型、輕量化設(shè)計(jì)；

(3)玻璃微珠面板反光均勻、穩(wěn)定、反光區(qū)域邊緣清晰，且具有類朗伯體反射特性，便于相機(jī)成像后圖像處理，保證了測(cè)量時(shí)圖像質(zhì)心精度；

(4)考慮月球軌道強(qiáng)太陽(yáng)光干擾影響，通過專門的帶通濾光片設(shè)計(jì)，確保只反射感興趣譜段照明光，而對(duì)于通帶外的空間太陽(yáng)光截止不反射，有利于提高敏感器的抗陽(yáng)光干擾性能；

單個(gè)回光反射標(biāo)志重量不到20g，合作目標(biāo)總重量不超過160g，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

主要技術(shù)方案如下圖1、圖2所示，主體結(jié)構(gòu)利用玻璃微珠面板、窄帶濾光片、抗輻射玻璃組合設(shè)計(jì)了回光反射標(biāo)志，設(shè)計(jì)具有視覺容錯(cuò)能力的合作目標(biāo)幾何拓樸構(gòu)型。具體實(shí)施過程如下：

(1)根據(jù)交會(huì)對(duì)接視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍需求，按圖1所示幾何拓樸結(jié)構(gòu)配置合作目標(biāo)，共由6個(gè)回光反射標(biāo)志按一定的幾何構(gòu)型組合而成；

(2)每個(gè)回光反射標(biāo)志由玻璃微珠面板、窄帶濾光片、抗輻射玻璃、殼體結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示；

(3)考慮月球軌道強(qiáng)太陽(yáng)光干擾影響，采用專門的帶通濾光片，確保只反射感興趣譜段照明光束，而對(duì)于通帶外的空間太陽(yáng)光截止不反射，有利于提高敏感器的抗陽(yáng)光干擾性能。

本發(fā)明未公開技術(shù)屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。