自律型軌道上サービスとは、宇宙知的サービス宇宙船によって「人工衛星、プラットフォーム、宇宙ステーションモジュール、宇宙機の寿命と能力を延ばす」という宇宙ミッションのことです。 軌道上での自律的なサービス技術の研究は、宇宙船の運用コストを削減し、宇宙産業の持続的な発展に貢献することができます。 非協力的なターゲット宇宙船の自律的な相対航法と位置決めは、自律的な軌道上サービスのためのキーテクノロジーとして、軌道上サービス技術の重要な発展方向の一つであり、その研究は重要な理論的価値と工学的意義を持つものである。
非協力的なターゲット宇宙船捕獲の模式図
現在、非協力的なターゲット定位センサーには、主に単眼カメラ、双眼カメラ、LIDARの3種類がある。 このうち、単眼カメラを用いた測位技術では、長方形、三角形、円など、対象宇宙機表面が持つ特定の構造の検出や、対象表面特徴間の幾何学的な把握が必要であることに着目した。 このうち、星矢のドッキングリングやエンジンノズルからは円形の情報、宇宙船のアンテナからは三角形の情報、ソーラーセイルや衛星本体からは四角形の情報を得ることができる。
北京航空航天大学の研究者らは、ターゲットの自律的な相対航法を実現するために、ターゲット構造の特徴に基づく位置特定方法を提案しました。
データ取得のために実験フィールド上空に設置されたNOKOVモーションキャプチャレンズ
このアルゴリズムを検証するために、研究者は地上での検証実験を行った。 実験では、ビジョンセンサーを搭載したロボットアームをサービス宇宙船として、宇宙船モデルを搭載した別のアームをターゲット宇宙船として、相対6自由度の動きを実現しました。 リアルタイムの位置情報は、NOKOVモーションキャプチャーシステムから提供されました。
モーションキャプチャシステム「NOKOV」によるリアルタイムターゲット姿勢捕捉
実験では、ターゲット宇宙船が回転並進運動を行い、サービス宇宙船がビジョンセンサーを通じて画像情報を取得し、姿勢推定アルゴリズムに従ってターゲットの姿勢を算出する。NOKOVモーションキャプチャシステムはサブミリメータレベルの高い測位精度を持つため、実験ではNOKOVモーションキャプチャシステムで取得した測位情報をターゲットの実際の姿勢として使用することができます。
位置解決エラーダイアグラム
姿态解算误差图
姿勢推定アルゴリズムで解いた姿勢と、NOKOVモーションキャプチャシステムから提供された実際の姿勢を比較し、アルゴリズムの妥当性と精度を確認する実験を完了した。 実験検証の結論として、位置誤差は10mm以下、姿勢誤差はともに2.5°以下となり、アルゴリズムの妥当性が確認され、期待通りの結果を得ることができました。
参考文献。C.Long and Q.Hu,"Monocular-Vision-Based Relative Pose Estimation of Noncooperative Spacecraft Using Multicircular Features,"in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2022,doi:10.1109/TMECH.2022.3181681.
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