一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统

技术领域

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统。

背景技术

目前，空间单体平台受承载能力和运载限制，难以满足空间任务的应用需求，建立大型可在轨组装航天器结构机构共性技术，实现航天器结构模块化、功能化，结构模块的在轨灵活组装与重构是未来空间技术的重要发展方向。

以在轨多体组合模块的“群蜂”式微纳卫星、大型空间可扩展机构、在轨服务平台等为代表的新型在轨可组装可重构航天器平台在面向空间多目标快速响应的空间攻防、在轨服务任务中有着不可替代的作用。由于具有多系统、多模块、多传感器协同工作的特点，身份识别、位姿精确测量与调整等问题是在轨可组装可重构航天器平台系统建设及应用的关键，因此，在轨多体组合模块身份识别与精准定位技术是关键核心技术。当前，常规的技术手段主要有雷达测量及视觉测量方法。雷达测量及视觉测量方法基本局限于一对一的对接分离工况的目标体位姿测量，对于“一母体+多子体”、“多母体+多子体”等多目标体在轨捕获、对接、组装等过程中的目标体身份识别、位姿测量和定位等应用存在很大局限性。常规激光测距及图像识别方法在近距离多子体情况下存在体积及重量大、视线遮挡、身份识别困难等难点，常规激光测距及图像识别方法在空间攻防、在轨服务等任务中近距离星群定位、识别、矫姿等方面的应用存在瓶颈。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，能够有效实现空间在轨条件下多目标体之间身份识别，以及距离、位姿的测量。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，包括：射频测量模块、空间母平台、多个母平台接口、空间机械臂和机械臂末端抓取机构和多个目标体；

多个母平台接口分布在空间母平台的侧面；其中，母平台接口的数量不小于目标体的数量；

空间机械臂一端固定在空间母平台上，另一端与机械臂末端抓取机构连接；

射频测量模块，用于对多个目标体分别进行身份识别和位姿测量，根据各目标体的身份识别和位姿测量结果，控制空间机械臂和机械臂末端抓取机构动作，将各目标体分别抓取至对应的母平台接口处，实现各目标体与对应的母平台接口的对接，完成空间多目标体射频身份识别及位姿的在轨装配全过程测量。

在上述在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统中，各目标体上均设置有一目标体抓取接口和一目标体对接接口。

在上述在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统中，射频测量模块在根据各目标体的身份识别和位姿测量结果，控制空间机械臂和机械臂末端抓取机构动作，将各目标体分别抓取至对应的母平台接口处，实现各目标体与对应的母平台接口的对接时，包括：

根据各目标体的身份识别和位姿测量结果，确定当前待抓取的目标体身份及当前待抓取的目标体的位姿信息；

根据确定的当前待抓取的目标体的位姿信息，控制空间机械臂和机械臂末端抓取机构动作，通过当前待抓取的目标体上的目标体抓取接口，抓取得到所述当前待抓取的目标体；

在所述当前待抓取的目标体被抓取之后，根据当前待抓取的目标体的动态位姿信息，引导空间机械臂和机械臂末端抓取机构运动，将当前待抓取的目标体抓取至空间母平台的侧面，将当前待抓取的目标体上预设的目标体对接接口与空间母平台侧面上相应的母平台接口对接，完成空间多目标体射频身份识别及位姿的在轨装配全过程测量。

在上述在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统中，射频测量模块，包括：射频标签和传感器天线；

任意一个目标体上均设置有至少三个射频标签和至少三个传感器天线；

至少三个射频标签在目标体上不共线设置；

一个射频标签通过相对应的一个传感器天线进行信号收发。

在上述在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统中，设置在同一目标体上的至少三个射频标签用于唯一指示一个目标体。

在上述在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统中，射频测量模块，还包括：信号采集器、至少三个采集器天线、信号处理与控制系统和信号传输线路；

至少三个采集器天线不共线安装在空间母平台的三个侧面并外延；

信号采集器安装在空间母平台内部或侧面，通过信号传输线路与信号处理与控制系统连接。

在上述在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统中，

信号处理与控制系统控制所述至少三个采集器天线向四周发射信号波；

各射频标签分别通过相对应的传感器天线接收信号波，并生成响应信号；

各传感器天线将相应的射频标签生成的响应信号向四周发射；

采集器天线接收到响应信号后，将响应信号发送至信号采集器；

信号采集器将响应信号转换成数字信号后，反馈至信号处理与控制系统；

信号处理与控制系统根据发射的信号波和反馈的数字信号，进行对比解析，确定当前待抓取的目标体及当前待抓取的目标体的位姿信息。

在上述在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统中，采集器天线为双频天线；其中，双频天线为具有双频率特性的单个天线，或具有单频率特性的两个独立天线模块。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，具有多目标体同步、非接触式、通用、目标体无线无源等优点，可解决大型化、可扩展、可重构航天器在轨捕获、对接、组装等过程中的多目标体身份识别、位姿测量难以实现的问题，能够对目标体在轨环境下实现高精度多目标同步测量。

(2)本发明公开了一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，采用基于多天线和多标签结合的多目标体测量方式，实现了多目标体测量策略问题，有效解决了多目标体同时识别与测量的难题，并可以不受光照影响。

(3)本发明公开了一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，采用植入式无线无源标签目标体测量模式，基于微小型植入式标签设计及无线无源标签，实现了射频标签不显著增加目标体重量，不影响目标体外轮廓，同步可不消耗被测目标体极其有限的能源，实现了在目标体端无线无源化，有效解决了多目标体测量时大量分布式能源供应的难题，最大限度实现了对目标体的影响，构建了一种全新的在轨多目标体射频身份识别与位姿测量模式。

附图说明

图1是本发明实施例中一种在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本发明旨在针对传统测量方法在面向在轨多目标体射频身份识别与位姿测量方面存在的一些不足，提供一种基于射频技术的高精度、通用的在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，主要解决大型化、可扩展、可重构航天器在轨捕获、对接、组装等过程中的多目标体身份识别、位姿测量难以实现的问题。

如图1，在本实施例中，该在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，包括：射频测量模块、空间母平台1、多个母平台接口6、空间机械臂21和机械臂末端抓取机构22和多个目标体。其中，多个母平台接口6分布在空间母平台1的侧面；空间机械臂21一端固定在空间母平台1上，另一端与机械臂末端抓取机构22连接；射频测量模块，用于对多个目标体分别进行身份识别和位姿测量，根据各目标体的身份识别和位姿测量结果，控制空间机械臂21和机械臂末端抓取机构22动作，将各目标体分别抓取至对应的母平台接口6处，实现各目标体与对应的母平台接口6的对接，完成空间多目标体射频身份识别及位姿的在轨装配全过程测量。

优选的，如图1，在本实施例中，目标体的数量可以为四个，分别为：目标体a9、目标体b18、目标体c19和目标体d20。母平台接口6的数量则不小于目标体的数量。

在本实施例中，各目标体上均设置有一目标体抓取接口16和一目标体对接接口17。则，射频测量模块在根据各目标体的身份识别和位姿测量结果，控制空间机械臂21和机械臂末端抓取机构22动作，将各目标体分别抓取至对应的母平台接口6处，实现各目标体与对应的母平台接口6的对接时，具体可以包括：根据各目标体的身份识别和位姿测量结果，确定当前待抓取的目标体及当前待抓取的目标体的位姿信息；根据确定的当前待抓取的目标体的位姿信息，控制空间机械臂21和机械臂末端抓取机构22动作，通过当前待抓取的目标体上的目标体抓取接口16，抓取得到所述当前待抓取的目标体；在所述当前待抓取的目标体被抓取之后，根据当前待抓取的目标体的动态位姿信息，引导空间机械臂21和机械臂末端抓取机构22运动，将当前待抓取的目标体抓取至空间母平台1的侧面，将当前待抓取的目标体上预设的目标体对接接口17与空间母平台1侧面上相应的母平台接口6对接，完成空间多目标体射频身份识别及位姿的在轨装配全过程测量。

在本实施例中，射频测量模块，具体可以包括：射频标签和传感器天线。其中，任意一个目标体上均设置有至少三个射频标签和至少三个传感器天线；至少三个射频标签在目标体上不共线设置；一个射频标签通过相对应的一个传感器天线进行信号收发。其中，由于一个目标体上设置有至少三个射频标签，故，设置在同一目标体上的至少三个射频标签用于唯一指示一个相同的目标体。

以目标体a9为例，结合图1可知，目标体a9上设置有传感器天线a10、射频标签a11、传感器天线b12、射频标签b13、传感器天线c14和射频标签c15。其中，射频标签a11、射频标签b13和射频标签c15在目标体a9的表面上不共线设置；射频标签a11通过传感器天线a10进行信号收发，射频标签b13通过传感器天线b12进行信号收发，射频标签c15通过传感器天线c14进行号收发；射频标签a11、射频标签b13和射频标签c15均可用于唯一指示所述目标体a9。

在本实施例中，射频测量模块，还可以包括：信号采集器2、至少三个采集器天线、信号处理与控制系统7和信号传输线路8。其中，至少三个采集器天线不共线安装在空间母平台1的三个侧面并外延；信号采集器2安装在空间母平台1侧面，通过信号传输线路8与信号处理与控制系统7连接。

由此可见，在本实施例中，射频测量模块的工作原理如下：信号处理与控制系统7控制所述至少三个采集器天线向四周发射信号波；各射频标签分别通过相对应的传感器天线接收信号波，并生成响应信号；各传感器天线将相应的射频标签生成的响应信号向四周发射；采集器天线接收到响应信号后，将响应信号发送至信号采集器2；信号采集器2将响应信号转换成数字信号后，反馈至信号处理与控制系统7；信号处理与控制系统7根据发射的信号波和反馈的数字信号，进行对比解析，确定当前待抓取的目标体身份及当前待抓取的目标体的位姿信息。

以三个采集器天线(采集器天线a3、采集器天线b4和采集器天线c5)为例，结合目标体a9上设置的传感器天线a10、射频标签a11、传感器天线b12、射频标签b13、传感器天线c14和射频标签c15，则有：信号处理与控制系统7控制采集器天线a3、采集器天线b4和采集器天线c5向四周发射信号波；各射频标签a11、射频标签b13和射频标签c15分别通过传感器天线a10、传感器天线b12和传感器天线c14接收信号波，并生成响应信号；传感器天线a10、传感器天线b12和传感器天线c14将射频标签a11、射频标签b13和射频标签c15各自生成的响应信号向四周发射；采集器天线a3、采集器天线b4和采集器天线c5接收所述响应信号，将所述响应信号波发送至信号采集器2；信号采集器2将响应信号波转换成数字信号后，反馈至信号处理与控制系统7；信号处理与控制系统7根据发射的信号波和反馈的数字信号，进行对比解析，确定当前待抓取的目标体为目标体a9，并确定目标体a9的位姿信息。

其中，需要说明的是，采集器天线为双频天线。其中，双频天线为具有双频率特性的单个天线，或具有单频率特性的两个独立天线模块。

在上述实施例的基础上，下面结合该在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统的工作流程进行说明。

该在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统的工作流程如下：

步骤1：在每个目标体上安装不少于3个射频标签及传感器天线，且确保每个目标体至少存在3个以上射频标签不共线。

步骤2：在空间母平台上安装信号采集器、采集器天线、信号处理与控制系统，并完成系统连接与标定。其中，采集器天线不少于3个，且不共线。

步骤3：待进入在轨状态后，分别对射频测量模块、空间母平台开机，并进行系统调试。

步骤4：信号波发射。信号处理与控制系统通过信号传输线路控制采集器天线向四周连续发射信号波。

步骤5：目标体信号接收与反射。射频标签通过传感器天线接收并生成响应信号，响应信号通过传感器天线向四周发射。

步骤6：响应信号返回与数字化转换。采集器天线接收响应信号并经信号采集器将模拟信号数字化后，返回至信号处理与控制系统。

步骤7：身份识别与测距信号分析。通过信号波与数字化后的响应信号分析及相位对比，实现目标体的射频标签身份识别及距离测量。

步骤8：位姿解算。重复步骤1～步骤5，对单个目标体三个以上不共线的射频标签进行距离测量，通过位姿关系几何换算，可以得到被测目标体三维位姿。

步骤9：多目标体身份识别与位姿测量。重复步骤4～步骤8，同时对多个目标体进行识别与测量，可以实现在轨多目标体身份识别与位姿测量。

步骤10：目标体抓取。空间母平台根据空间多目标体身份识别与位姿测量结果，同步控制空间机械臂及机械臂末端抓取机构配合，通过目标体上预设的抓取接口准确抓取目标体。

步骤11：通过空间机械臂运动并配合射频测量模块的动态测量数据引导，实现单个目标体对接接口与母平台接口对接。

步骤12：重复步骤4～步骤11，最终实现空间多目标体射频身份识别及位姿的在轨装配全过程测量。

综上所，本发明所述的在轨多目标体射频身份识别与位姿测量系统，适用于空间在轨条件下多目标体身份识别与位姿测量，也适用于地面条件下不同目标体之间的身份识别，以及不同目标体之间的距离、位姿测量。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。