新一代空间交会对接光学成像敏感器*

刘启海，龚德铸，华宝成，钟 俊，郑 岩，赵春晖

0 引 言

2016年9月开始，中国陆续发射了天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船，主要目的是更好地掌握空间交会对接技术并验证系列空间新技术，为中国空间站的建设奠定良好基础.迄今为止，载人飞船、货运飞船已先后多次完成与天宫二号的交会对接.CRDS(camera-type rendezvous & docking sensor)作为瞄准整个载人三期和探月三期自动交会对接任务而研制的新一代空间交会对接光学成像敏感器，在上述任务中发挥了重要作用，工作表现达到预期目标.

在神舟八号、九号和十号载人飞船与天宫一号的交会对接任务中，采用的交会对接光学成像敏感器为CCD光学成像敏感器，在轨表现良好.CRDS继承于CCD光学成像敏感器，且空间杂光抑制能力和目标捕获速度大幅提升，以便适应未来空间站常态化交会对接任务中更宽松的交会对接窗口.敏感器由4台相机和3组目标标志器组成，可在准全天候工况下提供250 m内的位置和姿态6自由度高精度导航数据，为GNC系统的精确控制提供数据支撑.

1 测量原理

CRDS在控制系统同步信号驱动下，由相机控制双波长激光光源对目标标志器进行照明，带有单波长滤光片的合作目标标志器将入射光按原路返回，进入相机视场分别形成目标图像和背景图像，相机对图像进行差分处理后，准确提取出合作目标标志器图像信息，根据已知的合作目标几何构型，采用单目算法解算出相对位置和姿态角信息[1-3].

在目标飞行器上固定安装3个以上的特征光点(T1,T2,T3，…)目标标志器，其在目标标志器坐标系中的位置坐标已知.在追踪飞行器上固定安装相机，其将目标标志器各光点成像于成像器件(t1,t2,t3，…)上，进行图象处理完成光点提取和识别，给出光点在像面坐标系中的坐标值，进而可通过位置姿态算法解算出目标标志器坐标系OtXtYtZt与相机坐标系OcXcYcZc间的相对位置和相对姿态.由于目标标志器坐标系与目标飞行器对接面坐标系、相机坐标系与追踪飞行器对接面坐标系之间的位置和姿态已知，进而可获得目标飞行器对接面坐标系与追踪飞行器对接面坐标系之间的相对位置和相对姿态.算法原理如图1所示.

图1 测量原理示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring principle

2 系统组成和方案

2.1 产品配置

CRDS测量距离从0.9～250 m，距离范围较宽，特别是最近测量距离只有0.9 m，采用单台相机对单组合作目标的测量配置难以满足视场范围、测量精度等指标.为此，将整个测量范围细分为3个子区域，分别称为超近场、近场和远场测量区域，超近场与近场、近场与远场间存在重叠区，以保证不同测量子区域切换时可靠性.

3个区域对应3组目标和两组相机，分别为超近场目标、近场目标、远场目标；近场相机以及远场相机.其中近场相机完成超近场和近场区域测量，远场相机完成远场区域测量.此外，为保证在轨交会对接的成功，近场相机和远场相机各配置一台互为热备份的相机.

2.2 相机组成

相机基于模块化、一体化设计思想，既实现小型化，也便于装配和拆卸.其主要组件包括主体结构、光学镜头、二次电源、探头组件、数据处理组件(DPU)、激光器驱动组件(LDDU)、反射镜组件和激光匀化组件等，如图2所示.

图2 相机结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of camera

2.3 目标标志器组成

目标标志器包括远场、近场和超近场目标标志器，其中近场和超近场目标各有6个反射标志器，通过共用支架形成组件后安装到目标飞行器；远场目标标志器也包含6个反射标志器，按照一定几何位置关系直接安装到目标飞行器上，如图3所示.

图3 目标标志器实物图Fig.3 Photos of targets

2.4 太阳杂光抑制能力提升

采取了以下措施：

1)采用双光谱调制激光光照明和差分机制，从原理上克服杂光干扰的技术瓶颈.当前国内外主流交会对接光学成像敏感器基于两种测量体制，一种是目标标志器一侧LED主动发光；另一种是由相机一侧主动照明.目标标志器主动发光测量体制的优点是LED面光源发光，误差环节少，测量精度高，缺点是很难从物理上将合作目标与背景区域分开，需要对目标周围表面进行黑色包覆处理或选择对接时机降低杂光对测量的影响；相机主动照明测量体制中，相机自主控制双波长光源交替照明目标，相机对两幅图像差分后再进行数据处理，能从根本上较好地解决目标表面反射太阳光造成的干扰，如图4所示.

图4 基于相机主动照明的差分测量体制效果图Fig.4 Diagram of differential effect based on camera active illumination

2)优选抗溢出能力强的APS成像器件，替代原CCD光学成像敏感器中的CCD器件，大幅提高敏感器对强光的适应能力.CCD器件在强光条件下，会出现亮条“拖尾”溢出现象，给目标的识别带来困难，如图5(a)所示，而对于APS器件而言，即使在太阳光直射的情况下，也不会出现溢出效应，如图5(b)所示.因此，APS成像器件比较适于在光照条件变化范围较大的空间交会对接场合使用.

图5 太阳强光条件下CCD和APS的成像效果Fig.5 Imaging of CCD and APS under sunlight

3)是在照明光束谱段的选择上尽量避开太阳光谱辐射较强的波段.表1为650～900 nm谱段波长范围太阳高度为90°时太阳辐射的辐照度值.

表1 太阳辐射的光谱辐照度值Tab.1 Spectral irradiance values of solar

2.5 目标快速捕获和跟踪能力提升

采取了以下措施：

1)优化数据处理平台解决差分速度问题.采用FPGA+DSP并行处理平台，实现图像采集、预处理、目标识别和位姿解算并行处理，大幅提高全图处理速度，实现目标快速捕获.

2)设计合理的工作模式及能量切换策略，包括有先验数据捕获和无先验数据捕获、跟踪测量.在有先验数据捕获模式下，根据先验数据快速切换到合理的能量策略(曝光时间、光功率)；在无先验数据捕获模式下，设计3档能量策略快速切换；在跟踪测量模式下，按照预先设计的能量策略曲线工作.

图6 FPGA+DSP图像并行处理示意图Fig.6 Schematic diagram of image parallel processing by FPGA and DSP

3)优选具有全局曝光模式和多路LVDS输出的APS成像器件，节约图像曝光和输出时间.同时，成像器件还支持最大多个硬件行窗口输出模式，在跟踪测量模式下，可以设置为硬件条带窗口输出，只输出包含有用目标的条带区域图像.

4)在跟踪测量后对单个目标限制较小的软件窗口搜索范围，减少图像的软件处理时间.

2.6 激光雷达合作目标干扰抑制算法

载人三期中，激光雷达用于20 km以内的交会测量，其合作目标安装于天宫二号或未来的空间站上，激光雷达合作目标为多组角反射器构成[4]，安装位置与CRDS合作目标极为接近，且其反射器未配置单通滤光片，其在相机中成像与CRDS自身目标标志器极为相似.图7为激光雷达目标与CRDS目标标志器同时成像的效果图.

在两飞行器相对静止条件下，图像差分后仅剩余CRDS的有效目标，雷达目标差分后基本“消除”；但在动态运动条件下，因目标图像与背景图像存在拍摄时间差，目标图像上雷达图像与背景图像上的雷达图像坐标不一致，造成差分图像上有较多残存的雷达光点，速度越大，雷达目标成像光点直径就越接近于CRDS目标，由于雷达合作目标光点的个数较多，极有可能从多个雷达目标光点中搜索到与CRDS近场/超近场相似的构型，导致误识别.

因激光雷达合作目标为天宫一号目标飞行器沿用的成熟产品，需CRDS采取特殊算法对其进行抑制，采取如下措施：

1)根据雷达目标与CRDS目标布局位置关系固定的特点，通过调整搜索顺序，让真实光点首先进入待匹配光点序列，根据不同相机安装布局，在应用软件中调整搜索方向.

2)根据雷达目标在远距离成像集中的特点，在光点搜索前先让每个光点均膨胀一定像素，使雷达光点融合为一个大点，再通过光点大小进行剔除，实现远距离工况下抑制雷达目标干扰.图8(b)为 14 m 距离时，对搜索到的备选光点进行一定像素的边界膨胀的效果图，方框为相机匹配结果，可看出，激光雷达目标均被抑制未进入匹配后的光点序列.

3)增加光点排序模块，在动态速度较小时，大

部分干扰光点直径小于CRDS合作目标光点，可优先捕获到CRDS合作目标光点.

图7 CRDS光源照射时的雷达干扰图像Fig78 Pictures simultaneous imaged both lidar targets and CRDS targets

3 地面主要验证试验

3.1 精度验证

静态验证包括静态精度验证和动态精度验证.

(1)静态测例设置方法

近场相机分别设计了测量近场目标和超近场目标的测试用例；远场相机设计了测量远场目标的测试用例.静态测试时，首先在CRDS的测量距离范围内均匀一定间隔选取测试距离；在同一距离处，通过相机视场的变化、相机与合作目标间的位姿变化设置多个测例进行测试.

(2)动态测例设置方法

按照指标要求的测量范围和动态速度，并结合地面运动模拟系统的实际测试能力设置产品的动态测例曲线[6]，其中近场相机动态测试曲线如图8所示.

图8 近场相机动态测试输入曲线Fig.8 Dynamic measured curve of near field camera

(3)地面精度验证结果

限于篇幅，仅给出时神舟十一号CRDS主份近场相机环境试验前后对近场目标标志器的精度验证曲线，如图9所示.图中横轴为测例编号，纵轴为测量误差.可以看出，相机测量精度较高且环境试验前后数据一致性较好.

图9 近场相机测量近场目标，环境试验前后精度验证曲线Fig.9 Accuracy test curve of near field before and after environmental tests

3.2 太阳干扰照射试验

CRDS是否能够在杂光干扰极端工况下正常工作将直接关系到交会对接任务的成败.在方案设计上，提出的基于相机主动发光的测量体制从原理上由于引入差分机制，理论上改进了产品的抗阳光干扰能力，但仍需在充分考虑太空实际杂光环境特性的基础上，设计测试用例，有效地考核验证CRDS杂光抑制能力.太阳照射试验采用室内试验和室外试验相结合的方式进行.照射方式包括太阳照射目标标志器和太阳照射相机两种，前者主要验证在太阳照射下有效目标是否被周围环境反光成像后融合或干扰，造成目标光点提取或误匹配干扰目标；后者主要验证相机在太阳入射角接近其设计的抑制角时，由于图像背景提升，是否影响相机的正常测量.室内杂光试验采取“轻质舱+太阳模拟器”的方式进行[5].室外杂光试验选择在阳光充足天气进行，太阳常数一般大于0.6.

3.3 力热等空间环境模拟试验

CRDS在地面通过了鉴定级力学、热真空、热循环、EMC等环境试验，试验过程中产品工作正常，试验前后产品性能指标均能保持较好的一致性.

4 在轨工作情况

迄今为止，CRDS在轨成功完成了两次对接和一次撤离任务，分别如下：

2016年10月，神舟十一号载人飞船与天宫二号交会对接任务中，在阴影区完成首次飞行验证；

2016年11月，神舟十一号与天宫二号撤离期间，完成阳照区的飞行验证；

2017年04月，在天舟一号货运飞船与天宫二号交会对接任务中，再次完成阳照区飞行验证.

图10为神舟十一号撤离期间(阳照区)近场主相机25 m内的测量误差曲线.根据在轨数据分析，CRDS表现与设计吻合，精度满足指标，并能够适应太阳强光干扰环境.

5 结 论

新一代空间交会对接光学成像敏感器(CRDS)是中国载人三期和探月三期交会对接任务中的关键产品.通过配置远场、近场和超近场3组目标并优化相机照明方案，将测量距离从上一代产品的2～150 m 范围拓展到了0.9～250 m范围；将目标主动发光测量体制更改为相机主动发光并差分的测量体制，提高了太阳杂光抑制能力，使产品具备了准全天候的工作能力；从算法上有效抑制了已有激光雷达合作目标对相机测量的干扰；通过优化数据处理平台、采用窗口搜索等手段提升了目标捕获的速度.产品已在中国神舟飞船、货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证，工作表现良好.后续，将根据在轨飞行数据分析结果，优化产品设计，以更好地适应嫦娥五号、空间站、光学舱等型号的交会对接任务要求.

图10 神舟十一号CRDS在轨测量精度Fig.10 Orbit accuracy estimation of CRDS for Shenzhou-11 task

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ZHAO C H,GAO W W,LIU L,et al.Analysis on influence of space stray light on vision sensor for autonomous rendezvous and docking[J].Aerospace Contrd and Application，2012，38(3):1-4.

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