交会对接仿真平台中基于iGPS与CCD的组合导航

摘要

本论文的主要研究工作是交会对接仿真平台的iGPS与CCD组合导航算法。论文首先分别论述了iGPS与CCD相机的测量方法，然后将两种测量手段进行组合，提出了iGPS与CCD组合导航算法。
　　首先，针对实际应用需求讨论了检测角点的算法。利用拉普拉斯高斯算法检测图像的边缘，在得到区域的边缘后利用Hough变换完成对角点检测。在得到目标航天器的特征角点之后，利用两阶段迭代算法求解目标航天器相对于追踪航天器的位置和姿态。两阶段迭代算法将物体位置和姿态的求解转化为受约束的非线性优化问题，其具体过程分为景深估计和位姿解算两个阶段，可以证明两阶段法是一种快速全局收敛的迭代算法。对两阶段迭代算法的仿真表明：算法收敛快，对目标航天器在摄像机坐标系中的景深以及目标航天器位姿的解算精度较高。
　　其次，对GPS测量系统进行了详细的研究。介绍了GPS测量系统在航天器交会对接中的应用。然后介绍了iGPS测量系统，iGPS测量系统与GPS测量系统的关系，iGPS的使用过程，以及影响iGPS测量系统精度的因素。接着详细论述了利用iGPS测量系统确定追踪航天器位置和姿态的具体过程。对奇异值分解法进行了仿真分析，得到利用其计算追踪航天器位置和姿态的精度。仿真结果表明奇异值分解法计算速度快，计算结果精度较高。
　　最后，针对追踪航天器的位姿解算问题，设计EKF对系统姿态进行估计，使用误差四元数作为系统状态量，对卫星的姿态运动学方程使用泰勒展开并忽略高阶项得到系统的线性化状态方程。以iGPS作为观测器，利用四元数合成法则推导得到系统线性化观测方程。之后就可以对系统的姿态偏差进行估计。设计UKF对系统状态进行估计，同样以误差四元数作为系统状态量，状态方程和观测方程的线性化与EKF相同。首先对系统进行Unscented变换，采用Chelosky方法对状态误差方差阵分解求得sigma点，将其代入系统方程进行状态预测，再结合系统观测方程进行更新计算，通过算术加权平均就可以得到姿态偏差的估计。之后对卡尔曼滤波算法进行仿真分析。然后，利用iGPS与CCD组合测量目标航天器的景深，利用组合导航算法计算出来的景深值参与到目标航天器位姿的计算，从而得到修正的两阶段算法。由于景深精度的计算比仅用CCD相机要高，因此利用组合导航算法可以提高交会对接的位姿计算精度。

目录

交会对接仿真平台中基于iGPS与CCD的组合导航

iGPS and CCD integrated navigation system based on rendezvous docking simulating platform

摘要

Abstract

目 录

绪论

课题背景及其理论与实际意义

课题背景

理论与实际意义

国内外相关领域的研究现状

国内外交会对接测量系统

GPS测量系统在交会对接技术中的应用

本文的主要研究内容

非合作单目视觉测量算法

特征点提取

LOG边缘检测算法

Hough变换

相对位姿解算两阶段法

单目视觉测量模型

坐标系定义

两阶段迭代算法

仿真分析

本章小结

GPS与iGPS测量系统的原理

GPS测量原理

GPS时间系统

载波相位测量原理

GPS相对载波差分技术

GPS测量误差及其修正方法

GPS在交会对接中的应用

iGPS测量系统的原理

iGPS测量系统与GPS的关系

iGPS测量系统的组成

iGPS测量系统的测量原理

iGPS测量系统的精度分析

iGPS测量系统的使用流程

本章小结

iGPS测量算法

奇异值分解法

坐标系与坐标变换

求解旋转矩阵与平移向量的奇异值分解法

仿真分析

卡尔曼滤波技术

卫星姿态描述

卡尔曼滤波技术

EKF估计器设计与仿真

UKF估计器设计与仿真

EKF与UKF仿真比较

奇异值分解法与滤波算法的精度比较

本章小结

iGPS与CCD的组合导航

利用iGPS与单个CCD相机确定目标卫星景深

仿真分析

iGPS与CCD组合导航算法设计

目标卫星绝对位姿计算

本章小结

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢