基于深度信息的失效卫星相对导航技术研究

摘要

为了减少卫星故障造成的经济损失，降低因“太空垃圾”发生空间轨道事故的概率，以卫星维护维修、垃圾清除技术为核心的在轨服务技术已成为了未来发展趋势之一。失效卫星的位姿测量是在轨服务的前提，由于失效卫星无法主动获取自身的位姿信息，因此需要服务星实时有效地对其进行位置姿态的确定。本文研究了一种基于深度信息进行失效卫星相对导航的方法，通过本文的研究以期突破失效卫星相对导航中的相关技术，为未来我国开展在轨服务操作任务提供必要的理论和技术储备。 首先建立了便于进行失效卫星服务星相对位姿建模的坐标系，并给出了坐标系之间的转换关系；然后对深度相机的成像过程进行了建模，介绍了深度相机的测量原理，对透镜引起的径向和切向畸变进行了分析；最后介绍了基于平面2D靶标的深度相机标定方法。 失效卫星不能主动提供自身的位姿信息，在分析了失效卫星表面几何特征的基础上，本文选取矩形面作为特征识别对象。在利用点云处理算法提取出矩形特征平面后，研究了一种利用几何转动惯量来识别矩形特征平面的方法。首先对获取到的点云数据进行滤波处理，旨在剪除背景点云和消除传感器产生的噪声点云，并一步压缩点云数据；然后对点云特征平面提取的三种算法原理进行了分析，主要包括LMedS、RANSAC、MLESAC算法，并通过仿真实验对三种算法进行了比较；最后推导了基于几何转动惯量识别点云矩形特征平面的公式，并进行了仿真实验，仿真实验结果验证了所推导公式的正确性，几何转动惯量可以作为识别矩形面的依据。 本文提出了一种利用失效卫星的矩形特征平面进行相对位姿估计的方法，该方法无需获取失效卫表面完整的点云数据，而是直接以卫星上的矩形面作为识别对象，在此基础上，估计出失效卫星的位置和姿态。首先通过点云矩形特征平面解算出失效卫星与服务星之间的相对位置和姿态，并解决了因矩形面对称而造成的多解问题；然后推导了相对位姿动力学模型，在此基础上设计了相对位置参数滤波器和失效卫星姿态滤波器，最后进行了仿真实验。 为了验证所提方法的有效性，搭建了基于深度信息的失效卫星相对导航半物理仿真实验平台，并根据实验平台的工作原理设计了相对位置和相对姿态滤波器，同时进行了验证。

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