基于立体视觉的非合作航天器近距离相对导航

摘要

随着空间技术的飞速发展，非合作航天器的空间临近操作已成为未来发展趋势之一。确定非合作航天器间的相对位姿，是实现非合作目标的交会与捕获等在轨服务操作的前提。由于非合作航天器不能实时有效地提供自身位姿信息，为高效地获得非合作航天器的相关参数，在追踪星上搭载具有非接触性、低能耗、高性价比等特性的立体视觉系统作为测量传感器对目标进行相对测量。本文对基于立体视觉系统的非合作航天器位姿确定算法进行了研究，以期找到更为实用、精度高、实时性好、可靠性强的导航方法，为非合作航天器在轨操作提供一定的参考。
　　为了保证非合作航天器近距离跟踪测量的实时性和准确性，首先对立体视觉系统的测量原理进行说明，然后对近距离在轨服务中追踪星与目标卫星之间的相对姿态与轨道特性进行分析，建立了便于进行相对姿态与相对位置建模的坐标系，推导了相对位姿动力学模型，并提出了可行性验证方案。
　　为确保追踪星安全可靠地逼近非合作航天器，需要精确地获取非合作航天器的相对位姿信息，因此本文根据相对位姿模型建立了系统方程，并基于立体视觉系统建立了观测方程，设计了EKF滤波器用于对非合作航天器进行位姿联合估计。由于采用EKF实现相对位置估计时，会因求解Jacobian矩阵而进行大量的求导运算，因此本文结合相对位置模型的线性特性，设计了线性状态观测器对相对位置进行估计，通过调整极点配置方案实现滤波快速收敛。此外，为提高定位导航的精度和可靠性，采用稳健M估计方法来减少测量过程中观测粗差的影响。
　　针对现有滤波方法用于非合作航天器的姿态估计时，存在对模型精确性要求高、计算量大的问题，本文提出了一种利用虚拟滑模控制思想实现对目标卫星姿态参数估计的方法。并针对滑模控制的不连续开关特性引起的抖振问题，引入了一个滑模边界层可调参数，通过在边界层内施加模糊逻辑控制平滑滑模引起的抖振。
　　为有效验证文中提出的用于相对姿态估计的EKF算法和虚拟滑模控制方法，本文搭建了基于立体视觉测量系统的相对导航半物理仿真实验平台，并进行了物理验证。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 非合作航天器在轨服务技术研究现状

1.3 非合作航天器相对位姿确定技术研究现状

1.4 本文的主要内容及章节安排

第二章 近距离在轨服务非合作航天器动力学建模与验证

2.1 引言

2.2 坐标系的定义及转换

2.3 双目立体视觉测量原理及深度恢复

2.4 非合作航天器近距离相对动力学建模与分析

2.5 相对运动模型可行性仿真验证

2.6 本章小结

第三章 运动模型/立体视觉组合的相对位姿估计方法研究

3.1 引言

3.2 立体视觉与运动模型信息融合的EKF滤波算法

3.3 基于状态观测器的相对位置估计算法

3.4 基于M-估计的滤波抗差算法研究

3.5 仿真分析

3.6 本章小结

第四章 基于虚拟滑模的非合作航天器姿态估计算法研究

4.1 引言

4.2 滑模变结构控制基本原理

4.3 用于相对姿态估计的虚拟滑模变结构控制器设计

4.4 虚拟滑模变结构控制器设计的防抖振处理

4.5 仿真验证与分析

4.6 本章小结

第五章 基于立体视觉系统的相对导航算法物理实验

5.1 引言

5.2 近距离相对导航半物理仿真实验系统设计

5.3立体视觉系统测量精度验证

5.4近距离相对导航滤波算法仿真验证

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及学术论文情况