编队飞行航天器相对状态的立体视觉测量研究

摘要

20世纪50年代以来，空间技术不断发展，航天器根据应用领域不同，发展形成了通信、气象、导航、资源环境、军事侦察、科学研究等系列，并向高性能、高集成方向发展。随着航天任务的开发速度、成本等要求的提高，编队飞行小型航天器的应用已成为各家航天机构的重点研究方向，对编队飞行航天系统相对状态的测量也成为需要重点攻克的课题。 随着技术的发展，相关科研机构已提出若干种测量方案，包括基于GPS的测量，微波雷达测量，激光雷达测量，单目可见光视觉测量，被动红外测量等多种方案。本文研究了基于立体视觉的航天器编队飞行相对状态观测方法，重点讨论了两种假设下(近距离合作目标和远距离非合作目标)的、代表性的航天器相对状态测量问题。 1．分析了航天器编队飞行的特点，重点分析了基于立体视觉的观测环境约束，其中包括编队飞行航天器之间的相互运动关系，给出了编队飞行航天器之间的相对运动方程；分析了空间光源的辐射特性，航天器表面的反射特性，航天器的光学成像特性，并对远距离观测时的被观测目标的光谱、亮度进行了估计； 2．根据航天器运行环境的约束，提出了基于模式点全局约束的相机标定方法，该方法基于传统的方法提取图像中的角点，以此为初值从图像中搜索棋盘格边缘，然后对边缘数据进行拟合，并将拟合得到的三次曲线的交点作为真实的角点，最后以这些角点为特征点进行相机标定。结果表明，加入几何约束后能大幅提高特征点提取的准确度，并显著提高相机标定的精度； 3．提出了基于立体视觉的航天器编队飞行相对状态测量方法；相对于现有的测量方案，立体视觉方案受外部约束较少，对星载设备的要求较低，同时，它能够提供观测对象观测点的三维信息，有利于提高相对状态测量的精度；为进一步提高测量系统的精度与鲁棒性，还构造了相应合作目标观测的扩展卡尔曼滤波器用于对编队飞行航天器相对状态进行估计； 4．分析了编队飞行航天器对远距离目标观测时的光学条件及其对光学系统设计的要求，提出了由编队飞行航天器构成长基线立体视觉系统的非合作航天器观测方案，提出了基于视觉的航天器姿态确定算法和基于虚拟图像的航天器姿态控制仿真方案；讨论了几种不同的航天器编队构型下的目标观测时间约束，并给出了相应目标探测、识别方法以及相应的测量系统的构造方案。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1航天器编队飞行

1.2编队飞行航天器相对状态测量

1.3航天器相对状态观测分类

1.4本文的研究动机与结构、内容安排

1.5本文创新点

第二章航天器编队飞行的力学约束

2.1引言

2.2坐标系

2.3航天器相对轨道方程

2.4航天器相对姿态方程

2.5航天器编队队形分析

第三章视觉传感器规划

3.1引言

3.2空间光照条件分析

3.3视觉传感器约束

3.4视觉传感器标定

3.5本章小结

第四章合作目标观测

4.1引言

4.2基于立体视觉的观测方程

4.3基于立体视觉的航天器相对状态观测卡尔曼滤波

4.3.1前言

4.3.2航天器编队模型方程

4.3.3相对状态测量的卡尔曼滤波

4.3.4仿真试验结果

4.4本章小结

第五章非合作目标观测

5.1引言

5.2长基线系统的构造

5.2.1观测编队航天器轨道约束

5.2.2观测航天器编队构型的选择

5.2.3立体相机间相对状态测量

5.3观测目标识别

5.3.1目标特征

5.3.2目标识别

5.5非合作目标状态计算

第六章总结与展望

参考文献

发表的学术论文

致谢