編隊飛行航天器相對狀態(tài)的立體視覺測量研究.pdf

1、20世紀50年代以來，空間技術不斷發(fā)展，航天器根據應用領域不同，發(fā)展形成了通信、氣象、導航、資源環(huán)境、軍事偵察、科學研究等系列，并向高性能、高集成方向發(fā)展。隨著航天任務的開發(fā)速度、成本等要求的提高，編隊飛行小型航天器的應用已成為各家航天機構的重點研究方向，對編隊飛行航天系統(tǒng)相對狀態(tài)的測量也成為需要重點攻克的課題。 隨著技術的發(fā)展，相關科研機構已提出若干種測量方案，包括基于GPS的測量，微波雷達測量，激光雷達測量，單目可見光視覺測

2、量，被動紅外測量等多種方案。本文研究了基于立體視覺的航天器編隊飛行相對狀態(tài)觀測方法，重點討論了兩種假設下(近距離合作目標和遠距離非合作目標)的、代表性的航天器相對狀態(tài)測量問題。 1．分析了航天器編隊飛行的特點，重點分析了基于立體視覺的觀測環(huán)境約束，其中包括編隊飛行航天器之間的相互運動關系，給出了編隊飛行航天器之間的相對運動方程；分析了空間光源的輻射特性，航天器表面的反射特性，航天器的光學成像特性，并對遠距離觀測時的被觀測目標的光

3、譜、亮度進行了估計； 2．根據航天器運行環(huán)境的約束，提出了基于模式點全局約束的相機標定方法，該方法基于傳統(tǒng)的方法提取圖像中的角點，以此為初值從圖像中搜索棋盤格邊緣，然后對邊緣數據進行擬合，并將擬合得到的三次曲線的交點作為真實的角點，最后以這些角點為特征點進行相機標定。結果表明，加入幾何約束后能大幅提高特征點提取的準確度，并顯著提高相機標定的精度； 3．提出了基于立體視覺的航天器編隊飛行相對狀態(tài)測量方法；相對于現有的測量方

4、案，立體視覺方案受外部約束較少，對星載設備的要求較低，同時，它能夠提供觀測對象觀測點的三維信息，有利于提高相對狀態(tài)測量的精度；為進一步提高測量系統(tǒng)的精度與魯棒性，還構造了相應合作目標觀測的擴展卡爾曼濾波器用于對編隊飛行航天器相對狀態(tài)進行估計； 4．分析了編隊飛行航天器對遠距離目標觀測時的光學條件及其對光學系統(tǒng)設計的要求，提出了由編隊飛行航天器構成長基線立體視覺系統(tǒng)的非合作航天器觀測方案，提出了基于視覺的航天器姿態(tài)確定算法和基于虛