編隊(duì)飛行航天器相對(duì)狀態(tài)的立體視覺測(cè)量研究.pdf

1、20世紀(jì)50年代以來，空間技術(shù)不斷發(fā)展，航天器根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，發(fā)展形成了通信、氣象、導(dǎo)航、資源環(huán)境、軍事偵察、科學(xué)研究等系列，并向高性能、高集成方向發(fā)展。隨著航天任務(wù)的開發(fā)速度、成本等要求的提高，編隊(duì)飛行小型航天器的應(yīng)用已成為各家航天機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究方向，對(duì)編隊(duì)飛行航天系統(tǒng)相對(duì)狀態(tài)的測(cè)量也成為需要重點(diǎn)攻克的課題。 隨著技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)已提出若干種測(cè)量方案，包括基于GPS的測(cè)量，微波雷達(dá)測(cè)量，激光雷達(dá)測(cè)量，單目可見光視覺測(cè)

2、量，被動(dòng)紅外測(cè)量等多種方案。本文研究了基于立體視覺的航天器編隊(duì)飛行相對(duì)狀態(tài)觀測(cè)方法，重點(diǎn)討論了兩種假設(shè)下(近距離合作目標(biāo)和遠(yuǎn)距離非合作目標(biāo))的、代表性的航天器相對(duì)狀態(tài)測(cè)量問題。 1．分析了航天器編隊(duì)飛行的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了基于立體視覺的觀測(cè)環(huán)境約束，其中包括編隊(duì)飛行航天器之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，給出了編隊(duì)飛行航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(xué)成像特性，并對(duì)遠(yuǎn)距離觀測(cè)時(shí)的被觀測(cè)目標(biāo)的光

3、譜、亮度進(jìn)行了估計(jì)； 2．根據(jù)航天器運(yùn)行環(huán)境的約束，提出了基于模式點(diǎn)全局約束的相機(jī)標(biāo)定方法，該方法基于傳統(tǒng)的方法提取圖像中的角點(diǎn)，以此為初值從圖像中搜索棋盤格邊緣，然后對(duì)邊緣數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并將擬合得到的三次曲線的交點(diǎn)作為真實(shí)的角點(diǎn)，最后以這些角點(diǎn)為特征點(diǎn)進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。結(jié)果表明，加入幾何約束后能大幅提高特征點(diǎn)提取的準(zhǔn)確度，并顯著提高相機(jī)標(biāo)定的精度； 3．提出了基于立體視覺的航天器編隊(duì)飛行相對(duì)狀態(tài)測(cè)量方法；相對(duì)于現(xiàn)有的測(cè)量方

4、案，立體視覺方案受外部約束較少，對(duì)星載設(shè)備的要求較低，同時(shí)，它能夠提供觀測(cè)對(duì)象觀測(cè)點(diǎn)的三維信息，有利于提高相對(duì)狀態(tài)測(cè)量的精度；為進(jìn)一步提高測(cè)量系統(tǒng)的精度與魯棒性，還構(gòu)造了相應(yīng)合作目標(biāo)觀測(cè)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器用于對(duì)編隊(duì)飛行航天器相對(duì)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)； 4．分析了編隊(duì)飛行航天器對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)觀測(cè)時(shí)的光學(xué)條件及其對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，提出了由編隊(duì)飛行航天器構(gòu)成長(zhǎng)基線立體視覺系統(tǒng)的非合作航天器觀測(cè)方案，提出了基于視覺的航天器姿態(tài)確定算法和基于虛