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用于空间非合作目标交会的相对测量算法研究

作　者: 陈密密
导　师: 姜挺
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 摄影测量与遥感
关键词: 空间交会非合作目标光学成像测量相对运动图像处理后方交会绝对定向
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

基于光学成像测量理论的航天器间相对状态(相对位置与相对姿态)信息的获取是航天器近距离自主相对导航系统的重要组成部分,是完成航天器交会对接与机动逼近等多种空间任务的关键。论文以摄影测量、数字图像处理和航天器轨道动力学的相关理论和技术为基础,针对非合作目标交会过程中的相对状态测量这一具有重要潜在应用价值的领域进行了深入研究,取得的主要研究成果与创新点包括:1)对非合作目标交会的两飞行器间的相对轨道动力学特性进行了深入研究,推导了二体问题假设下的航天器近距离相对运动方程。在此基础上,从环绕跟踪和沿航向跟踪两个方面设计了对非合作目标实施近距离跟踪的轨道,并基于Matlab和STK对轨道设计的结果进行了数值仿真和可视化验证,最后简要分析了轨道摄动(J2摄动)对跟踪轨迹的影响。2)基于近距离跟踪阶段获得了非合作目标较为详细的外形特征这一合理假设,初步形成了一种用于非合作交会逼近阶段的光学成像测量方案,即利用数字图像处理技术将非合作目标三维外形上的结构特征转化为可观测的、可提取的二维图像特征,以解决非合作目标没有已知标志信息的问题,进而利用基于特征的成像测量算法实现相对位姿参数的确定。在分析摄影测量成像模型与OpenGL成像机理对应关系的基础上,设计并开发了简单的光学相机成像模拟器,为开展仿真实验提供了图像数据源。从简单的角度入手,通过投影操作和图像角点特征提取算子将非合作目标三维模型转化为二维点模型,设计了特征对应算法以实现结构特征点和图像提取角点之间的正确对应,并通过仿真实验验证了思路和方法的可行性。3)通过引入物方空间共线方程和物方空间共线误差的概念,将传统的摄影测量求解相对位姿参数的后方交会问题,转化为多次迭代的绝对定向问题,进而形成了一种具有全局快速收敛特性的相对位姿成像测量算法。迭代过程中使用“两步法”求解相对位姿参数:首先基于子空间旋转的最小二乘逼近理论直接获得相对姿态参数的最优解,继而求解该相对姿态条件下的最优平移向量。该方法能够严格保证旋转矩阵的正交性约束条件,理论上具有全局的收敛特性,并能自动提供良好的迭代初始值。仿真实验表明,该方法收敛速度快,计算精度高,抗噪声干扰能力强,适合于在非合作目标交会逼近阶段等未知因素多的情况下进行相对位姿参数的解算。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
第1章绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 研究背景  9-11
    1.2.1 空间交会对接概述  9-10
    1.2.2 交会对接测量技术  10-11
    1.2.3 合作与非合作目标交会对接  11
  1.3 研究目的与意义  11-12
  1.4 国内外研究现状和发展动态  12-17
    1.4.1 国内外交会对接技术  12-13
    1.4.2 国外交会对接测量系统  13-15
    1.4.3 合作目标交会对接视觉测量算法  15-16
    1.4.4 非合作目标交会对接测量算法  16-17
  1.5 论文主要研究内容和组织结构  17-19
    1.5.1 研究内容  17-18
    1.5.2 论文组织结构  18-19
第2章非合作目标相对运动的动力学模型与轨道设计  19-36
  2.1 引言  19
  2.2 非合作目标交会相对动力学分析  19-26
    2.2.1 参考坐标系定义  19-20
    2.2.2 相对运动方程推导  20-24
    2.2.3 追踪航天器轨道根数确定  24-25
    2.2.4 数值仿真与分析  25-26
  2.3 非合作目标跟踪轨道设计  26-35
    2.3.1 周期性稳定跟踪的条件分析  27-28
    2.3.2 环绕跟踪轨道设计  28-29
    2.3.3 航向跟踪轨道设计  29-31
    2.3.4 仿真实验与分析  31-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章非合作目标交会光学图像处理技术  36-56
  3.1 引言  36-37
  3.2 基于OpenGL的光学相机成像模拟  37-43
    3.2.1 OpenGL成像机理分析  37-39
    3.2.2 OpenGL成像参数设定  39-41
    3.2.3 仿真验证  41-43
  3.3 图像特征提取  43-47
    3.3.1 角点提取算法  43-44
    3.3.2 Harris算子  44-46
    3.3.3 SUSAN算子  46-47
  3.4 特征对应-Label算法  47-51
  3.5 仿真实验与分析  51-55
    3.5.1 仿真条件设定  51-52
    3.5.2 仿真结果与分析  52-55
  3.6 本章小结  55-56
第4章快速全局收敛的相对位姿成像测量算法  56-73
  4.1 引言  56-57
  4.2 算法的理论基础  57-63
    4.2.1 物方空间共线方程  57-59
    4.2.2 物方空间共线误差  59-60
    4.2.3 子空间旋转最小二乘逼近  60-61
    4.2.4 绝对定向直接解  61-63
  4.3 算法的实现过程  63-67
    4.3.1 迭代求解过程  63-64
    4.3.2 迭代结果修正  64-65
    4.3.3 收敛特性分析  65-66
    4.3.4 收敛过程加速  66-67
  4.4 数值仿真与分析  67-71
    4.4.1 仿真条件设定  67-68
    4.4.2 仿真结果分析  68-71
  4.5 本章小结  71-73
第5章总结与展望  73-75
  5.1 论文的主要创新点  73-74
  5.2 进一步的研究内容  74-75
参考文献  75-78
作者简历攻读硕士学位期间完成的主要工作  78-79
致谢  79

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