高轨非合作慢旋失稳空间目标位姿测量方法研究

发布时间：2020-07-05 02:06

【摘要】：随着航天技术的发展,以目标位姿测量为基础的空间操作技术已广泛应用于航天器维护、目标捕获及太空垃圾清理等领域。其中,基于合作目标位姿测量技术的应用仅局限于装配有合作标志物的航天器,而基于非合作目标位姿测量技术在非合作目标的对接、捕获、维修中起着重要作用。因此,为了扩展空间操作的应用范围,针对非合作目标位姿测量技术,开展深入细致的研究,有很强的紧迫性及重要性。本论文选定高轨非合作慢旋失稳空间目标,基于视觉测量原理,在相机标定、远距离弱小目标检测和近距离目标位姿测量等方面,对非合作目标的位姿测量方法进行了深入研究。论文主要内容如下:针对高精度相机标定,需要精确的角点检测,提出了一种基于梯度加权拟合直线的角点定位算法,有效提升了相机标定的精度。基于投影变换保持直线性的原理,通过计算直线的位置对角点位置进行有效定位;此外,通过粗精结合的拟合策略,获得了0.01个像素的角点定位精度,使得相机离线标定的精度提升了40%。在空间目标姿态测量中,为解决因发射冲击、气压、重力变化和热形变等引起的相机参数改变所带来的测量误差,提出了一种相机在线标定方案,以常见卫星主体结构的立方体形状,通过消失点方法,有效地修正了相机焦距和主点误差。针对远距离捕获空间弱小目标的问题,提出了一种基于多方向重建的远距离空间非合作小目标检测方法。通过多方向重建抑制背景,并结合基于信息量的目标增强,可以在非常低的计算复杂度下,获得较高的信噪比增益。此外,该算法亦可用地表的自然图像和红外图像,同样获得很好的效果。针对空间目标结构未知情况下的位姿高精度实时测量应用需求,提出了一种基于直线拟合估计本质矩阵的快速空间目标位姿测量方法。针对空间环境光源单一、目标转动导致特征点匹配困难等问题,采用直线检测跟踪获取序列图像交点的位置,计算本质矩阵,再根据本质矩阵,恢复目标的旋转矩阵和平移向量的方向,并结合激光测距数据,实现空间目标的位姿解算。仿真实验结果表明,姿态的测量误差小于1度,位置的测量误差小于目标到相机距离的2%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V52;V467
【图文】：

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【参考文献】