自主交会中非合作航天器及其柔索结构视觉测量方法研究
发布时间：2022-12-08 03:42
空间交会对接在航天器在轨服务、空间攻防以及废弃航天器清除等任务中占有重要的地位。为降低空间交会对接任务中对地面站的依赖性,跟踪航天器需要具备对交会目标运动状态测量的能力。利用视觉系统获取交会目标运动状态时,不同观测距离下交会目标的图像特征具有较大差异,采用的图像处理算法与运动参数测量方法也有所不同,尤其在非合作航天器及其柔索结构的运动状态测量上存在不少问题有待解决。非合作航天器不具备辅助测量的标志,其柔索结构的图像灰度均匀无纹理,对这两类目标在不同距离下进行图像提取与跟踪测量具有较大难度,因此本文对自主交会过程中不同测量距离下非合作航天器及其柔索结构的图像提取算法与运动参数测量方法存在的难点进行研究,主要工作如下:针对真实天基观测图像来源涉密、场景及数量受限的问题,对空间目标天基观测图像的仿真方法开展研究。建立了空间目标动力学模型与天基光学可见性约束模型,实现了对不同观测距离下空间目标与柔索结构的天基观测图像仿真,为后续空间目标与柔索结构的图像处理算法与运动参数确定算法研究提供了数据来源与模拟环境。在远距离观测下交会对象的图像特征呈光点状,为实现基于这种图像特征的空间目标轨道确定,分别...
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的背景及研究的意义
1.2 远场中基于天基观测图像的轨道确定方法研究现状
1.3 近场中非合作航天器相对姿态确定方法研究现状
1.4 航天器柔索结构运动测量方法研究现状
1.5 本文主要研究内容
第2章 空间目标天基观测图像仿真方法
2.1 引言
2.2 空间目标运动的参考坐标系与坐标系变换关系
2.2.1 空间目标运动的参考坐标系
2.2.2 空间目标运动的坐标系变换关系
2.3 空间目标动力学模型
2.3.1 空间目标轨道动力学模型
2.3.2 空间目标姿态运动学与动力学模型
2.3.3 基于绝对节点坐标法的柔索动力学模型
2.4 天基光学观测可见条件
2.5 空间目标图像合成方法
2.5.1 虚拟相机成像模型
2.5.2 OpenGL图形渲染流程
2.5.3 空间目标仿真图像生成
2.6 本章小结
第3章 基于天基观测图像的空间目标轨道确定方法
3.1 引言
3.2 恒星跟踪模式下条纹状空间目标图像提取
3.2.1 适用于空间目标条纹分割的最大类间方差改进法
3.2.2 基于形态学的空间目标条纹端点提取方法
3.2.3 仿真实验结果与误差分析
3.3 极短弧观测数据下的空间目标初轨确定
3.3.1 空间目标观测方向向量坐标系转换
3.3.2 基于遗传算法的空间目标初始轨道参数优化求解模型
3.3.3 仿真实验结果与分析
3.4 基于容积卡尔曼滤波的空间目标轨道改进
3.4.1 空间目标轨道改进基本方程的建立
3.4.2 容积卡尔曼滤波算法
3.4.3 仿真实验结果与分析
3.5 本章小结
第4章 利用目标航天器特征结构的相对姿态确定方法
4.1 引言
4.2 目标航天器特征结构图像提取
4.2.1 基于弱梯度消除法的ROI提取
4.2.2 星箭对接环的特征提取
4.2.3 太阳帆板的特征提取
4.3 利用双特征结构的相对姿态确定方法
4.3.1 坐标系定义与特征结构的姿态描述
4.3.2 基于投影同心圆代数约束的定姿原理
4.3.3 基于平行线消失点定姿原理
4.4 利用双特征结构的相对姿态确定算法仿真实验
4.4.1 利用星箭对接环结构的定姿误差分析
4.4.2 利用太阳帆板结构的定姿误差分析
4.4.3 利用双特征结构对失效航天器定姿的误差分析
4.5 本章小结
第5章 航天器柔索结构运动状态的视觉测量方法
5.1 引言
5.2 非均匀运动的航天器柔索结构图像提取
5.2.1 低速运动的柔索中心线图像提取
5.2.2 基于运动模糊分割算法的高速运动柔索图像提取
5.3 基于物质点跟踪的柔索运动状态测量方法
5.3.1 基于单目视觉的柔索空间位置测量
5.3.2 视觉物质点跟踪算法
5.4 航天器柔索结构运动状态测量仿真实验
5.4.1 非均匀运动的柔索图像提取误差分析
5.4.2 视觉物质点跟踪算法误差分析
5.5 本章小结
第6章 航天器及其柔索结构视觉测量实验
6.1 引言
6.2 利用航天器特征结构的相对姿态确定实验
6.2.1 实验平台
6.2.2 不同观测距离下的相对定姿实验
6.2.3 不同光照情况下的相对定姿实验
6.3 航天器柔索结构运动状态的视觉测量实验
6.3.1 实验平台及视觉测量系统误差
6.3.2 柔索目标的图像提取误差
6.3.3 柔索空间位形对比分析
6.3.4 物质点跟踪算法与动力学模型对比
6.4 本章小结
结论
参考文献
附录 空间目标在轨分布特性
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢
个人简历
本文编号：3713478
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的背景及研究的意义
1.2 远场中基于天基观测图像的轨道确定方法研究现状
1.3 近场中非合作航天器相对姿态确定方法研究现状
1.4 航天器柔索结构运动测量方法研究现状
1.5 本文主要研究内容
第2章 空间目标天基观测图像仿真方法
2.1 引言
2.2 空间目标运动的参考坐标系与坐标系变换关系
2.2.1 空间目标运动的参考坐标系
2.2.2 空间目标运动的坐标系变换关系
2.3 空间目标动力学模型
2.3.1 空间目标轨道动力学模型
2.3.2 空间目标姿态运动学与动力学模型
2.3.3 基于绝对节点坐标法的柔索动力学模型
2.4 天基光学观测可见条件
2.5 空间目标图像合成方法
2.5.1 虚拟相机成像模型
2.5.2 OpenGL图形渲染流程
2.5.3 空间目标仿真图像生成
2.6 本章小结
第3章 基于天基观测图像的空间目标轨道确定方法
3.1 引言
3.2 恒星跟踪模式下条纹状空间目标图像提取
3.2.1 适用于空间目标条纹分割的最大类间方差改进法
3.2.2 基于形态学的空间目标条纹端点提取方法
3.2.3 仿真实验结果与误差分析
3.3 极短弧观测数据下的空间目标初轨确定
3.3.1 空间目标观测方向向量坐标系转换
3.3.2 基于遗传算法的空间目标初始轨道参数优化求解模型
3.3.3 仿真实验结果与分析
3.4 基于容积卡尔曼滤波的空间目标轨道改进
3.4.1 空间目标轨道改进基本方程的建立
3.4.2 容积卡尔曼滤波算法
3.4.3 仿真实验结果与分析
3.5 本章小结
第4章 利用目标航天器特征结构的相对姿态确定方法
4.1 引言
4.2 目标航天器特征结构图像提取
4.2.1 基于弱梯度消除法的ROI提取
4.2.2 星箭对接环的特征提取
4.2.3 太阳帆板的特征提取
4.3 利用双特征结构的相对姿态确定方法
4.3.1 坐标系定义与特征结构的姿态描述
4.3.2 基于投影同心圆代数约束的定姿原理
4.3.3 基于平行线消失点定姿原理
4.4 利用双特征结构的相对姿态确定算法仿真实验
4.4.1 利用星箭对接环结构的定姿误差分析
4.4.2 利用太阳帆板结构的定姿误差分析
4.4.3 利用双特征结构对失效航天器定姿的误差分析
4.5 本章小结
第5章 航天器柔索结构运动状态的视觉测量方法
5.1 引言
5.2 非均匀运动的航天器柔索结构图像提取
5.2.1 低速运动的柔索中心线图像提取
5.2.2 基于运动模糊分割算法的高速运动柔索图像提取
5.3 基于物质点跟踪的柔索运动状态测量方法
5.3.1 基于单目视觉的柔索空间位置测量
5.3.2 视觉物质点跟踪算法
5.4 航天器柔索结构运动状态测量仿真实验
5.4.1 非均匀运动的柔索图像提取误差分析
5.4.2 视觉物质点跟踪算法误差分析
5.5 本章小结
第6章 航天器及其柔索结构视觉测量实验
6.1 引言
6.2 利用航天器特征结构的相对姿态确定实验
6.2.1 实验平台
6.2.2 不同观测距离下的相对定姿实验
6.2.3 不同光照情况下的相对定姿实验
6.3 航天器柔索结构运动状态的视觉测量实验
6.3.1 实验平台及视觉测量系统误差
6.3.2 柔索目标的图像提取误差
6.3.3 柔索空间位形对比分析
6.3.4 物质点跟踪算法与动力学模型对比
6.4 本章小结
结论
参考文献
附录 空间目标在轨分布特性
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢
个人简历
本文编号：3713478
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