接近段小天体三维建模和旋转轴方向估计

发布时间：2022-01-23 08:41

　　挖掘宇宙中小天体的有效信息是了解太阳系起源和演化过程的重要途径,具有重大的科学价值。近年来,我国正在对小天体探测任务中的关键技术进行克难攻关。宇宙的空间环境较为复杂,小天体的形状和运动状态具有一定的未知性,这对远距离飞行导航和获取天体有效信息的技术提出了更高的要求。因此,在接近段探测的观测条件有限的情况下,准确进行飞行导航并高效获取小天体的深度信息,有利于探测器后续阶段任务研究的顺利进行,具备重要的研究意义。在深空探测的飞行接近段,航天器以目标天体作为指向进行导航工作,因此小天体形心提取的结果直接影响到导航工作的准确度。同时,在此阶段根据小天体的亮度变化反演计算出其旋转轴的方向和模型参数,既可以为后续精确求解旋转轴方向的算法提供良好的参考信息,又可以估计出小天体的初始三维模型。针对以上任务,本文利用探测器窄视场相机在接近段拍摄的小天体图像序列,阐述并实现了基于光变曲线的小天体三维建模和旋转轴方向的估计方法,主要研究内容有:1.在远距离探测阶段,根据天球坐标系、空间坐标系和相机成像坐标系之间的转换关系解析星表,建立了合理的恒星成像模型来模拟观测时符合条件的星空背景,结合仿真图像作为本文的... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：69 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

接近段不同

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-8-第2章小天体探测接近段视觉相关任务描述2.1引言小天体探测的接近段是一段漫长的旅程。对于绝大多数探测任务而言，探测段从距离目标天体较远的位置拍摄第一张图片，持续到飞行至距离目标只有几十千米，不同距离对目标的观测图像示例如图2-1所示。在整个接近段过程中，针对探测任务不同的需求，探测器采取了不同的行动任务。例如，相位观测用于获取小天体的反照率、观测天体形状模型来获取其自转信息等等。本章对接近段的任务流程进行了简介，随后通过解析星表与坐标系转换模拟了探测器在轨观测的星空背景与恒星成像。(a)190万千米发现目标(b)9750千米观测(c)3650千米观测(d)330千米观测(e)136千米观测(f)50千米观测图2-1接近段不同距离观测目标示例2.2接近段任务流程本小节以美国OSIRIS-REx探测贝努小行星任务为例。总体来说，接近段的主要目标是从大约200万千米处开始，用窄视场相机收集贝努小行星的光学图像，使用图像信息开始推导小行星的形状模型、建立坐标系并初步估计贝努的自转状态，同时观察贝努周边空间的气流尘埃变化以及自然卫星。接近段的具体任务、目

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-10-光谱特性，检测其中吸收深度大于5％的光谱特征，同时测量热辐射的通量来获取小行星的热惯量。将光谱特征的观测结果与已知数据进行比较，可以得到小行星纵向表面的变化信息；热惯量数据可以为小行星表面特定位置的测量提供参考。在150千米处开始进行天体形状模型观测。该过程生成分辨率超过100万的75cm形状模型、指定其子午线并定义坐标系，确定小行星的旋转极点并测定旋转周期，同时生成数字地形模型。2.3星图成像模拟方法本小节主要介绍小天体在轨观测的星空背景模拟方法，星图成像是检测星敏感器性能的一种有效方法，模拟恒星的目标是让仿真图片尽可能与实际场景中拍出的图片相似，其相似程度代表了模拟成像的真实性。因此，良好的星图成像方法可以结合仿真图像为后续实验提供有效可靠的图片集，是后续实验的前提条件。2.3.1姿态的表示方式探测器姿态是判断其飞行轨迹是否正常的重要依据，探测器在飞行过程中需要测量自己的姿态进而进行下一步的状态调整。常用的姿态表示方式有欧拉角和四元数两种。1.欧拉角欧拉角是一种可以直观感受物体旋转过程的表达方式，欧拉定理指出，任一坐标系可以由另一坐标系经过三次绕轴旋转变化得到，随着绕轴旋转的先后顺序不同，欧拉角共有六种表达方式。因此使用欧拉角对姿态进行描述时，要给出旋转轴的旋转顺序。以(,,)的旋转顺序为例，如图2-2所示，以绿色坐标系代表全局坐标系，保持不动；以红色坐标系代表局部坐标系，随着物体一起进行转动，则旋转过程表示为：首先，局部坐标系系绕物体坐标系的Z轴旋转角度，再绕自己的X轴旋转角度，最后绕自己的Z轴旋转角度。图2-2欧拉角转换关系经过上述旋转过程后，局部坐标系可以通过旋转矩阵的运算由原坐标系得到：

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
[1]高精度全天时星敏感器关键技术研究[D]. 何家维.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
[2]甚高精度星模拟器及其关键技术研究[D]. 孙高飞.长春理工大学 2012



本文编号：3603995