基于干扰观测器的天基观测航天器姿态控制设计

与地基空间目标监视系统相比,天基观测系统具有监视范围广,不受国界限制,观测精度高等优点,是未来空间目标观测技术的重要发展方向。但天基观测航天器工作时,相机转台的运动,太阳能帆板挠性部件的弹性振动与航天器的姿态运动相互影响,构成强耦合的非线性系统,传统的控制方案无法实现对这类天基观测航天器的高精度姿态控制。文章针对某一空间观测航天器的任务要求,设计了基于干扰观测器的前馈补偿航天器姿态控制系统,仿真实验结果表明:姿态角控制精度小于 0.06°,姿态角速度精度小于 0.03(°)/s,达到了精度要求。     

空间失效慢旋卫星视觉特征跟踪与位姿测量

空间碎片或者失效卫星往往绕其惯性主轴做自旋运动,虽然处于一种稳定状态,但是对其运动状态测量的难度相比三轴稳定目标而言又增加了许多,主要体现在复杂光场环境下和目标观测面周期性进出视场引起的特征点丢失、尺度变化和旋转变化,以及长时间连续观测引起的累积误差增大、位姿解算不收敛等难题。通过构建优化目标特征数据库,将传统测量方式中前后帧的匹配转变为当前帧与特征数据库的匹配和特征点的优化,即使中间过程帧出现了偏差仍然可以较好地跟踪后续图像帧的正确位置。在李代数空间下建立位姿向量微分扰动方程,获得测量值与估计值的残差目标函数,基于贝叶斯法则最大后验概率和李群与李代数的对指变换法则,求取位姿向量最优解。解决了李群空间下由于位姿变换矩阵不可加性而无法优化的问题,提高了连续测量过程中系统的测量精度。实验结果表明,无优化测量方法无法保证整个旋转周期的有效测量;通过增加位姿优化过程,连续稳定测量时间明显延长,针对以12（°）/s自旋运动的目标,测量稳定段误差在2°以内,旋转角速度测量误差为0.12（°）/s。     

失效卫星远距离相对位姿估计与优化方法

针对远距离非合作慢旋目标位姿估计精度问题,提出一种融合图像超分辨与视觉SLAM的相对位姿估计方法。算法主要包含3个步骤：通过梯度引导生成式对抗超分辨技术,提升目标图像的质量以获取更多更高质量的特征点;构建特征数据库实现当前帧与特征数据库的匹配,提升旋转目标的特征跟踪稳定性;利用图优化对多帧图像进行联合位姿优化,消除累计误差,得到更为精确的估计结果。为稳定网络的训练,将自然进化算法引入到对抗训练中。为增强模型的泛化性和鲁棒性,实验中的数据集采用半物理仿真获得。实验结果表明,当等效距离为25 m且失效卫星以25（°）/s的速度旋转时,目标图像经超分辨网络增强后,能够实现连续稳定的长时间测量。     

水下齐射扰动特性

围绕水下垂直齐射伴随的多相传热传质流动以及运动耦合过程,建立涵盖多相流动、细长体运动以及适配模块变形载荷等在内的数值计算模型,对齐射扰动特性进行研究分析。结果表明:受流体载荷、适配模块变形载荷影响,细长体离筒横向位移和姿态等发生变化,在弹体轴向运动2倍弹长的发射过程中,齐射弹道横向位移可达01倍弹长,横向姿态角达到7°。此外,首发细长体发射后水倒灌及筒口气泡溢出过程对次发细长体发射时的筒口气泡形态和载荷状态产生显著影响,进而也会对其弹道产生干扰,在考察状态下,首发弹体与次发弹体离筒时横向角差异为01°,横向角速度差异达到75 (°)/s。     

低照度小样本限制下的失效卫星相对位姿估计与优化

低照度图像信息受损严重,会导致失效卫星的位姿估计精度和鲁棒性降低。基于此,提出了无监督生成式对抗网络低照度图像增强模型。生成器以U-Net网络为基础,并设计密集残差连接结构。判别器设计为全局-局部的双辨别器结构,由传统的单一标量扩展为多标量判别。在小样本的条件下,基于进化训练与并行训练方式改进基于SinGAN的数据增广方法。最后,在基于ORB-SLAM位姿初始化的基础上,建立特征信息的局部地图,克服位姿估计对参考帧的依赖;通过关键帧ROI的稠密匹配,建立关于平面法向量和单目相机安装高度的非线性优化模型求解尺度因子;通过闭环检测后的相似性变换,构建关键帧集合的联合位姿图优化方程,实现对位姿矩阵的全局校正。实验结果表明：测量稳定后,低照度图像的姿态角误差最大值为4°,而图像增强后的姿态角误差最大为0.5°;对于以角速度20°/s运动的失效卫星旋转5周,相对静止下的跟踪测量为5周,1 m水平方向机动下的跟踪测量为4.5周。可以满足失效卫星相对姿态测量的任务需求。     

单片集成三轴微机电陀螺仪

为使陀螺仪进一步小型化、集成化,提出了一种新型单片集成三轴微机电陀螺仪,该陀螺仪采用单一MEMS结构芯片实现3个轴向角速度的测量.介绍了单片三轴陀螺仪工作方式、结构设计以及电路原理,完成了MEMS结构的流片加工,对陀螺仪表头和整机进行了测试,单片三轴微机电陀螺仪x轴、y轴和z轴零偏稳定性分别达到53.4(°)/h、70.8(°)/h和18.4(°)/h,非线性度分别为1.59×10-4、3.3×10-4和2.18×10-4.该陀螺仪具有三轴角速率检测效应,具有集成度高、体积小的优势,具有较强的应用潜力.     

双框架MSCMG框架伺服系统的动力学解耦及扰动补偿

双框架磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)框架伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的复杂系统,针对耦合力矩对框架系统速率伺服性能的影响,以及框架系统动力学解耦之后存在残余耦合、卫星运动引起的牵连力矩和非线性摩擦的问题,提出了微分几何法与扩张状态观测器(ESO)相结合的高精度控制方法,在线性化解耦的基础上对残余耦合、牵连力矩及非线性摩擦进行观测补偿以提高框架伺服系统解耦及速率跟踪性能。仿真结果表明、由耦合力矩引起的内、外框架速率波动最大值分别从0.18(°)/s和0.12(°)/s减小到5×10^-3(°)/s和4×10^-3(°)/s,内、外框架正弦角速度跟踪误差分别从0.18(°)/s和0.19(°)/s减小到0.005(°)/s和0.004(°)/s。所提出的方法实现了框架伺服系统的动力学解耦以及非线性摩擦和牵连力矩的补偿,提高了框架系统的解耦性能和速率伺服精度。     

基于飞行时间相机的非合作慢旋卫星稠密重建研究

针对非合作慢旋卫星的模型重建问题，提出基于飞行时间(time-of-flight, TOF)相机和同时定位与制图(simultaneous localization and mapping, SLAM)的稠密重建方法。基于预先检测与自适应阈值方法提高旋转提取与描述(oriented fast and rotated brief, ORB)的特征尺度适应性。利用运动度量方法选取关键帧。利用子模型拼接方法加快重建效率。利用仿真环境制作非合作慢旋卫星的数据集。仿真实验结果表明:该方法能够实现长时间稳定地工作，可在3 min内重建出卫星模型的稠密点云，点云密度大于5 000，重建误差小于5 cm。利用机械臂、卫星模型及光学暗室搭建半物理实验系统，表明算法的精度及抗噪声能力基本满足非合作目标感知的任务的需求。     

基于对偶数的航天器多特征融合相对导航算法

针对基于视觉的航天器相对导航问题,利用对偶数推导并给出了航天器相对耦合动力学方程,该方程一体化描述了追踪航天器相对于目标航天器的姿态运动和轨道运动,且考虑了由非质心点引起的相对姿态与相对轨道之间的耦合影响。在对偶代数的框架内,统一描述了目标航天器上的特征点和特征线,并基于特征点、线在像平面的投影建立了多特征融合的单目视觉测量模型。最后通过对系统状态方程以及测量方程的线性化,应用迭代扩展卡尔曼滤波(IEKF)算法对非质心点的相对运动状态进行了估计。仿真结果表明,本文的算法能够对航天器非质心点的相对运动状态进行较高精度的估计。     

基于特征模型的失效航天器消旋控制

失效航天器一般有复杂的运动和较大的角速度,采用机械臂直接抓捕目标容易导致非预期碰撞,如果先采用接触式消旋操作降低目标角速度,会大大降低服务卫星抓捕目标的难度。针对空间翻滚非合作目标的接触式消旋控制存在接触动力学模型不确定性的问题,提出了一种基于特征模型的自适应控制方法。首先通过接触式消旋的物理机理分析,建立消旋系统动力学模型;进一步在动力学特性分析基础上构建描述接触碰撞后目标角速度的特征模型,并确定模型参数范围;然后基于该模型设计黄金分割自适应控制律。仿真结果表明,该方法有效克服了消旋过程中接触碰撞模型存在的不确定性,并且消旋速度快且消旋后的残余角速度小。     

基于深度学习的非合作航天器姿态估计

针对空间非合作航天器姿态测量时受光照和地球背景影响大的问题,提出了一种基于卷积神经网络的端到端姿态估计方法.在该方法中,主干网络采用AlexNet与ResNet.首先,移除主干网络末端的全连接层,并列连接3个全连接层,采用三分支网络分别对姿态角进行估计.然后,设计了将分类问题与回归问题相结合的损失函数,通过分类方法将姿态估计限定在某一范围内,再使用回归方法进一步微调姿态.姿态分类损失函数确定姿态角度基准点,姿态回归损失函数对估计角度进行微调.相较于仅采用回归方法进行姿态估计,此方法能够有效减小姿态估计平均绝对误差、标准差与最大误差.实验对比了不同主干网络的测量精度,平均绝对误差在0.376°～0.746°之间,最优标准差为0.474°.     

Three-line structured light vision system for non-cooperative satellites in proximity operations

Adapter ring is a commonly used component in non-cooperative satellites, which has high strength and is suitable to be recognized and grasped by the space manipulator. During proximity operations, this circle feature may be occluded by the robot arm or limited field of view. Moreover, the captured images may be underexposed when there is not enough illumination. To address these problems, this paper presents a structured light vision system with three line lasers and a monocular camera. The lasers project lines onto the surface of the satellite, and six break points are formed along both sides of the adapter ring. A closed-form solution for real-time pose estimation is given using these break points. Then, a virtual structured light platform is constructed to simulate synthetic images of the target satellite. Compared with the predefined camera parameters and relative positions, the proposed method is demonstrated to be more effective, especially at a close distance. Besides, a physical space verification system is set up to prove the effectiveness and robustness of our method under different light conditions. Experimental results indicate that it is a practical and effective method for the pose measurement of on-orbit tasks.     

基于双频激光干涉仪的角速率检测系统精度分析

为了能够精确检测到测试转台在低速运行下的角速率,设计了一种基于双频激光干涉仪的角速率精度检测系统.首先,对本检测系统各项误差进行机理分析.然后,综合各项误差项建立总体相对误差模型.最终,通过仿真分析得到各个误差因子对相对误差项的影响,为保证检测系统相对精度提供理论依据,能够满足对高精度惯性器件测试转台低速段0.0001(°)/s~1(°)/s速率检测要求.     

翻滚非合作目标逼近与跟踪的轨道和姿态控制

面向近距离逼近与捕获翻滚非合作目标的在轨服务空间清理任务需求,研究了航天器非合作式交会对接的轨道和姿态控制问题。在控制输入受限约束下,考虑存在参数不确定性和外部扰动的情况,结合滑模控制和自适应控制技术,分别进行鲁棒自适应位置和姿态控制器设计。利用自适应控制估计参数不确定性、未知干扰上界以及滑模控制反馈系数矩阵,提高了系统的鲁棒性。通过李雅普诺夫理论证明了系统在控制器作用下全局一致最终有界稳定。仿真结果验证了控制器的有效性,能够有效解决与高速旋转非合作目标的稳定相对位姿关系建立的难题。     

基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法

风洞试验中模型迎角的精准测量是降低阻力系数误差的重要途径之一,为此,提出了基于单应性矩阵的模型迎角单目视频测量方法。该方法通过两个单应性矩阵,获取试验过程中相机实时位姿和标记点物方空间位置坐标,应用坐标旋转关系,完成试验模型的迎角测量。数值仿真试验结果表明：迎角测量误差与待测标记点到风洞壁板间的距离偏差近似为线性关系,因此,当标记点不满足共面条件时,可根据该特点进行测量误差修正。静态标定和风洞迎角测量试验结果表明：修正系统误差后,迎角实测数据的测量准度在0.01°以内,精度不超过0.012°。本文方法易于实施,工程实用价值强。     

基于改进HOG特征的空间非合作目标检测

传统的非合作目标检测方法大都基于一定的匹配模板,这不仅需要预先指定先验信息,进而设计合适的检测模板,而且同一模板只能对具有相似形状的目标进行检测,不易直接用于检测形状未知的非合作目标。为降低检测过程中对目标形状等先验信息的要求,借鉴基于规范化梯度的物体区域估计方法,提出一种基于改进方向梯度直方图特征的目标检测方法,首先构建包含有自然图像和目标图像的训练数据集;然后提取标记区域的改进方向梯度直方图特征,以更好地保持局部特征的结构性,并根据级联支持向量机训练模型,从数据集中自动学习目标物体的判别特征;最后,将训练后的模型用于检测测试集图像中的目标。实验结果表明,算法在由4953幅和100幅图像构成的测试集中分别取得94.5%和94.2%的检测率,平均每幅图像的检测时间约为0.031 s,具有较低的时间开销,且对目标的旋转及光照变化具有一定的鲁棒性。     

基于序列图像的航天器自主导航降维滤波方法

非合作目标的运动感知与状态估计,是太空领域技术发展的重要组成部分。非合作目标相对状态的精确估计是相对导航的难点问题。传统的非合作目标扩展卡尔曼滤波算法需要结合非合作目标的质心位置,增加了状态变量的维数,提高了系统不确定性,从而会影响状态扩展卡尔曼滤波的收敛速度。提出了一种基于序列图像的非合作目标相对导航方法,该方法在不对质心进行估计的情况下首先对非合作目标姿态进行估计,在完成非合作目标姿态估计后再对其质心进行估计。本文推导了光学相机测量值与目标真实姿态的关系,构建了基于序列图像的测量模型,分别建立了不含有非合作目标质心位置的状态方程和基于非合作目标位置、速度矢量的状态方程,设计了适用于非合作目标状态估计的扩展卡尔曼滤波算法。仿真实验表明该方法可在10 Hz采样频率下经过50次采样（即5 s）内快速收敛,从而有利于空间飞行器的在轨服务与维护。