基于特征光点单坐标系坐标的运动目标相对位置姿态光学测量方法

针对运动目标的相对位置姿态测量问题,研究了一种利用四个非共线特征光点的光学 测量方法。推导了基于特征光点目标坐标系和测量坐标系坐标的运动目标相对位置姿态解算 公式;进而给出了基于特征光点单坐标系坐标的位置姿态的解析解;并建立了测量的误差模 型。该方法对特征光点布局要求低,对摄像机模型没有限制。实验结果表明,该方法可满足 运动目标的相对位置姿态测量需求。     

行星着陆动力下降段相对视觉导航方法

针对行星着陆动力下降段视觉导航自然路标匮乏的问题，提出了一种相对视觉导航方法。该方法利用相机和雷达的测量信息构建相对导航坐标系并求解随机视觉特征点在该坐标系下的位置矢量，利用求解得到的特征点为导航参考，设计相对导航系统，估计着陆器在相对导航坐标系下的位置、速度及姿态信息。同时，构建可观性矩阵，解耦分析位置和姿态的可观性。通过可观性分析可知利用相对导航坐标系下的一个随机特征点即可实现着陆器全状态可观。最后通过仿真分析着陆器状态误差，验证了可观测度理论分析及导航性能。该相对导航方法无需行星地形数据库，且可以实现着陆器全状态的高精度估计，满足行星精确软着陆的需求。     

非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法

空间机器人与非合作大目标交会接近最终段,单目相机不能获取完整的特征图像而无法完成相对位姿测量。针对此问题,提出基于线结构光和单目视觉的相对位姿测量方法。以非合作大目标上的局部矩形特征为测量对象,首先,建立相对位姿测量模型并给出四个测量坐标系之间的关系;其次,通过相机对不完整矩形和线结构光的约束获得四个特征点在相机坐标系下的坐标;然后,利用四个特征点计算相机坐标系与目标坐标系之间的转移矩阵;最后,将转移矩阵分解得到矩形特征的相对位姿。通过改变影响测量精度的输入误差和标定误差等因素对该方法进行仿真验证,结果表明该测量方法是有效的。     

航天器总装精度测量方法分析

航天器总装精度测量是指测量有安装精度要求的仪器的坐标系相对于整星坐标系的位置和姿态。文章介绍了总装精度测量的两类方法,即通过立方镜镜面法线和中心点测量的方法以及通过星体和被测仪器上特征点测量的方法,文章对两类方法作了数学分析,并对各自的应用作了比较。     

采用双目视觉的非合作空间目标相对导航与惯性参数辨识方法

针对面向在轨服务的非合作空间目标测量感知问题，提出了一种基于双目视觉的相对导航与惯性参数辨识方法。利用目标表面的特征点建立几何坐标系，并分别设计了姿态测量和相对导航滤波器，实现了目标姿态、角速度、轨道，质心位置与惯量比的高精度估计。在此基础上，通过黏附卫星与非合作目标形成组合体，利用相对导航算法获得的质心位置和惯量比在黏附前后的变化，实现了目标质量和转动惯量的辨识。数值仿真试验证明了算法的有效性。     

一种基于激光雷达的航天器隐藏点测量方法

为保证航天器各系统的仪器安装满足在轨姿态、轨道控制等要求,需对其安装位置及姿态进行检测,但一些隐藏的目标却无法直接测得。文章提出了一种基于激光雷达测量系统的隐藏点测量方法,针对激光雷达测量坐标系的建立以及应用高精度平面镜进行隐藏点测量进行了数学模型的分析,并对测量系统的不确定度进行了评估。结果表明,在保持测量环境稳定的情况下,应用激光雷达进行航天器隐藏点测量的标准不确定度优于0.1071 mm。     

利用双目箭载图像测量目标位姿方法研究

研究箭载图像中的目标位姿测量方法,可作为箭上物理量测量的一条新途径。首先,使用STK软件仿真运载火箭级间分离过程,输出箭载视角双目仿真图像。然后,应用SURF/MSER方法对双目图像中的特征点进行检测、匹配、筛选,基于双目视觉测量模型解算特征点的空间坐标。最后,选取目标中心点描述被测目标位置,选取与分离面平行平面上的三点解算被测目标姿态。实验结果表明,方法可有效地测量箭载图像中目标的位置、姿态,为未来工程应用实现打下基础。     

采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法

针对缺少行星表面陆标位置和探测器初始状态等先验信息情况下行星着陆导航问题,提出一种采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法。首先,利用行星表面陆标的双目视觉测量信息建立相对导航坐标系并计算陆标在相对导航坐标系下的位置,然后利用基于奇异值分解（SVD）的优化方法得到探测器在相对导航坐标系下的初始状态估计,最后利用陆标的视觉测量信息估计探测器在相对导航坐标系下的位置、速度和姿态。以火星着陆为例进行数学仿真分析,仿真结果表明本文提出的方法是有效可行的。     

空间非合作目标超近距离位姿测量技术研究

对一种基于显著特征点的空间非合作目标超近距离位姿测量技术方案进行了研究。给出了方法的流程。介绍了非合作目标捕获与跟踪、特征提取、特征匹配、三维结构重建、相对位置与相对姿态测量等关键技术。仿真结果验证了其可行性。     

陀螺经纬仪在大型航天产品精测中的应用

陀螺经纬仪通常是做某一方向与当地大地北向的方位角关系测量用。文章针对“天宫一号”目标飞行器精测中遇到的问题,即高空不同平台间两台设备需要姿态关系测量的需求,通过对陀螺经纬仪测量原理的研究,借助大地坐标系作为中间传递坐标系,解决了经纬仪测量因互瞄被遮挡无法建立基准镜坐标系间关系的问题。测量误差分析结果验证了这种新方法的可行性,该方法可用于大型航天产品设备安装精度的测量。     

一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法

本文提出一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法。该方法依据实时相对位置和目标位置确定绕飞坐标系；在绕飞坐标系中，分别采用扇形轨迹和直线轨迹设计了两类接近轨迹规划策略，利用相对位置和目标位置间的夹角进行规划策略选择，以规划得到过渡目标位置，并采用CW制导进行过渡目标位置的接近控制；为保证绕飞过程中相对测量敏感器始终有效测量，还设计了姿态指向控制律使追踪航天器x轴指向目标航天器。数学仿真校验了所设计方法的有效性。     

接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制

航天器在实施对空间非合作目标的近程操作任务中,需要接近目标并保持在目标附近的特定方位,对目标指定部位随动跟踪和观测。针对非合作机动目标的接近和视线跟踪的六自由度控制问题,根据视线坐标系下的相对轨道方程和体坐标系下的相对误差四元数姿态方程,建立了航天器间近距离相对运动的轨道和姿态联合控制模型。考虑模型的非线性、时变性和计算的快速性,采用θ-D控制方法进行接近和视线跟踪的轨道和姿态联合控制。为了减小跟踪同时存在轨道和姿态机动的非合作目标的控制误差,应用Lyapunov最小-最大定理设计了θ-D修正控制器,改善非合作目标同时进行姿态和轨道机动时的控制性能。仿真验证了模型的正确性和控制器良好的跟踪性能。     

一种卷积神经网络非合作目标姿态测量方法

针对空间非合作目标姿态测量问题，提出一种基于卷积神经网络的非合作目标姿态视觉测量方法。该方法先设计特征提取网络并利用公开数据集进行预训练，用少量实际目标图像进行迁移学习，实现非合作目标图像高层抽象特征的自动提取；再设计基于回归模型的姿态映射网络，建立图像高层特征与三轴姿态角之间的非线性关系，实现非合作目标的姿态测量。实验验证了两类特征提取网络测量精度和参数量大小，测量精度可达 0.711° (1σ),表明了“单目相机+卷积神经网络”方法的可行性。     

空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法

空间飞行器交会对接的最后逼近阶段，通常采用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态。考虑到飞行器在轨运行期间，CCD相机受空间环境的影响，其内参数会发生变化的实际情况，提出了一种单CCD在轨自检校光学测量方案，其主要特点是飞行器在执行测量任务时，可同时进行相机内参数的自检校。首先根据严格的中心投影共线条件方程，推导出目标飞行器光学特征点坐标和对应的像点坐标与内参数及相对位置和姿态的严格解析关系；然后建立了内参数及相对位置和姿态的解析表达式；提出了目标航天器上光学特征点的布设要求。通过严格的理论分析和数值仿真，单CCD在轨自检校光学测量方案具有可靠性高、精度高、算法易实现、适应能力强等优点。     

一种基于SIFT和KLT相结合的特征点跟踪方法研究

在目标发生明显姿态和大小变化条件下,为了利用基于特征点的跟踪算法实现对目标可靠、稳定跟踪,提出了一种SIFT算法和KLT(Kanade-Lucas-Tomasi)匹配算法相结合的特征点跟踪方法。通过对SIFT算法进行优化,使得到特征点分布相对均匀,同时不存在聚集现象;通过对KLT匹配算法进行分层迭代设计,提高了目标作快速运动时的匹配精度;最后根据特征点匹配结果,结合Greedy算法得到目标的准确位置。实验结果表明：该算法能够很好地适应目标姿态和大小的变化,实现对结构复杂目标的稳定跟踪;比KLT跟踪算法具有更好的鲁棒性和稳定性,能得到更加准确的目标位置。      

飞行器自主交会对接逼近阶段单台CCD测量方法研究

提出了一种利用单台CCD相机来实现自主交会对接最后逼近阶段的测量与控制任务。通过对安装在目标飞行器上的四个共面编码标志的测量，来实时计算追踪飞行器上CCD相机的外参数。利用求得的相机外参数和已知的坐标系间的转换参数，可以求得追踪飞行器坐标系与目标飞行器坐标系间的转换参数，从而得到两者间的相对位置和姿态系数。本文还通过了一组试验验证了该该法的可行性。     

一种图像制导中的特征点识别方法

图像制导中的一个关键问题是由图像序列中识别出目标物体及其运动参数。尤其是目标运动参数的精确估算,对提高导弹制导精度非常重要。目前,从图像序列中识别目标运动参数的一个常用的方法是通过目标物体上的一组特征点在相邻几帧图像上位置的变化进行估算,因而,合理的选择特征点就非常关键。本文在分析目标边缘几何形状的基础上,给出一种简单易行的特征点识别方法。     

相对位置和姿态动力学耦合航天器的自抗扰控制器设计

慢旋非合作目标在轨服务任务中,在轨服务航天器不仅需要悬停在目标自旋轴上方保持相对位置不变,而且需要与非合作目标同步慢旋保持姿态一致。此时需要保持的相对位置在目标本体坐标系中为常量,在目标本体坐标系下建立相对位置动力学模型,使相对位置控制系统成为调节系统。然后,建立基于相对姿态四元数的姿态动力学模型,并给出推力偏心力矩的数学描述。基于扩展状态观测器、过渡过程安排技术和非线性反馈控制技术,设计姿态和轨道耦合系统的自抗扰控制器。仿真结果表明自抗扰控制器在解决存在非线性和耦合特性的相对位置和姿态耦合系统的控制问题上能够取得理想的控制效果,具有较高的控制精度和较快的系统响应。     

采用单目视觉的非合作目标星状态估计

针对微小卫星逼近观测未知的空间翻滚非合作目标星任务，提出一种基于单目视觉的目标星相对状态估计方法。在建立追踪星/目标星相对运动模型的基础上，以单目相机识别并测量获得的目标星固有特征的像素位置为观测输入，通过扩展卡尔曼滤波算法实现对目标星相对位置、相对速度、相对姿态、角速度、惯量比和特征位置等状态的估计。仿真结果表明,该方法能够很好地实现对未知非合作目标星的相对状态估计，姿态估计误差小于2°，位置估计误差小于0.1 m，特征点位置平均估计误差小于0.04 m。     

基于去偏转换测量卡尔曼滤波的目标脱靶方向角识别

研究了利用导引头天线测量的视线角速度分量进行目标脱靶方位识别的原理,推导了目标脱靶方向角与弹体坐标系下各方向上弹目距离和相对速度分量的关系表达式.将球坐标系下的导引头测量值转换到直角坐标系下并进行去偏处理,以直角坐标系下弹目距离、相对速度、加速度为状态变量,基于"当前"统计模型建立了自适应卡尔曼滤波方程组,利用前两点测量值估计了滤波初始状态,并用滤波值计算了目标脱靶方向角.仿真结果表明,该算法能很好地识别出目标脱靶方向角,且精度可以满足实战要求.