星载观测平台的视线误差分析

为分析星载观测平台各项误差源对视线测量精度的影响,研究了一种基于多参量的视线测量误差建模与评价方法.不同于以往卫星、相机的空间测量方式,针对卫星、转台、相机的观测结构,构建了从惯性空间到光学传感器像平面的目标成像模型及星载观测平台视线测量模型.通过推导星载观测平台视线测量误差与观测中13项误差源的关系,提出一种基于灵敏度分析的误差评价方法,并在三个轴向上分析了各项误差源对星载观测平台视线测量精度的影响.利用蒙特卡罗仿真试验验证了理论模型的有效性.结果表明,卫星轨道误差、卫星姿态误差、载荷平台角振动误差、内外框架转动误差、像平面目标像点的位置量化误差是影响星载观测平台视线测量精度的主要因素.该方法能够科学评估各项误差源对星载观测平台视线测量精度的影响,对星载观测平台的总体设计具有重要的应用价值.      

基于单目三维重构的空间非合作目标相对测量

为了解决非合作目标的相对测量问题,提出了一种基于单目图像序列目标重构结果的非合作目标相对位姿测量方法。该方法将目标的三维重构与相机的位姿信息计算相结合,首先利用观测前期得到的图像序列,通过非线性优化算法计算得到目标上部分三维点坐标;然后基于该三维点集合,建立递推深度模型,对相机的相对位姿信息和新观测到的目标点同时进行卡尔曼滤波估计。航拍测量试验表明,随着图片数量的增多,精确重构点的比例（重投影误差小于1个像素的点）不断提高,80%的图像中精确重构点比例优于89%;基于公共数据集的试验表明,该算法对姿态估算精度可达1°以内,位置测量的精度可达到2cm以内。以上试验结果表明,该算法具有较高的测量精度。     

一种敏捷卫星积分时间计算方法

敏捷卫星成像过程中姿态变化灵活,积分时间变化剧烈,传统卫星积分时间计算模型已无法满足精度要求。因此,提出一种改进的积分时间计算模型,在星地斜距计算和摄影点地速计算两方面作了改进。星地斜距计算时利用地表数字高程模型修正理论的斜距值,摄影点地速计算中增加姿态角速度对卫星本体坐标系角速度矢量的影响,并设计了整个算法在星上数管分系统中的实现方案。最后在星载嵌入式环境下进行了仿真计算,并与地面仿真计算结果进行了比对分析。两者比对偏差在0.01‰以内,可以满足相机成像质量要求。     

基于等效焦面的离轴遥感相机积分时间计算方法

目前在轨和在研的光学遥感卫星大都搭载的是离轴遥感相机,为了保证视轴正对星下点成像,相机需要整体俯仰一定角度补偿离轴角,这样就导致相机的焦平面无法平行于星下点水平面进行推扫成像,相机的积分时间计算不准确。针对以上问题,提出一种基于等效焦面的高精度积分时间计算方法,该方法构建与星下点水平面平行的等效焦面,通过建立严密的几何关系,求出真正电荷转移时间对应的像元尺寸,从而得到准确的积分时间。仿真试验表明,该方法可以将积分时间计算精度提高1.2%,为卫星在轨提高成像质量提供有效手段。     

一种基于时间-矢量模型的InSAR测高分析方法

针对编队飞行InSAR卫星系统状态参数所具有的"时变性"、"立体性"特征,提出了一种基于时间—矢量分析的InSAR测高模型,开发了计算仿真程序。对单个飞行周期内地面目标的绝对高程精度与系统状态参数之间的关系进行了详细分析。由于地面绝对高程信息重建基于矢量分析,提出了使用矩阵表示系统状态参数误差传播系数的分析方法,分析揭示出随着编队飞行卫星轨道构形的不断变化所导致的绝对高程精度的变化规律。分析结果为系统关键技术分解提供了理论依据。     

聚焦光场成像三维粒子场重建方法

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。     

敏捷卫星立体定位角元素影响分析

为精确开展敏捷卫星效能评估,合理制定机动能力及其测量部件指标,首先针对敏捷卫星利用平台大角度姿态机动,以单线阵CCD相机实现立体成像的特点,分析了单线阵与三线阵立体定位角元素影响差异。其次建立了敏捷卫星立体定位精度评估模型,进行了内、外方位元素与角元素相关性分析,给出了各误差近似解析算法。解析分析定量给出了满足定位精度要求时敏捷卫星立体成像角方位元素及其测量精度指标的取值范围。     

星载观测平台的视线测量误差分配

面向光学卫星观测平台的视线测量精度需求,研究了一种基于区间分析理论的误差分配方法.基于先进的卫星、转台、相机结构,建立了惯性系下空间相机与目标间的视线矢量测量模型及测量误差模型.根据区间分析理论,给出了误差灵敏度的评价方法.根据星载观测平台的工作空间,得到了各项误差源在三个轴向上的全域最大灵敏度.以全域最大灵敏度为权重系数,建立了星载观测平台视线测量的误差分配模型,通过遗传算法将13项误差源的可行区间松弛致最大.Monte Carlo仿真验证了该误差分配方法的有效性,该方法也同样适用于机载、车载等观测平台的误差分配研究.     

MEMS陀螺随机漂移在线补偿技术

为了提高微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)陀螺测量的精度,提出了一种陀螺随机漂移的在线补偿方法.在静态时在线建立随机漂移的自回归滑动平均(ARMA,Auto Regressive Moving Average)模型,并针对随机漂移模型随时间慢变的特性,引入虚拟噪声补偿技术加以补偿.针对载体运动状况的未知性,建立机动角速率模型.在此基础上采用自适应卡尔曼滤波技术对随机漂移和角速率进行实时估计.通过试验表明:随机漂移模型、角速率模型以及滤波算法能够满足姿态测量系统的动态应用需要,且姿态测量精度较补偿前有了显著的提高.     

一种基于基准优选的双目视觉位置解算方法

针对近距离空间非合作目标相对位姿测量任务需求,基于双目视觉原理建立了特征点位置测量模型与误差分析模型,分析了特征点位置解算奇异及奇异点附近位置解算误差过大的问题,提出了一种采用异面光轴配置和基准优选策略的双目视觉特征点位置解算方法。该方法通过错角安装相机光轴防止特征点在两个相机基准下进行位置解算时同时发生奇异,针对不同基准在测量域内误差分布的差异,建立了基准优选策略和相应的面向特定测量域的基准优选指标确定方法,从而获得了高精度测量结果。仿真结果表明,采用所提出的方法解决了特征点位置解算奇异问题,提高了测量域内特征点位置测量精度。     

基于单目视觉的三维重构相机技术研究

针对飞行器执行在轨服务获取空间多维图像的需求，提出了基于单目视觉的三维重构相机技术，利用基于亮度法体素着色原理实现空间目标的三维重构。搭建地面试验，设计模拟圆轨道和椭圆轨道多种试验，验证了在200 m范围内伴飞状态下,实现对目标的高分辨率三维重构图像，重构精度为0.105 m，为识别空间目标特征部位奠定技术基础。     

基于平面靶标的多视点云对齐方法

在大型物体三维视觉测量中,多视点云的对齐是其关键技术之一.设计了一种带有多个间距已知的角点作为特征点的平面靶标.靶标置于视觉传感器在2个不同位置测量的公共区域,2次测得特征点三维坐标.用靶标上任意3个非共线特征点的三维坐标建立单位正交基,从而求得多视点云坐标系初始变换矩阵.以初始对齐后的对应特征点之间距离平方和建立目标函数,并引入距离控制来增加约束条件,以3点求得的坐标变换矩阵为初值,采用Levenberg-Marquardt优化方法解出最优的坐标变换矩阵.采用双目视觉传感器对一石膏像在2个位置进行了测量,实验结果表明该对齐方法简单可靠,优化后的对齐精度比优化前提高了约31%.      

光栅式双目立体视觉传感器光条快速匹配算法

光栅式双目立体视觉传感器用于物体三维形貌测量,其难点之一是光栅光条的匹配与识别.利用可见光条数和光条序列组合间的关系,提出了一种基于空间三维搜索的快速光条匹配算法.将光栅式双目立体视觉传感器看作两个光栅结构光传感器,分别进行标定后,可计算各光条中心点的三维坐标.搜索不同光条中心点集之间的距离最小且模型编号相同的光条即为匹配光条.分析了可见光条数目和光条序列组合间的关系后,列出各种可能的组合情况,设计了搜索算法,排除了冗余计算,大大减少了计算量,实验证明了方法的有效性.     

一种改进的投影装置标定方法

摘要： 提出双目结构光三维测量系统中投影装置参数标定的一种改进方法.利用投影装置将格雷码图案投向若干待测场景,两个相机拍摄和解码同样数量的待测场景照片,采用三角形准则恢复标定角点在空间中的位置,仿照相机标定解算的方法获得投影装置标定参数.该方法优势在于不需要特定的标定平面或者标定靶标,可在测量过程中直接对投影装置标定,也可在预标定之后在测量过程中对投影装置参数进行更新.试验验证方法的正确性和有效性.     

基于结构光的空间大目标特征重构与位姿测量

针对因缺少空间非合作大目标的全局特征而难以实现相对位姿测量的问题,提出利用点状光源与单目光学相机组成点结构光视觉测量系统进行特征重构与位姿测量的方法。以非合作大目标上尺寸未知的局部矩形特征为测量对象,首先建立点结构光视觉测量系统相对位姿测量模型;接着利用相对约束关系给出特征重构方法并获得隐性特征点;然后利用特征点计算测量系统与非合作大目标之间的相对转移矩阵得到相对位置和姿态。通过数字仿真校验该方法的有效性并对测量误差因素进行分析,仿真结果表明该测量方法是有效的。     

基于视觉测量的太阳翼模态参数在轨辨识

针对传统接触式振动测量方法的缺点,提出一种基于视觉测量的太阳翼模态参数在轨辨识方法.具体过程包括相机标定、标志点检测、三维坐标解算和模态辨识等.利用两台相机和一台计算机构成的双目立体视觉测量系统进行了地面试验,测量得到了太阳翼测点处的振动位移响应,然后采用ERA算法辨识出了真实太阳翼的两阶主要模态参数.通过与激光测振仪测量结果进行比较,验证了上述方案的有效性.实验表明,视觉测量方法设备简单,灵活性高,是一种理想的在轨振动测量方法.     

基于单幅立式标靶图像的单目深度信息提取

针对在智能车中车载单目视觉系统已经检测到路面障碍物的情况下,计算障碍物相对于本车的距离问题,提出了一种仅利用单幅标靶图像且无需相机内部参数的图像深度信息提取方法．该方法利用一种放置于相机前方的立式标靶,建立图像纵坐标像素与实际成像角度之间的映射关系,结合投影几何模型实现实时深度信息的提取．依据立式标靶图像的特点,设计了包括标靶图像感兴趣区设置、模板匹配、候选点聚类、筛选及精确定位等处理的亚像素级角点检测及定位算法．实验结果显示,该方法具有较高的测量精度及实时性．相对于在路面摆放参照物的方法,该方法无需大标定场地且规避了数据拟合引起的误差．同时该方法标定只需一幅图像,过程简单,便于实际应用．      

一种地标点修正的高精度双目视觉导航方法

自主导航技术是无人机、智能机器人以及智能车辆等技术领域中的一项关键技术。为了克服传统视觉导航方法存在的不足,以摄像机自运动估计为理论基础,提出了一种使用地标点修正的高精度双目视觉导航方法。该方法从连续图像序列的帧间变化中提取摄像机自运动信息,再通过速度、角速度积分求得载体的位置姿态等参数。同时,通过引入地标点提供的绝对定位信息,进一步提高了长时间导航的精度。将地标点绝对定位与双目视觉相对定位相结合,并对双目视觉量测噪声建模和解相关,抑制了单纯使用双目视觉长时间导航时误差的积累发散。仿真结果表明此方法具有精度高、自主性强、导航信息完备等优点。     

遗传算法在星座多星接近轨道优化中的应用

以三颗非共轨的Walker星座卫星为研究对象, 对航天器无需变轨与其接近的可能性进行研究. 将Lambert方法得到的航天器轨道作为初始轨道, 利用遗传算法对初始轨道进行优化. 对初始轨道在参考时刻位置和速度的改变量进行编码,形成对应的种群. 以航天器与星座卫星之间的最近距离为适应度函数, 通过种群的繁殖得到优化结果. 结合仿真算例, 分析了最小二乘算法和遗传算法在轨道优化中的优劣以及接近过程中轨道摄动的影响. 结果表明, 遗传算法适用于所提出的轨道改进问题. 研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星接近问题提供理论依据.