高轨失稳目标单载荷相对位姿测量方法

针对线阵扫描型激光雷达在探测高轨失稳目标过程中,发生时空非定常点云数据畸变,而需多载荷协同方式测量相对位姿问题,提出一种激光雷达同向差分扫描测量方法。该方法基于运动目标畸变点云信息瞬时拓扑结构不变性,首先对相邻两次扫描的畸变点云进行配准来获取目标运动增量、解算目标瞬时运动参数。其次,逐条恢复畸变扫描线点云所处目标真实几何位置、完成目标三维重建。然后以目标三维模型为初始位姿基准,通过设定增量次数阈值不断更新位姿基准实现误差自标定。最后通过叠加位姿增量获取目标相对位姿。该方法在缺失非合作目标先验信息的情况下,仅使用单一载荷,不仅实现了目标三维点云模型的重建,而且精确测量了空间非合作目标相对位姿。     

空间失稳目标线阵雷达成像机理及三维重建

利用线阵激光雷达载荷小、抗干扰能力强等优势,研究空间失稳目标动态测量技术。探究线阵激光雷达成像机理,建立空间失稳目标运动模型,提出基于双切片法的目标可测区域提取机制,实现线阵激光雷达对空间失稳目标的驻留观测扫描;以ICP(Iterative closest point)配准结果为先验信息,提出逆序重建方案,建立重建点云精度以及平均密度评价机制,分析数据冗余对重建精度的影响,采用采样降维的方法进行配准重建计算,提高重建结果精度;最后进行仿真实验检验分析,实验结果表明空间目标可测部位数据提取合理准确,数据输出频率可达 1 Hz ,重建结果满足任务指标要求,重建点云平均密度达到19 mm,重建点云精度达到90 mm,为地面验证及在轨应用提供数据支撑和参考。     

空间非合作目标未知构型重建质量评估方法

针对基于线阵激光雷达扫描重建获得的三维模型,因其构型未知,无法通过模型对比进行质量评估,本文着重研究未知构型的质量评估方法。首先,采用3σ优化的最小二乘法对空间非合作目标点云平面与直线进行拟合;其次,从点云密度、重建几何性质、表面完整度进行重建质量评估,再基于上述三种评估方法建立多因素综合评估数学模型,对三维重建结果进行满意度质量评估;最后通过仿真实验验证评估方法,获得多因素综合评估满意度为95.5889%,实验结果表明该评估方法合理且具有参考价值。该研究不仅能验证基于线阵激光雷达三维重建结果的精度,还为空间非合作目标未知构型质量评估提供一种新的研究思路。     

未知空间目标纹理缺失表面三维重建算法

针对传统三维重建方法难以对纹理缺失表面进行完整重建的问题，提出一种基于深度学习与截断符号距离函数(TSDF)融合的未知目标三维表面完整重建算法。首先设计一种基于深度学习的图像逐像素深度估计框架，通过在训练过程中引入多个复杂结构模型，提高该深度估计框架的泛化能力；其次，利用TSDF对各帧图像所估计的深度信息进行融合，实现对纹理缺失区域的空间目标完整三维重建。根据仿真校验，对于300 mm尺寸的卫星模型图像，像素深度估计平均误差约为13 mm，通过TSDF融合后尺寸精度误差小于5.10%。实验结果表明该算法可以对未知空间目标光学图像进行逐像素深度估计，并获得目标完整的三维结构与纹理信息，有效解决无纹理区域的重建结构缺失问题。     

地球同步轨道目标物深度学习检测方法

针对欧空局SpotGEO竞赛中地球同步轨道目标物的检测问题,提出面向低精度CCD空间图像的深度学习检测方法。在图像预处理环节,分别采用高斯过程回归和模板匹配实现前景/背景分割和多帧图像配准。根据地球同步轨道物体的运动特征,采用拓扑扫描提取候选目标物。在此基础上,提出一套基于深度学习的目标物筛选方法。该方法利用卷积神经网络,依次对拓扑扫描前后候选目标物进行筛选,显著减少噪声点数量,提高检测效率。仿真结果表明,该方法达到98%的目标检测准确率,适用于存在光污染、云层遮挡等干扰的复杂环境。     

SpaceMocap：在轨人体运动捕捉系统

SpaceMocap是一套基于多RGB-D相机的计算机视觉航天员运动捕捉系统。地面准备阶段，扫描航天员模型，并分别标定彩色相机的内参数。在轨采集阶段，3~4台相机布置在舱内角落，同步采集航天员任务视频。地面处理阶段，通过相机外参数标定和ICP方法实现点云融合，采用深度神经网络对人体关节点位置进行检测并初始化位姿参数，再用改进的ICP方法进行位姿求精，实现序列图像中关节角度跟踪。本系统搭载TG-2升空，对SZ-11航天员的任务视频进行了采集和处理，首次获取了在轨航天员的姿态(包括中性体位)、占位空间、运动参数等重要数据。结果表明，运动捕捉的模型与点云具有良好的重合度，关节点位置与关节角度具有较高的跟踪精度。SpaceMocap是我国首个在轨运动捕捉系统，它小型、轻质，具有计算机视觉特有的非接触测量、直观、高精度优势，无需在人体上粘贴任何标志，具有良好的抗遮挡能力，完全适用于微重力、狭小空间环境下的在轨应用 。     

太空非合作遥感卫星三维重建点云的平面滤波方法

受太空环境光照条件弱、卫星高速运动、卫星表面纹理匮乏等因素的影响,太空非合作遥感卫星的三维重建点云中往往会存在大量噪声,给太空非合作目标的准确探测带来了非常不利的影响。文章以非合作遥感卫星的形状特征作为先验知识,提出一种三维重建点云的平面滤波方法。针对点云噪声的不同特点,首先利用统计分析滤波方法消除离群离散点噪声;其次,利用改进的区域生长聚类方法,分割出点云模型中的平面结构与离群点簇噪声;然后,分别用RANSAC算法和最小二乘法对平面结构进行滤波,并将平面结构附近的噪声点垂直投影至平面内,去除模型表面噪声。实验结果表明,该优化方法可以有效去除非合作遥感卫星三维重建点云中的大部分噪声,得到卫星平面结构的光滑点云数据。     

用于图像定位与配准的扫描辐射计扫描镜热变形模型研究

以某卫星扫描成像辐射计为研究对象,建立了扫描镜的热变形模型,并对模型进行了简化。模型应用结果表明,扫描镜镜面与扫描镜转轴需采用热特性接近的材料,通过增强仪器结构在Y向的刚度,能提高热变形模型的精度。用该模型获得的扫描镜热变形运动补偿(TMC)精度可满足卫星的使用要求。     

一种宽范围非合作目标中频角跟踪接收机的设计与实现

为实现对非合作星间目标信号的捕获跟踪,提出了一种基于单通道单脉冲跟踪技术的非合作目标中频角跟踪接收机软硬件设计方案。硬件平台设计方案结合了FPGA与DSP在算法处理上的优势,涵盖高速ADC设计、系统时钟设计等。针对非合作星间目标信号的特征,提出了不同调制体制、不同码速率的非合作宽带数据传输信号的检测识别、角误差信号提取与分离方案,涵盖数字预处理、数字信道化、信道判决、信号检测估计、角误差信号提取等处理环节。系统捕获跟踪试验结果表明该非合作目标角跟踪接收机可以完成对多种调制体制(BPSK、QPSK、SQPSK等载波相位调制)、不同码速率(1kbps～300Mbps)的非合作宽带数据传输信号的角误差信号提取与分离,载频估计精度优于100kHz,码速率估计精度优于100kbps。本系统可实现对非合作目标信号的有效跟踪,为开展非合作目标角跟踪接收机的工程化研究奠定了扎实基础。     

基于点云的空间非合作目标初始相对位姿获取

针对空间非合作目标相对位姿解算对点云迭代最近点(ICP)算法迭代初值要求较高，易产生误匹配等问题，提出了一种基于点云分割与点云关键点的ICP初始迭代位姿获取方法。首先，考虑到非合作目标可能具有的高度对称外观，基于LCCP点云分割算法与点云Harris关键点，在已知目标外轮廓点云基础上，设计了点云ICP初始迭代位姿获取方法。该方法具体流程为：点云降采样处理与关键部分提取、关键部分点云多角度预变换处理、最佳点云匹配及初始迭代位姿获取。最后，以某通信卫星模型搭建虚拟验证平台，使用本文提出的方法给出ICP迭代初始位姿并进行对比实验。结果表明，本文提出的点云ICP迭代初始位姿获取方法可有效规避非合作目标高度对称带来的误匹配，可给出较精确的相对位姿。     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

GEO非合作目标超近距相对位姿视觉测量

提出一种基于几何特征综合匹配的双目超近距相对位姿视觉测量方法。首先,将失效卫星的矩形太阳帆板作为几何特征,采用综合匹配方法实现了双目图像的高精度匹配,随后基于几何特征指标参数判别和ROI检测方法,实现了卫星太阳帆板特征点组的识别与提取,在此基础上,进一步建立了目标坐标系,通过三维重建完成了超近距阶段失效卫星的相对位姿高精度解算。最后建立了高精度双目视觉超近距相对测量实验系统,结合所提出的综合匹配算法和相对位姿解算方法,完成了动态非合作目标的相对位姿测量实验,实验结果说明所提出的方法具有较好的实时性和较高的精度。     

空间机械臂视觉相机内参标定技术研究

针对空间机械臂视觉相机的任务需求与配置,内参标定技术是相机高精度获取合作目标位置、方向等运动信息的首要前提和重要保障。文章设计了一种基于二维平面靶的机械臂相机内参标定方法,用于解算焦距、主点坐标、畸变系数等。首先,利用相机拍摄多幅平面靶图像,求解平面靶与相机图像之间的映射矩阵;其次,构建相机内参约束方程;再次,利用特征值分解,解算焦距、主点坐标等参数值;最后,引入径向、切向畸变构建非线性模型,将解得的内参作为初值,利用Levenberg-Marquardt优化算法即可计算出相机内参最优解。试验结果表明,该方法完全适用于机械臂相机内参标定,标定结果均满足机械臂视觉相机获取合作目标三维位姿的测量精度要求。     

空间目标双基地ISAR一维距离像速度补偿方法

空间目标的高速运动会造成双基地ISAR一维距离像的畸变,针对此问题,研究了相应的速度估计与补偿方法。基于中频直接采样匹配滤波非相参双基地ISAR成像系统,首先研究了高速运动对双基地ISAR成像的影响,其次利用雷达基带回波具有的稀疏性,构造出与高速运动目标回波特性相匹配的冗余基并对其进行稀疏分解,然后据此估计出回波的调频斜率,进而估计出目标的无模糊速度,最后构造补偿相位项完成对宽带回波的速度补偿。算法补偿精度高,且无测速模糊,空间目标理想散点的仿真实验验证了补偿方法的有效性。     

空间光电跟踪系统闭环全物理仿真试验技术

为验证空间光电跟踪系统与卫星平台耦合作用下的跟踪性能,提出空间光电跟踪系统全物理仿真试验方法。利用三轴气浮台模拟卫星零重力下的自由转动,在地面实现了非合作目标闭环跟踪控制和空间动力学特性的综合模拟。采用基于整星姿态动力学的重力干扰力矩辨识方法,消除转动部件重力干扰对试验的影响,实现对系统跟踪脱靶量的精确评估。试验结果表明,空间光电跟踪系统针对非合作目标的跟踪脱靶量优于0.006°（3σ）,满足系统在轨应用需求。但在对高速目标跟踪过程中,跟踪脱靶量存在一定的相位滞后,控制方案需进一步优化。