无速度测量下的航天器安全接近位姿一体化控制

针对考虑位姿耦合的非合作航天器交会对接场景,在没有速度测量情况下为了同时解决安全约束、模型不确定性、执行器故障和输入饱和问题,提出一种基于容积卡尔曼滤波算法(CKF)的自主安全接近方法。首先基于容积卡尔曼滤波器和扩张状态观测器(ESO)分别估计目标航天器的位姿信息和相对速度信息;然后通过将一种新颖的安全包络与人工势函数(APF)结合设计自适应滑模控制器,并设计非奇异辅助系统对执行器故障和输入饱和带来的影响进行集中处理。提出的控制策略在不违反安全约束情况下,能在固定时间内实现位置接近和姿态同步。通过李雅普诺夫方法可以保证闭环系统固定时间稳定。仿真结果表明,所提控制方法具有较高的精度和良好干扰抑制能力。     

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。     

改进PointNetLK的点云智能配准与位姿图优化方法

针对空间在轨服务任务中的非合作目标相对位姿测量问题,提出一种目标可测部位点云的智能配准方法。首先,通过Straight Through滤波算法对半物理仿真平台采集得到的点云进行目标提取,以消除背景数据等杂乱信息;其次,改进PointNetLK神经网络点云配准算法,将提取后的点云数据作为输入,从而获得初步配准结果,解决非合作目标先验信息缺失导致的无法配准问题;最后,建立基于位姿图的优化模型,以降低配准误差,提高配准精度。实验结果表明,与传统迭代最近点(ICP)算法相比,配准综合误差从6.3598降低到1.7291,精度提高约 72.81% 单次耗时从33.16 s降低到4.2 s,效率提升约87.33%,与当前SM ICP等其他算法相比,也具有一定的优势。     

基于对偶四元数的航天器交会对接位姿双目视觉测量算法

针对航天器交会对接中位姿参数的测量问题,突破传统的位姿计算态分而治之的模式,采用双目视觉技术和对偶四元数这一数学工具,建立了追踪航天器与目标航天器间相对位姿参数的统一描述模型.该模型与传统的欧拉角和四元数的描述方法完全不同,具有非常简洁统一的形式.同时,针对该对偶四元数模型,给出其两步解析算法,解算出两航天器间的相对位置和姿态参数.仿真结果表明该算法能够满足航天器位姿参数的测量要求,并且具有较强的稳定性,对航天器的在轨实时应用具有重要参考价值.     

结合极化自注意力机制的空间目标位姿估计

利用深度学习强大的特征提取能力和残差网络的捷径反馈机制,设计了端对端的图像位姿估计方法。该方法提高网络特征的学习能力,将Polarized Self-Attention注意力模块嵌入到残差网络ResNet-50中,对空间目标图像中的空间信息进行了增强。由于空间目标的位置和姿态信息相互独立,将其分为两个不同的网络结构分支通过回归分别得到两者的信息。其中,在姿态信息回归分支中,对姿态信息进行软分配编码,相比直接回归有效减少了姿态误差。最后在URSO空间目标图像数据集上进行了实验验证,所提算法对空间目标位姿估计取得了更好的估计结果。     

空间翻滚非合作目标相对位姿估计的视觉SLAM方法

针对空间翻滚非合作目标相对位姿测量中目标先验信息缺失和模型不确定问题,将移动机器人视觉同步定位与建图（SLAM）贝叶斯滤波估计模型推广到非合作目标相对位姿测量中,提出一种基于视觉SLAM的翻滚非合作目标相对位姿估计方法。首先,构建了相对位姿估计的贝叶斯滤波状态转移模型和量测更新模型。其次,为避免平动噪声协方差过大导致滤波性能下降的问题,对状态转移方程进行优化,采用最小二乘估计方法预测位置参数。最后,采用一种联合无损卡尔曼滤波和粒子滤波的贝叶斯滤波方法实现了目标全部位姿参数的快速平滑估计。基于计算机合成图像数据和真实图像序列的仿真实验表明：提出的方法具有较优的速度和精度,且对目标速度变化、特征提取和数据关联误差等具有较好的鲁棒性。     

一种参数化非合作目标相对位姿和惯量估计方法

针对故障卫星、失效航天器、空间碎片等空间非合作目标无先验模型,且无法直接获得其角速度及惯量参数等问题,提出一种参数化非合作目标相对位姿和惯量参数估计方法。首先,基于自由航天器姿态动力学模型,用反双曲正切函数来描述含两个独立变量的惯量参数,建立非合作目标角速度传播模型方程;基于立体视觉测量模型,建立非合作目标上若干特征点的量测方程。然后,结合Clohessy-Wiltshire方程描述的航天器间相对运动学模型,以非合作目标的相对位置、相对线速度、相对姿态、惯性角速度及惯量参数为状态量,设计扩展卡尔曼滤波器以估计各状态量。最后,进行不同场景的数值仿真验证。蒙特卡洛仿真结果表明,所设计的滤波器在不同噪声水平下能够高精度地有效估计出非合作目标的相对位姿和惯量参数。     

基于立体视觉的航天器相对位姿测量方法与仿真研究

空间目标的相对位姿测量,是进行交会对接、绕飞监测、编队飞行等的前提.提出了基于立体视觉的方法,包括图像滤波、分割、连通区域标记、3D重建、相对位姿计算等步骤.并建立了仿真系统,该系统基于VC环境,将追踪星、日标星的3D几何模型、姿态动力学模型、相对轨道动力学模型、控制器/执行机构的数学模型,以及立体相机的成像与采集模型集成一体,可进行全闭环的仿真.仿真结果验证了算法的有效性.     

基于点云的空间非合作目标位姿测量方法研究

针对模型未知的空间非合作目标的位姿测量问题,提出了基于低成本固态激光雷达的点云配准方法。算法首先根据空间目标的特点,提取平面点与边缘点作为匹配特征点;接着,提出了基于迭代匹配与自回环的位姿求解方案,解决了位姿优化中误匹配与误差累计问题;最后,在气浮台半实物实验校验中,算法解决了固态激光雷达单线收发、不规则采样的问题,实现了实时鲁棒的位姿跟踪,同时降低了跟踪过程中累计误差,测量精度优于现有算法,能够满足对非合作目标相对位姿测量的任务需要。     

对空间碎片的相对位姿估计

针对几何、质量特性参数均未知的空间碎片,提出一种基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的相对位姿估计算法。该算法以单目相机获得的目标图像特征视线信息作为测量输入,以目标姿态、姿态角速度、惯量比、相对位置、相对速度和特征位置作为滤波状态。对算法进行可观性分析,给出两个可以保证算法可观性的条件。分别针对不同条件进行数值仿真,仿真结果表明新算法能够对几何和质量参数未知的空间碎片进行有效的相对位姿 估计。     

联合EKF和EKPF的空间非合作目标单目位姿估计

针对微小卫星自主抵近任务中模型未知的非合作目标的相对位姿估计难题,提出一种联合扩展卡尔曼滤波EKF和扩展卡尔曼粒子滤波EKPF的非合作目标的单目位姿估计方法。以任务星相机坐标系为参考,构建非合作目标的相对运动模型。以目标图像中的特征点坐标为观测值,构建非合作目标测量方程。对相对位姿和特征点三维坐标进行初始化后,利用扩展卡尔曼粒子滤波估计目标相对位姿,利用扩展卡尔曼滤波估计特征点三维坐标。使用OpenGL生成非合作目标空间图像进行仿真验证,结果表明本文提出的非合作目标单目位姿估计方法可获得较高精度的位姿估计,且具有较好的鲁棒性。相比已有方法,本文方法不需要初始位姿假设,且能够有效减小计算时间,提高位姿估计效率。     

基于对偶四元数的航天器交会对接位姿视觉测量算法

根据光学测量基本原理建立双目视觉测量模型,提出基于双目视觉的航天器间相对位姿 的测量方法。利用对偶四元数,建立目标航天器的坐标系和追踪航天器上的摄像机坐标 系之间的关系,构造出航天器交会对接位姿误差模型,通过使用拉格朗日求极值的方法,解 算出航天器间的相对位置和姿态。仿真结果表明该算法有效,能够满足航天器交会对接的测 控要求。     

单目-无扫描3D激光雷达融合的非合作目标相对位姿估计

针对传统的利用单一视觉传感器难以实现复杂非合作空间操控导航的问题,提出一种基于单目相机与无扫描三维激光雷达融合的非合作目标相对位姿估计方法。首先,设计了基于成像几何关系的单目纹理-非扫描距离图像的快速配准与融合方法;之后,在构建目标同步定位与建图（SLAM）贝叶斯滤波模型基础上,提出一种扩展卡尔曼滤波-无损卡尔曼滤波-粒子滤波联合的滤波估计算法,可实现尺度模糊下相对位姿的快速鲁棒估计;其次,针对估计中的尺度模糊问题,提出基于融合图像的全局尺度系数确定方法,将尺度系数估计问题转化为简单线性滤波问题。基于OpenGL生成的2D/3D图像实验表明：所提出的方法具有较优的精度和鲁棒性;相对位置估计误差与尺度估计误差相关,二者近似成线性正比关系。     

基于深度学习的组合体航天器模型预测控制

利用模型预测算法先预测控制结果后控制的类人行为特点,借助深度学习在多参数寻优上的优势,提出了一种基于卷积神经网络的模型预测控制算法,满足航天工程低硬件需求,实现组合航天器多场景下姿态控制律的重构。该算法首先利用模型预测控制将组合航天器从初始状态控制到预期状态,然后将控制过程中状态量用于3层3核卷积神经网络的训练,训练完成后,用该卷积神经网络代替模型预测对组合航天器进行控制,从而降低计算资源需求。仿真校验表明：该算法可预测5个控制周期内的控制参数,相比传统模型预测算法所需硬件计算时间降低约5倍,在一般硬件环境下30 s内即可完成各场景下的组合航天器姿态控制,控制精度在10 -4 量级。     

基于点云深度学习的对称结构空间目标相对位姿测量

针对对称结构空间目标相对位姿解算过程中点云误匹配带来的误差问题,提出一种基于点云深度学习的对称结构空间目标相对位姿测量方法。首先设计空间目标点云特征提取网络及关键点回归网络,将位姿测量问题转换为空间目标点云关键点回归问题,通过两个并行的回归网络分别输出空间目标平移向量和具有固定标签的目标点云三维边界框角点;其次利用具有连续稳定标签的角点求解目标姿态,可有效解决目标的对称结构导致的点云误配准问题;最后通过仿真数据集的实验表明,该方法相比于传统的点云配准方法有更高的准确率,能够精确求解具有对称结构的空间目标相对位姿。     

基于高斯过程回归的组合体航天器姿态接管学习控制

空间非合作目标一般具有结构复杂、质量特性未知、姿态机动能力不明等特点,这导致组合体航天器姿态动力学呈现出高度非线性和强耦合特性,且难以对其进行在轨精确辨识。针对组合体航天器姿态接管过程中目标信息不完全、精确辨识困难等问题,本文考虑目标存在姿态机动能力的任务场景,提出了一种基于稀疏高斯过程回归(GPR)的数据驱动姿态接管控制策略。首先,从系统运行数据中提取、凝炼模型未知部分的输入/输出映射关系,构建数据驱动的概率化模型以代替无法快速准确建立的参数辨识模型,并根据该数据驱动模型设计变增益反馈控制策略,证明了系统状态概率意义上的Lyapunov稳定性和有界性;其次,考虑到在轨任务的实时性、星载计算机的计算资源有限等因素,该算法可在保证控制精度的同时显著减轻学习算法的计算压力;最后,数值仿真验证了本文所提出控制方法的有效性与实用价值。     

空间非合作目标燃料最优终端接近策略研究

针对一类姿轨控制系统失效的目标航天器实施空间救援等在轨服务任务。要求追踪航 天器跟踪到达指定目标点,对目标航天器进行在轨捕获,建立了目标航天器在空间自由翻滚 情况下追踪航天器跟踪目标点的动力学模型,并建立了安全无碰撞的燃料最优终端接近模型 。数学仿真表明,当初始条件合适时,燃料最优终端接近轨迹自然满足安全性要求。
     

基于液相污染模型的航天器交会对接羽流污染研究

航天器交会对接任务一般由主动对接方和被动目标配合完成,交会对接飞行的主动寻的段和分离撤离段均可能出现主动对接方开启反向发动机进行反向紧急制动和撤离的情况,该情况下被动目标可能受到来自主动方反向发动机羽流污染影响。文章利用国际空间站羽流污染计算模型对交会对接任务羽流污染沉积进行了分析计算。     

四十年空间交会对接技术的发展

空间交会对接问世至今,已经有40年历史,在轨成功实现交会对接约300多次。文章首先从技术发展角度分析研究40年来交会对接过去和现在的技术水平、空间活动典型事例;其次讨论在轨服务技术和分析常用7种交会对接敏感器的总体性能,并作相互比较;最后讨论未来交会对接技术发展趋势。