基于单目视觉航天器相对导航理论和算法的研究

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1、摘要基于单目视觉系统的航天器相对导航理论是航天器接近任务的一项关键技术，本学位论文结合国家安全重大基础研究项目：“微型航天器新概念、新机理研究”(课题编号：51312)的子课题“微型航天器自主生存的理论与方法研究”，对基于单目视觉系统的合作与非合作航天器相对位姿导航参数确定理论进行深入研究，具体工作如下：在综合分析各国提出的基于视觉空间目标监视、检测或逼近等演示验证任务的基础上，提出了基于单目视觉实现空间目标检测、定位、跟踪和运动控制诸功能的非合作航天器单目视觉相对导航系统方案。推导了在不同目标特征的可分辨约束下，单目

2、视觉测量系统的有效测量范围与目标特征的尺寸特征参数、视觉敏感器焦距和像素间距等之间的约束关系式，最后利用成像系统的角分辨率分析了视觉测量系统的测量精度，为航天器视觉系统的分析和设计提供必要的理论基础。针对合作航天器的单目视觉相对位姿导航参数确定任务，提出了四个特征光标非共面设置方案，基于该设置方案将相对位姿确定问题转化为像平面空间内的非线性优化问题，推导了合理的优化算法。为提高迭代算法的收敛速度，基于比例正交投影近似成像模型进一步给出了相对位姿导航参数确定解析算法，为迭代算法提供精确的迭代初值。针对非合作航天飞行任务中

3、无法在目标航天器上安装特定光标，提出了充分利用目标航天器自身的结构，将目标航天器简化为可观测特征的特征模型，实现基于特征的相对位姿导航参数确定方案。针对仅能利用目标航天器上的自然特征而产生粗大误差的问题，给出了采用随机化随机采样表决算法的相对位姿导航参数确定鲁棒算法。基于逆投影线思想，将迭代过程分解为深度恢复和最小二乘拟合两个阶段，推导出了相对位姿导航参数确定迭代算法，并给出了基于3特征点的解析算法，为迭代算法提供精确的迭代初值，最后基于POV-Ray和Matlab软件建立了单目视觉相对位姿导航参数确定的数学仿真系统，

4、并以哈尔滨工业大学牵头研制的“试验卫星⋯号”为目标航天器进行了数学仿真，验证了本文算法的鲁棒性和有效性。以带有单轴驱动太阳翼的航天器为非合作逼近目标的单目视觉相对位姿导航参数确定为主要研究内容，创新性地提出了充分利用目标航天器上丰富的自然特征信息，在共形几何代数框架内推导了多特征融合的相对位姿导航哈尔滨工业大学工学博士学位论文参数确定优化算法，基于Rosenhahn等人在共形几何代数框架内建立的Faugeras分层视觉，利用共形约束方程建立利用点、直线等特征的链状目标航天器相对位姿导航参数确定多特征融合数学模型，并利用

5、多矢量微分理论，基于几何优化理论推导了求解相对位姿导航参数的最优化算法。最后以美国的雷达成像照相侦察卫星“长曲棍球”(Lacrosse．4)为非合作目标航天器原型对该算法进行数学仿真验证，数学仿真结果表明文中提出的确定算法能够准确快速地确定相对位姿导航参数，能够满足航天任务应用要求，验证了算法的有效性。．关键词航天器；视觉导航；随机化RANSAC算法；共形几何代数几何优化．Ⅱ．AbstractMonocularvision-basednavigationforspacecraftisthekeytechnologyof

6、spacecraftproximityoperations．Thetheoryandalgorithmsofrelativepositionandattitudeparametersdeterminationbasedonmonocularvisionforcooperatedandnon-cooperatedspacecraftareinvestigatedinthisdissertat、ion，SupportedbytheMajorStateBasicResearchDevelopmentProgramofChin

7、a(973Program)--“Studyofnewconcept．newmechanismofsmallspacecraft'’(No．51312)．Themaincontentsofthisdissertationareconsistedofthefollowingparts：Firstly，thisdissertationsummarizedtheproposeddemonstrationmissionofvision—basedsystem，andinvestigatedtheschemeofmonocular

8、vision·basedrelativenavigationsystemfornon—cooperativespacecraft．Theanalyticalrelationshipsdescribingtheeffectivedistanceofsystemthatsatisfythedifierentopticalfeature