航天器自主交会对接的视觉相对导航方法

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1、2013年12月中国空间科学技术第6期ChineseSpaceScienceandTechnology航天器自主交会对接的视觉相对导航方法刘勇徐鹏徐世杰(1北京空间飞行器总体设计部，北京100094)(2北京航空航天大学，北京100191)摘要针对航天器自主交会对接在最终逼近阶段的相对导航问题，研究了基于特征光标的航天器视觉相对导航方法。首先建立了小角度假设条件下的相对导航模型。给出了航天器相对位置和采用欧拉角描述的相对姿态的近似解析算法。其次利用相对姿态的解析解作为观测信息，采用降阶的无迹卡尔曼滤波方法对目标航天器的姿态角和惯性角速度进行了估计，间

2、接得到了相对姿态和相对姿态角速度的估计值。数值仿真表明提出的解析算法能够有效获得相对位置和相对姿态测量信息，通过降阶滤波可明显提高相对姿态确定精度。关键词自主交会对接视觉相对导航相对姿态确定航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．06．0051引言航天器相对导航技术用于确定两个航天器之间的相对位置和相对姿态信息，相对导航是实现多个航天器编队飞行、航天器交会对接的前提和基础口]。对于合作目标而言，通过在交会对接的目标航天器上安装光学特征装置，主动航天器利用光学成像敏感器测量目标航天器上的特征光标，根据测量特征光标视线可

3、以确定航天器之间的相对位置和姿态，这种方法称为视觉相对导航技术]。视觉导航利用安装在目标航天器上的二维或三维分布的特征光标点_3]，通过测量和计算这些光标点在两个航天器本体系中的坐标向量，解算得到两个航天器之间的相对姿态和相对位置参数]。这种视觉导航系统的核心问题可归结为求解一个三元二次方程组，通常采用数值迭代的方法求解方程组，得到相对姿态和位置的数值解。数值迭代算法计算量大，且算法的稳定性和计算精度受迭代初始值影响较大。上述问题的解决方法是在目标航天器的特殊位置上安装特征光标，其目的是将求解三元二次方程组变换为求解一个一元四次方程。采用四元数描述相

4、对姿态，通过求解该一元四次方程能够得到相对姿态和相对位置的近似解析解E63。这种方法在求解一元四次方程时存在多值问题，并且该近似解析算法是基于比例正交投影近似假设的，即航天器之间的相对距离要远大于特征光标点相距目标航天器质心的距离，因此，该方法不适用于航天器交会的最终逼近和对接阶段。本文基于相对姿态角为小角度的假设，给出了一种视觉相对导航的近似解析算法，这种方法不受航天器之间的距离限制，适合于航天器交会对接的最终阶段。同时，由于利用视觉导航只能获得相对姿态角信息，缺少角速度测量信息，本文结合航天器的姿态动力学方程，给出了基于降阶无迹卡尔曼滤波(Uns

5、centedKalmanFiltering，UKF)的相对姿态确定算法，对目标航天器的姿态角和惯性角速度进行了估计，间接得到了相对姿态和相对姿态角速度的估计值。数值仿真验证了所提出算法的有效性。收稿日期：20120911。收修改稿Et期：2013-07—0834中国空间科学技术2013年12月2视觉导航方法]一兰薹23]L：+三]c图1像平面坐标系和相机坐标系位置关系图2相机坐标系和主动航天器本体坐标系位置关系Fig．1RelativegeometryoffocalplanFig，2Relativegeometryofcameraframeandfr

6、ameandcameraframemasterspacecraftbodyframe根据公式(1)，。Y。]可以由光学相机的直接测量值“和以及未知参数z-表示。为了得到参数r，即特征光标在相机坐标系轴上的投影值Y，在目标航天器上设置3个特征光标点s、S、s。，如图1所示。通过主动航天器上的光学相机测量得到3组测量参数EuW1]、Eu7d]、Eu。。]。用这3组测量参数以及未知参数r、r、r。，根据公式(1)，可以表示出3个特征光标在主动航天器本体坐标系下的坐标分量ExYz。]1、zzz]、rz。Y。。]。3个特征点之间的相对距离d、d。、d。是已知的

7、，利用式(1)，可以将3个生旦主国窒回兰垫特征点之间的相对距离函数转换成为关于r，、r、r。的方程组，通过数值迭代方法能够得到r、rz、r。的数值解，进而可以计算得到[-x。Y。z]、[-xzY、Ix。Y。。由此，可以确定固连于目标航天器本体坐标系的矢量r和在主动航天器本体系下的投影。由于矢量和在目标航天器本体系下的投影分量已知，因此可以利用双矢量定姿方法确定主动航天器和目标航天器本体坐标系之间的姿态转换关系，即相对姿态，得到由坐标系03CYz到0z．yz的坐标转换矩阵。视觉导航不仅可以确定航天器之间的相对姿态，同时也可以确定相对位置。定义主动航天器

8、本体坐标系原点0指向目标航天器本体坐标系原点0的矢量为r⋯则两个航天器之间的相对位置信息rct可由特征点S分