基于立体视觉的非合作航天器相对导航

非合作航天器其没有可交互的传感器,传统的相对导航方法难以满足精度要求。根据非合作航天器相对导航特点,提出一种基于立体视觉的空间非合作目标相对导航算法。方法使用安装在追踪航天器上的立体视觉相机作为测量传感器,实现目标在追踪航天器体坐标系下相对位置的测量。在惯性坐标系下建立航天器相对运动方程,并离散化作为系统的状态方程,利用立体视觉的测量信息作为量测值,在此基础上设计基于卡尔曼滤波(Kalman filter)的两步滤波相对导航算法,实现航天器间相对导航状态的实时估计,仿真结果显示算法实时性、有效性,导航方法收敛速度较快,精度高,满足相对导航要求。     

接近非合作目标的部分状态反馈姿轨联合控制

飞行器在轨精度跟踪优化问题,根据在轨服务任务需求,针对非合作翻滚目标航天器的自主接近跟踪问题,首先从采用视线坐标系表示的轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数表示的姿态动力学方程出发,建立了航天器六自由度类拉格朗日动力学方程;然后仅利用相对位置和相对姿态反馈信息并针对航天器惯性参数不确定性,采用自适应非线性输出反馈控制和神经网络逼近控制方法设计了姿轨联合控制器,并通过Lyapunov直接法证明了该闭环系统的全局渐进稳定性;最后通过仿真验证了采用的方法能够实现对非合作目标的精确跟踪.     

卫星编队飞行相对轨道的确定

卫星之间相对轨道的确定对于多颗卫星编队飞行的控制和任务是十分重要的，结合空间圆形的编队飞行星座，本文给出了描述卫星近距离运动的C-W方程，讨论了空间圆形的编队卫星星座的构成，进而设定了利用激光仪测量星间位置矢量，并设计了Kalman滤波器来实现相对轨道的确定，分析和仿真结果表明，Kalman滤波器能够有效提高相对位置确定精度并给出相对速度的高精度估计。     

编队飞行卫星自主相对定轨研究

卫星编队飞行相对轨道自主确定作为实现队形保持和控制的前提,是编队任务必须解决的关键技术问题.根据C-W方程的解析解描述编队卫星间的相对运动规律,选取星间距离信息与方位信息作为观测量,针对卫星编队飞行自主导航系统对精确性和实时性的要求,用超球面分布采样点变换(Spherical Simplex Unscented Transformation,SSUT)和Unscented卡尔曼滤波(UKF)相结合,提出了SSUT的UKF(SSUKF)导航滤波算法.由于SSUT减少了采样点个数,在保证滤波精度和标准UKF相当的条件下减轻了计算负担,完成了卫星编队相对轨道状态的自主确定,并结合仿真的轨道数据和测量数据进行了仿真,仿真结果说明实现了卫星编队优化的有效性和实时性.     

空间非合作目标在轨主/被动融合跟踪方法

针对空间远距离非合作目标的点目标跟踪问题,研究基于非地面测控数据支持的远距离空间目标的在轨主/被动融合跟踪方法。包括运用基于被动传感器以及雷达间歇辅助测距跟踪的Unscented卡尔曼滤波(UKF)方法,得到非合作目标的运动状态信息,即利用光学跟踪摄像机的二维角度量测值及雷达间歇提供的距离量测值,估计目标的惯性位置与速度方法,为后续自主空间操作建立初始轨道状态数据。仿真结果表明,当状态误差和量测噪声改变时,UKF均能持续跟踪远距离非合作目标,使得雷达间歇提供的距离信息可以得到更好的跟踪精度。     

基于星间求差的单频GPS自差分方法

为了提高单频GPS单点定位精度,提出一种基于星间求差的GPS自差分方法。利用测站在已知点的观测数据,通过对不同卫星的观测方程进行求差,消去接收机钟差,获得星间差分改正值,代入后续历元来提高单频GPS的定位精度,从而实现类似差分的定位效果。试验结果表明:这种自差分方法在一定时间内可以实现亚米级的定位精度,能够满足中等精度测量的要求。     

编队飞行卫星高精度自主相对定轨研究

设计了一种应用于卫星编队的自主相对轨道确定方案,不同于目前广泛采用的C-W方程,采用了包含摄动影响的相对运动方程的解析表达式描述编队飞行。利用星间距离信息和方位信息作为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器实现环绕卫星相对轨道的自主确定,仿真结果表明定轨精度比采用C-W方程提高一个数量级,验证了这种导航方案的有效性。     

翻滚目标逼近的虚拟域逆动力学轨迹规划

针对追踪星自主逼近和跟踪翻滚目标特定部位的最优规划问题,提出了一种基于虚拟域逆动力学的多约束最优逼近轨迹规划方法.首先,在翻滚目标本体系下建立追踪星相对于翻滚目标特定部位的相对轨道动力学方程,并建立追踪星本体系相对于翻滚目标期望固连坐标系的相对姿态动力学方程;其次,考虑目标星外形、敏感器视场和执行机构控制能力等约束条件,建立时间/能量最优规划模型;然后,采用序列二次规划(sequential quadratic programming,SQP)方法求解时间/能量最优规划问题;最后,数值仿真验证了该方法在满足多约束条件下,可实现对翻滚目标自主逼近与跟踪的最优轨迹规划,同时与高斯伪谱法进行了对比,验证了本方法在计算效率方面的优势.     

主从式编队卫星相对导航方法研究

编队卫星间精确的相对位置和速度信息的获取直接影响主从式编队卫星任务的完成.针对传统的集中式滤波算法在实时性和可靠性上的不足,提出利用联邦滤波算法对差分GPS和微波雷达信息进行融合,获得了满足编队任务要求的星间相对导航信息.其中差分GPS导航信息根据主从卫星的GPS测量信息获得;微波雷达通过测量卫星间的相对距离和角度来估算相对位置和速度.仿真结果表明,联邦滤波算法结合了差分GPS和微波雷达的优点,克服单一导航设备可能出现大误差的缺点,有效提高了测量精度,对主从式编队卫星完成飞行任务具有重要意义.     

基于Cesium的空间目标观测三维可视化平台

为满足测站对空间目标的跟踪测量需求, 针对现有的空间目标观测软件在三维可视化、跨平台能力和操作易用性等方面的不足, 设计开发了基于Cesium的空间目标观测三维可视化平台. 介绍了软件开发框架, 利用两行轨道根数(TLE)和最新的简化常规摄动模型4 (SGP4)进行轨道预报, 结合空间坐标系转换, 实现了空间目标的轨道计算、实时位置动态显示和测站可见性分析的平台功能, 并通过卫星工具包(STK)对平台计算结果进行了验证.应用结果表明, 该可视化软件操作使用方便, 具有良好的跨平台性能, 计算结果满足精度要求, 为软件设计开发的可视化与实用性相结合提供了有益探索.     

地球J_2摄动下卫星编队飞行自主相对定轨研究

卫星编队飞行自主相对定轨作为实现编队队形保持和控制的前提,是编队任务必须解决的关键技术之一.设计了一种应用于卫星编队的自主相对轨道确定方案,不同于目前广泛采用的C-W方程,采用了包含摄动影响的相对运动方程的解析表达式描述编队飞行,使得模型的精度有了很大提高.利用星间距离信息和方位信息作为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器实现环绕星相对轨道的自主确定,仿真结果表明使用本方案得到的定轨精度比采用C-W方程提高一个数量级,验证了这种导航方案的有效性,为实现编队飞行卫星高精度自主相对定轨提供了一个有效的方案.     

用相对差分GPS技术确定绕飞轨道

本文对各种GPS相对差分技术进行了研究,提出了利用Kalman滤波确定高动态情况下载波相位载周数的方法。对用GPS相对位置差分、GPS相对伪距差分、GPS相对载波相位差分确定绕飞轨道进行了初步仿真。     

椭圆轨道编队飞行的典型模态与构型保持控制方法

本文首先基于T—H方程推导了椭圆参考轨道编队飞行的周期性条件，讨论了椭圆参考轨道卫星编队飞行的典型模态，该模态是圆形参考轨道空间圆形模态的推广。然后论述了二阶带谐项(J2项)摄动对编队飞行构型保持的影响。最后，基于相平面法提出了一种编队飞行构型保持控制方法，该控制方法不是消极的抵消干扰的影响，而是积极的利用干扰的作用达到节约燃料并精确保持构型的目的。仿真表明，采用该控制方法可对椭圆参考轨道卫星编队构型进行有效的保持，卫星的相对位置保持精度可达到厘米量级。     

逼近与跟踪空间翻滚目标的图像视觉伺服控制

在空间翻滚目标的最终逼近与跟踪任务段,追踪星对目标星的视觉相对导航会因进入盲区而失效,而基于间接相对导航的位置视觉伺服控制精度太差.针对该问题,基于图像视觉伺服思想,直接利用目标图像特征点坐标,建立了超近距离姿轨跟踪的成像运动模型,推导得到指数收敛的图像视觉伺服期望广义速度、相对位置估计修正量,进而引入基于双滑模面控制律的相对姿轨耦合控制闭环,从而提出了间接估计辅助的图像视觉伺服控制方法.数学仿真结果表明:该方法的相对位置和姿态控制精度显著提高,可为空间翻滚目标最终逼近与跟踪任务提供安全、准确、稳定的相对姿态和轨道条件.     

大气阻力摄动下平均轨道根数在轨实时确定方法

为了满足卫星长期自主运行的任务需求, 本文同时考虑了大气阻力摄动和非球形摄动带谐项两种摄动对卫星平均轨道根数的影响, 提出了采用滤波算法在轨实时估计平均轨道根数的方法. 基于指数大气密度模型推导了大气阻力摄动下平均轨道根数的变化率, 分析了非球形带谐项摄动势函数对平均轨道根数的影响并推导了该影响下平均轨道根数变化率的通用计算方法, 由此建立了滤波状态方程以及以瞬时轨道根数为观测量的量测方程并分析了测量噪声特性; 为减小计算量以便于在轨实现,提出采用基于球形单边Sigma采样的平方根UKF (Unscented Kalman filter)滤波来估计平均轨道根数. 数值仿真结果表明, 该算法有效、精度较高且鲁棒性好, 能够满足卫星长期自主在轨实时计算平均轨道根数的要求.     

考虑星间测量的航天器自主导航并行滤波器

针对基于星间测量的航天器自主导航问题,本文考虑测量中存在野值的情况,提出了一种轨道根数辅助估计的并行无迹卡尔曼滤波算法.系统由两个并行滤波器组成,通过副滤波器的状态估计识别观测野值,进而在主滤波器中修正导航定位结果.文章选择了星间相对观测两卫星编队的基本构型,研究了算法的阈值参数选择,对不同参数条件下的滤波结果进行了对比.数值仿真说明了该算法在观测量变化率较大时能够有效降低连续野值对自主导航系统的影响,和传统算法相比具有更高的滤波精度和收敛速度.     

基于结构光的星箭对接环相对位姿测量方法

空间非合作目标位姿测量是空间在轨维护的前提。面向空间机械手对空间载体自动抓捕的应用需求，提出了基于结构光的空间非合作目标视觉测量方法。该方法以双套双线结构光测量装置作为测量传感器，以空间载体上普遍存在的星箭对接环作为抓捕目标。根据对接环的共同特点，选择直线特征和点特征相结合作为相对位姿的求解特征；基于直线特征求解圆环平面法向量，基于点特征求解圆环圆心坐标，进而得到机械手工具坐标系与对接环坐标系间的相对位姿关系；基于多重几何约束实现了不同光照条件下图像上目标直线的鲁棒识别。建立了演示验证实验系统，在大量演示实验的基础上，进行了实验结果分析。     

基于惯性椭圆拟合的小目标姿态测量方法

视觉测量方法在飞行器姿态测量中被广泛应用,然而远距离飞行目标成像纹理缺失会使传统光测手段应用受限。对测量中采用的追踪手段、图像分割技术以及测量方法进行研究,提出一种改进的小目标姿态测量方法。利用高速相机拍摄目标,通过跟踪算法对运动目标进行框选,使用非面积极大区域抑制法分割目标,计算目标图像的惯性椭圆从而实现目标姿态测量。实验结果表明,在仿真情况、低复杂度及高复杂度的真实拍摄场景下,该方法的误差分别低于0.233°、0.307°及0.325°,基本满足导弹等小目标的姿态测量精度需求,测量结果稳定可靠,能够有效降低人工判读的工作量。     

卫星编队相对动力学方程数值解法

随着卫星技术的迅速发展,编队飞行技术得到了广泛的应用,而相对动力学数学精确模型是卫星编队飞行首先要解决的问题.为了保证卫星飞行保持稳定轨道,按Hill方程的圆轨道编队设计方法应用于椭圆轨道编队设计中,分析了相对动力学方程的精确模型.在满足椭圆轨道编队周期性运动的一般性初始化条件基础上,采用椭圆轨道编队相对动力学方程中周期解的要求,提出了一种新的数值解法.通过仿真,利用STK仿真工具,得到主从卫星的相对位置变化曲线,并对误差进行了分析,进而验证了方法的有效性和可行性.     

基于背景差分检测和改进GM-PHD滤波器的多目标跟踪

在多目标跟踪过程中,遮挡和漏检容易引起目标标签错乱和丢失,造成跟踪失败。针对该问题,提出一种基于混合高斯-概率假设密度(GM-PHD)滤波器的改进跟踪方法。使用背景差分检测获得二值图像映射和测量集,以外观为基础的探测器检测目标外观,将背景差分获得的测量集与外观检测器获得的测量集进行融合,利用改进的GM-PHD滤波器保持目标跟踪轨迹,并处理目标跟踪中的一些不确定性因素。实验结果表明,与GM-PHD方法、颜色外观方法和SMC-PHD方法相比,该方法能获得较好的跟踪精度。