基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法技術

本發明專利技術提供了基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，實施非合作目標在軌任務對相對導航的快速性、高精度和高可靠性有較高要求，特別是當主動航天器不借助地面操作、自主完成對非合作目標的相對導航及制導與控制時尤為重要。本發明專利技術克服現有非合作目標相對導航運動參數估計方法的不足，采用序列距離圖像作為輸入，通過體單元對圖像進行空間離散化處理，結合非合作目標動力學方程進行卡爾曼濾波，克服了特征識別方法的局限性，提高了估計精度和效率，降低了數據處理量。

Relative Navigation Motion Estimation of Non-cooperative Targets Based on Sequential Images

The present invention provides a relative navigation motion estimation method for non-cooperative targets based on sequence images, which requires high speed, high precision and high reliability of relative navigation for non-cooperative targets on-orbit mission, especially when active spacecraft completes relative navigation and guidance for non-cooperative targets independently without ground operation. Control is particularly important. The method overcomes the shortcomings of the existing methods for estimating the relative navigation motion parameters of non-cooperative targets, uses the sequence distance image as input, carries out spatial discretization processing of the image through volume units, and carries out Kalman filtering combined with the non-cooperative target dynamic equation, overcomes the limitations of the feature recognition method, and improves the estimation precision. Degree and efficiency reduce the amount of data processing.

【技術實現步驟摘要】
基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法
本專利技術屬于航天器相對導航領域，尤其涉及一種空間非合作目標相對導航運動估計方法。
技術介紹
隨著航天任務的發展，在軌服務和空間操作任務不僅面向空間合作目標，也將面向空間非合作目標開展。空間非合作目標指在軌失效衛星、大型空間碎片等物體。和合作目標最大區別就是空間非合作目標通常沒有能力進行信息輸出。因此，準確掌握空間非合作目標的運動狀態和慣性參數是成功對非合作目標進行服務和操作的關鍵和難點。因為空間非合作目標的運動狀態和慣性參數既不能事先得到，也不能通過地面的探測器得到，因此必須在軌通過主動航天器遙測估計其參數值，即采用相對導航運動估計。因為非合作目標不能設置觀測標志，目前一般采用辨識提取并觀測非合作目標上特征點方法來估計非合作目標的相對導航參數。觀測特征點方法指通過觀測非合作目標上固定的如角、邊、點等特征，識別出非合作目標相對于主動航天器的運動參數。測量特征點方法優點是計算量小，速度快但也存在一定不足：(1)觀測精度依賴于非合作目標的特征的性質和觀測條件；(2)通過部分特征得到的數據量有限，當非合作目標的幾何特征不明顯時在軌實時處理難度就會很大。實施非合作目標在軌任務對相對導航的快速性、高精度和高可靠性有較高要求，特別是當主動航天器不借助地面操作、自主完成對非合作目標的相對導航及制導與控制時尤為重要。因此，需要發展一種快速可靠高精度的空間非合作目標相對導航運動參數估計方法。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，解決當前對空間非合作目標相對導航運動參數估計方法在可靠性、分析計算速度和高精度方面不足的問題。本專利技術所采用的技術方案是：基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，包括步驟如下：步驟一，在主動航天器上建立參考坐標系OXYZ；使用主動航天器上敏感器對空間非合作目標進行連續觀測，得到非合作目標相對于主動航天器的時域空間相關距離圖像；每幅距離圖像包括N個數據點；N為正整數；步驟二，根據敏感器在主動航天器上的安裝矩陣，將距離圖像通過位置變換和姿態轉換矩陣變換為在參考坐標系OXYZ內的距離圖像；步驟三，將所有敏感器同一采樣時刻的非合作目標相對于主動航天器的時域空間相關距離圖像合成一幅圖像，得到每個采樣時刻非合作目標表面三維幾何數據點云圖；步驟四，將每個采樣時刻非合作目標表面三維幾何數據點云圖使用體單元進行空間離散處理，得到由體單元組成的非合作目標三維圖；步驟五，依據步驟四結果計算每個采樣時刻的非合作目標三維圖的幾何中心位置向量；步驟六，計算得到每個采樣時刻的非合作目標三維圖的幾何慣性矩陣；步驟七，步驟六得到的每個采樣時刻的幾何慣性矩陣進行對角化計算，得到非合作目標三維圖的幾何主軸坐標系OmXmYmZm；步驟八，對所有時刻的步驟五及步驟七的結果進行卡爾曼濾波，獲得非合作目標相對于主動航天器的相對導航運動參數。所述步驟四的具體步驟為：(1)將每個采樣時刻的非合作目標表面三維幾何數據點云圖所在的觀測空間劃分為體單元；(2)檢測云圖內數據點坐標和體單元坐標關系，得到每個體單元包含的數據點個數。所述步驟五中非合作目標三維圖的幾何中心位置向量式中，ni是第i個體單元包含的數據點個數，是第i個體單元在參考坐標系OXYZ里的坐標位置向量，q為非合作目標三維圖中體單元的數量。所述步驟六中每個采樣時刻的非合作目標三維圖的幾何慣性矩陣其中，幾何慣性矩陣[J]中各元素分別為：式中，表示向量在參考坐標系OXYZ的X、Y、Z參考坐標軸的分量，表示向量在參考坐標系OXYZ的X、Y、Z參考坐標軸的分量。所述步驟七中每個采樣時刻非合作目標三維圖的幾何主軸坐標系OmXmYmZm由對每個采樣時刻非合作目標三維圖的幾何慣性矩陣進行對角化求解特征值和特征向量得到，具體為：[J]＝[Rm]·[Je]·[Rm]T；式中，[Je]為[J]的對角特征值矩陣，[Rm]為從參考坐標系OXYZ向幾何主軸坐標系OmXmYmZm的轉換矩陣。所述步驟八的具體步驟如下：步驟8.1：采用歐拉四元素方法列出非合作目標的剛體姿態動力學方程為：式中，為從參考坐標系OXYZ轉換到非合作目標的慣性主軸坐標系ObXbYbZb的歐拉四元素參數向量；為幾何主軸坐標系OmXmYmZm轉換到慣性主軸坐標系ObXbYbZb的歐拉四元素參數向量；為非合作目標的主慣量向量，I1，I2，I3分別為主慣量向量在慣性主軸坐標系ObXbYbZb下三軸的分量；為慣性主軸坐標系ObXbYbZb的角速度；幾何主軸坐標系OmXmYmZm和慣性主軸坐標系ObXbYbZb之間的姿態轉換關系式為：式中，為從參考坐標系OXYZ轉換到幾何主軸坐標系OmXmYmZm的歐拉四元素參數向量，由[Rm]計算得到；給出非合作目標質心坐標系ObXbYbZb的原點Ob相對于參考坐標系OXYZ的運動學方程如下：式中，為非合作目標質心坐標系ObXbYbZb的原點Ob在參考坐標系OXYZ中速度，為非合作目標質心坐標系ObXbYbZb的原點Ob在參考坐標系OXYZ系中的位置矢量；給出原點Ob在參考坐標系OXYZ中的位置矢量與幾何中心位置向量的關系式如下：式中，為歐拉四元素對應的姿態轉換矩陣；為位置矢量和幾何中心位置向量之間的誤差偏移量；步驟8.2：使用卡爾曼濾波方法對公式(i)～公式(iv)組成的非線性方程組進行狀態估計，得到非合作目標相對于主動航天器的相對導航運動參數：和本專利技術與現有技術相比的優點在于：(1)本專利技術采用序列距離圖像作為相對導航測量輸入，并通過體單元對圖像進行空間離散化處理，這樣既克服了特征識別方法的局限性，有效提高估計精度，同時又降低了數據處理量，進一步提高了計算效率。(2)本專利技術提出的一整套基于序列圖像進行非合作目標運動估計實施流程，通用性好，可應用于在軌實時自主進行相對導航運動估計，適用于多種非合作目標。(3)本專利技術充分利用了空間運動物體的動力學狀態可以準確建模，并且多個主動航天器上安裝一組敏感器可以得到多視角的目標信息。附圖說明圖1為本專利技術的基于序列圖像的空間非合作目標相對導航運動估計方法流程圖。圖2為本專利技術的非合作目標上幾何主軸參考坐標系和慣性主軸參考坐標系關系示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術進行進一步說明。本專利技術實施例為采用激光測距雷達得到空間非合作目標的一系列距離圖像，以此為輸入數據得到非合作目標相對于主動航天器的相對導航運動參數。如圖1所示，基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，包括步驟如下：步驟一，在主動航天器上建立參考坐標系OXYZ；使用主動航天器上激光測距敏感器對空間非合作目標進行觀測，敏感器數量為k個。在觀測時間段內，敏感器觀測采樣總次數為p次，采樣時刻為第ts秒測量一次。ts＝s·T(1)其中，s＝0,1,2,...p，T為采樣時間間隔。p,k為正整數；在每個采樣時刻，k個敏感器共得到非合作目標相對于主動航天器的k幅距離圖像。在觀測時間段內共得到(p·k)幅距離圖像。這樣就得到了非合作目標相對于主動航天器的時域空間相關距離圖像。每幅距離圖像共包括N個數據點，N為正整數；。參考坐標系OXYZ的定義為：坐標原點O為主動航天器星箭對接面中心，X軸垂直于星箭對接面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，其特征在于，包括步驟如下：步驟一，在主動航天器上建立參考坐標系OXYZ；使用主動航天器上敏感器對空間非合作目標進行連續觀測，得到非合作目標相對于主動航天器的時域空間相關距離圖像；每幅距離圖像包括N個數據點；N為正整數；步驟二，根據敏感器在主動航天器上的安裝矩陣，將距離圖像通過位置變換和姿態轉換矩陣變換為在參考坐標系OXYZ內的距離圖像；步驟三，將所有敏感器同一采樣時刻的非合作目標相對于主動航天器的時域空間相關距離圖像合成一幅圖像，得到每個采樣時刻非合作目標表面三維幾何數據點云圖；步驟四，將每個采樣時刻非合作目標表面三維幾何數據點云圖使用體單元進行空間離散處理，得到由體單元組成的非合作目標三維圖；步驟五，依據步驟四結果計算每個采樣時刻的非合作目標三維圖的幾何中心位置向量

【技術特征摘要】
1.基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，其特征在于，包括步驟如下：步驟一，在主動航天器上建立參考坐標系OXYZ；使用主動航天器上敏感器對空間非合作目標進行連續觀測，得到非合作目標相對于主動航天器的時域空間相關距離圖像；每幅距離圖像包括N個數據點；N為正整數；步驟二，根據敏感器在主動航天器上的安裝矩陣，將距離圖像通過位置變換和姿態轉換矩陣變換為在參考坐標系OXYZ內的距離圖像；步驟三，將所有敏感器同一采樣時刻的非合作目標相對于主動航天器的時域空間相關距離圖像合成一幅圖像，得到每個采樣時刻非合作目標表面三維幾何數據點云圖；步驟四，將每個采樣時刻非合作目標表面三維幾何數據點云圖使用體單元進行空間離散處理，得到由體單元組成的非合作目標三維圖；步驟五，依據步驟四結果計算每個采樣時刻的非合作目標三維圖的幾何中心位置向量步驟六，計算得到每個采樣時刻的非合作目標三維圖的幾何慣性矩陣；步驟七，步驟六得到的每個采樣時刻的幾何慣性矩陣進行對角化計算，得到非合作目標三維圖的幾何主軸坐標系OmXmYmZm；步驟八，對所有時刻的步驟五及步驟七的結果進行卡爾曼濾波，獲得非合作目標相對于主動航天器的相對導航運動參數。2.根據權利要求1所述的基于序列圖像的空間非合作目標相對導航運動估計方法，其特征在于，所述步驟四的具體步驟為：(1)將每個采樣時刻的非合作目標表面三維幾何數據點云圖所在的觀測空間劃分為體單元；(2)檢測云圖內數據點坐標和體單元坐標關系，得到每個體單元包含的數據點個數。3.根據權利要求1或2所述的基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，其特征在于，所述步驟五中非合作目標三維圖的幾何中心位置向量式中，ni是第i個體單元包含的數據點個數，是第i個體單元在參考坐標系OXYZ里的坐標位置向量，q為非合作目標三維圖中體單元的數量。4.根據權利要求1或2所述的基于序列圖像的非合作目標相對導航運動估計方法，其特征在于，所述步驟六中每個采樣時刻的非合作目標三維圖的幾何慣性矩陣其中，幾何慣性矩陣[J]中各元素分別為：式中，表示向量在參考坐標系OXY...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張志娟，王大軼，關曉東，宮偉偉，葛東明，高珊，鄭世貴，史紀鑫，王澤宇，
申請(專利權)人：北京空間飛行器總體設計部，
類型：發明
國別省市：北京,11