航天器交会对接位姿测量最优估计
航天器自主交会对接的高精度目标定位方法
航天器自主交会对接的高精度目标定位方法张莹瑾;秦世引;胡晓惠【期刊名称】《宇航学报》【年(卷),期】2014(035)012【摘要】根据航天器自主式交会对接的实际应用背景和技术需求,针对交会对接过程中所要求的高精度、实时性和强抗扰的技术指标,在合作目标特性分析的基础上,将高斯曲面拟合与双线性插值相结合,提出了一种高精度的合作目标定位方法.首先根据目标图像的灰度分布进行双线性插值和高斯曲面拟合,在此过程中可同时利用目标原有像素和插值点的亚像素信息,使拟合曲面各幅值点的坐标精度达到亚像素级,以确定目标的中心位置.仿真图像和实拍图像的试验结果表明,此定位方法具有亚像素级的定位精度,其总体定位误差可达到1/20个像素左右,并能满足实时性要求,可以在航天器交会对接与空间遥操作等方面的应用中发挥重要作用.【总页数】7页(P1430-1436)【作者】张莹瑾;秦世引;胡晓惠【作者单位】北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】V19【相关文献】1.基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法研究 [J], 姚荣斌;丁尚文;李生权;范兵;李强2.航天器自主交会对接的视觉相对导航方法 [J], 刘勇;徐鹏;徐世杰3.航天器交会对接中测量靶标的两种设计方法 [J], 王保丰;李广云;陈继华;唐歌实;于志坚4.GPS差分相对定位应用于航天器自主交会对接的研究 [J], 范利涛;吴杰;汤国建5.GPS动态相对导航用于航天器交会对接的研究及其OTF解算方法 [J], 刘广军;曾纪斌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
航天器交会对接位姿视觉测量迭代算法
航天器交会对接位姿视觉测量迭代算法
曹喜滨;张世杰
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
【年(卷),期】2005(037)008
【摘要】针对航天器交会对接过程中利用单目视觉进行相对位姿参数确定问题,利利用由目标航天器上4个非共面设置的特征光标点和追踪航天器上单个CCD相机组成的交会对接航天器单目视觉测量系统,推导了交会对接航天器间相对位姿参数测量的迭代算法.将相对位姿参数求解问题转化为非线性优化问题,在目标航天器像平面空间内推导优化目标函数,利用Levenberg-Marquardt算法求解该非线性优化问题,并选择一解析算法以快速求解迭代初值.仿真结果表明算法的有效性和可靠性,能够满足交会对接航天器测量精度要求.
【总页数】4页(P1123-1126)
【作者】曹喜滨;张世杰
【作者单位】哈尔滨工业大学,卫星技术研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,卫星技术研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】V556.5
【相关文献】
1.基于视觉信息的航天器位姿估计迭代算法 [J], 岳晓奎;武媛媛;吴侃之
2.基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法研究 [J], 姚荣斌;丁尚文;李生权;
范兵;李强
3.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 [J], 钱萍;王惠南
4.基于三目视觉测量的航天器交会对接相对位姿确定算法 [J], 钱萍;王惠南
5.基于对偶四元数的航天器交会对接位姿视觉测量算法 [J], 丁尚文;王惠南;刘海颖;冯成涛
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飞行器交会对接相对位置和姿态的估值方法
飞行器交会对接相对位置和姿态的估值方法
费蔚春
【期刊名称】《中国空间科学技术》
【年(卷),期】2004(024)003
【摘要】在飞行器的交会对接过程中,应用计算机视觉系统作为精确传感设备,测量飞行器相对于固定在空间站的坐标系的三维位置和方向,为导航和控制回路提供需要的反馈信息.文中研究了由计算机视觉系统采集的二维图像信息估计飞船相对于空间站的位置和姿态的方法;提出了光点检测光线拟合算法,并给出数字仿真结果.【总页数】6页(P1-6)
【作者】费蔚春
【作者单位】北京目标与环境特性研究所,北京100854
【正文语种】中文
【中图分类】V4
【相关文献】
1.空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法 [J], 江刚武;龚辉;王净;姜挺
2.运用计算机视觉对空间飞行器交会对接中的位置和姿态的测量 [J], 蔡喜平;戴永江
3.基于气浮台的交会对接相对姿态和位置控制 [J], 黄成;王岩;陈兴林
4.飞行器交会对接相对位置和姿态的估计方法 [J], 费蔚春
5.航天器交会对接口相对姿态和相对位置的测量 [J], 颜飞翔;蔡宣平
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交会对接中雷达测量信息的最优估计
交会对接中雷达测量信息的最优估计本文旨在介绍交会对接中雷达测量信息的最优估计方法，它是一种高精度的位置测量技术，可在以下几个方面发挥重要作用：自动化技术、机械系统与机电系统的精确定位、精确焊接技术和精细测量技术。
交会对接中使用的雷达测量信息能提供精确的三维矢量距离。
此外，它还能够用于距离估计、物体位置确定、场景模型建立以及跟踪和估计目标状态。
雷达测量信息提供的精确估计值可以显著提高机械系统的精度和性能，也可以减少精确焊接过程中可能出现的误差。
交会对接PIV（位置鉴定视觉）技术也可以用于位置估计。
在PIV （位置鉴定视觉）技术中，它使用了多种不同的图形识别算法，例如卷积神经网络和深度学习等，以获得更准确的位置估计信息。
此外，它还能够测量板材、管材和框架的大小等信息，以达到精确的定位和重建目标的能力。
交会对接中雷达测量信息的最优估计针对某些空间中的结构较为复杂的物体，例如多体运动系统或者机械结构，在提供准确的数据前提下，采用一组变换矩阵，进行完整的最优估计。
采用这种方法，可以让整个系统在更小的误差范围内运行，以达到精确测量要求。
首先，确定空间中位置关系的变换矩阵，采用最小二乘法进行最小二乘估计，假设测量误差是均匀分布的，用它来表示雷达测量信息，可以进行最优估计。
接着，构建最小二乘法估计的均方误差误差函数，找到最优估计的解决方案，最终确定准确的位置变换矩阵，从而得到最优估计的雷达测量信息。
最后，利用获得的最优估计结果，进行定位估计。
通过使用高精度的算法更新参考位姿，进而得到精确的定位结果，从而达到高精度位置估计的要求。
总之，利用交会对接中的雷达测量信息的最优估计，可以提高系统的精度和性能，从而获得更准确的三维矢量距离，同时可减少误差，提供准确的定位估计。
空间交会对接测量技术的发展
空间交会对接测量技术的发展
马婷婷;魏晨曦
【期刊名称】《中国航天》
【年(卷),期】2004(000)007
【摘要】空阔交会对接是多种航天高技术的集成．涉及到很多高技术领域。
从控
制观点来说．交会对接涉及到追踪航天器进行最多具有六个自由度的轨道和姿态控制问题。
要想成功实现对接．必须精确测量两个航天器之间的相对位置与相对姿态。
尤其是在最后逼近段．位置与姿态测量的精确与否将直接影响对接过程的成败。
所以．交会对接测量系统就成为—个非常关键的组成部分。
从20世纪80年代以来．用于空间交会对接的测量敏感器及测量方法．一直是各国研究的重点。
【总页数】5页(P30-34)
【作者】马婷婷;魏晨曦
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】V4
【相关文献】
1.美国空间交会对接测量技术发展研究 [J], 崔潇潇
2.空间交会对接技术的发展 [J], 博引
3.四十年空间交会对接技术的发展 [J], 林来兴
4.空间交会对接技术及其发展趋势 [J], 周前祥;连顺国
5.发展历程空间交会对接的 [J], 林来兴
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TG01／SZ08交会对接轨道确定与预报精度分析
飞行器 测控 学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎａ ｌ ｏ ｆ Ｓｐ ａ ｃ ｅ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ ＴＴ＆ Ｃ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖｏ Ｌ ３２ Ｎ Ｏ． ２
Ａ／ Ｓ Ｚ Ｏ ８交会 对 接 轨 道确 定 与 预 报精 度 分 析
摘 要 ： 以我 国首 次 空 间 交会 对 接 为 背 景 ， 介 绍 了 交 会 对 接 任 务 轨 道 计 算 和 预 报 的 新 特 点 。针 对 ＴＧ ０ １ （ “ 天 宫 一 号” 目标 飞行 器） 调 相 控 制 期 间 的 中长 期 轨 道 预报 问题 ， 分 析 了影 响 预 报 精 度 的 多种 因素 ， 定 量 给 出 了偏 航 飞 行 姿 态对 轨 道 预 报 的影 响 ， 通过 对 不 同 策 略预 报 结 果 的 比 较 ， 制 定 了轨 道 预 报 的 最优 策略 ； 针对 Ｓ Ｚ ０ ８ （ “ 神 舟 八 号” 飞船） 远 距 离 导 引期 间 的短 弧 定 轨 ， 采用适应短弧情况下的定轨策略 ， 分 别 利 用 ３圈 、 ６圈 地 基 统 一 Ｓ频 段 和 中继 卫 星 数
ｆ ｏ ｒ Ｔ Ｇ ０ １ ／ Ｓ Ｚ ０ ８ Ｒｅ ｎ ｄ ｅ ｚ ｖ ｏ ｕ ｓ ａ ｎ ｄ Ｄ ｏ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ
ＬＩ Ｘｉ ｅ ，ＴＡＮＧ Ｇｅ ｓ ｈ ｉ ，Ｚ Ｈ ＡＮＧ Ｙｕ ，ＸＩ Ｅ Ｊ ｉ ａ ｎ ｆ ｅ ｎ ｇ ，ＬＩ Ｃｕ ｉ ｌ ａ ｎ 一，
ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ Ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｎ ｇ ｔ ｅ ｒ ｍ ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｉ ｏ ｄ ｏ ｆ ｐ ｈ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｎ ｅ ｕ
空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法
在 两个 空 间 飞行 器 进 行 交会 对接 的最 后 阶段 ， 通 常采用 光学 成像 敏感 器来测 量跟 踪 飞行器 和 目标 飞行 器 之间 的相对 位置 和姿态 。在 目标 飞行 器上 布 设和 安 装 光 学 特 征 点 ， 跟 踪 飞 行 器 上 安 装 面 阵 在 Ｃ Ｄ传感 器 ， Ｃ 光学 特征 点 的几 何形 状 、 尺寸 和位置 已 知 ， 过对 特征 点在 Ｃ Ｄ上 成 像 的分 析 和计 算 就 可 通 Ｃ
１ 测 量 原 理
模型 的线性 化公 式 ） － 其 必然 存 在 一定 的模 型误 ［ ， ２
差 。一 般认 为迭 代 算 法 是解 决 问题 的 良好 途 径 ， 但 迭代算 法 的稳定 性 和 可靠 性 相 对 较 低 ， 如这 类 算 法 对初值 依赖性 高 ， 良的 初 始值 会 导 致 算 法不 收敛 不 从 而得 不到 正确 的测量 值 。 现 有 文献 提 出的方 案 均 有一 个 假 设前 提 ， 即相
收 稿 １ ：０６０ ．９ 修 回 １期 ：０６０ ． ３期 ２０ －６０ ； ３ ２０ －９３ ０
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１ ６
宇 航 学 报
第 ２ 卷 ８
图 ２ 像 平 面坐 标 系 与 相 机 主 点
况 ， 出 了一 种 单 Ｃ Ｄ在 轨 自检 校 光学 测 量 方 案 ， 主 要 特 点是 飞行 器 在 执行 测 量 任务 时 ， 同 时 进 行 相 机 内 参 数 提 Ｃ 其 可 的 自检 校 。首 先 根 据 严 格 的 中 心 投 影 共 线 条 件 方 程 ， 导 出 目标 飞 行 器 光 学 特 征 点 坐 标 和 对 应 的像 点 坐 标 与 内参 推
数 及 相 对 位 置 和 姿 态 的 严 格 解 析 关 系 ； 后 建 立 了 内 参 数 及 相 对 位 置 和 姿 态 的解 析 表 达 式 ； 出 了 目标 航 天 器 上 然 提
空间交会对接测量技术的研究
空间交会对接测量技术的研究作者：杨至楷来源：《中国新通信》 2018年第23期一、引言空间交会对接技术分为交会和对接两个部分。
“交会”表示两个航天器在预定时间内达到同一空间位置；“对接”指的是两个航天器接近并通过特定装置连接，构成一个组合体。
两个航天器间的各项参数的精确测量是实现空间交会对接的关键技术。
测量技术经过半个世纪的发展，其精确性和可靠性有了长足进步。
应用的测量系统主要有微波雷达、激光雷达、光学成像敏感器、GPS/ 相对GPS(RGPS) 导航定位系统等。
本文在综述空间交会对接技术国内外发展现状的基础上，重点论述了空间交会对接的测量技术，并展望了交会对接测量技术的发展趋势。
二、空间交会对接技术概述在空间交会对接的两个航天器中，一个称为目标飞行器，是准备对接的目标，它既可以是空间站、空间实验室等大型航天器，也可以是空间中失控或出现故障的航天器；另一个称为追踪飞行器，是地面发射的载人/ 货运飞船、航天飞机等，是与目标飞行器对接的对象。
追踪飞行器从发射入轨到最后与目标飞行器完成交会对接，整个过程大致可分为地面导引、自动寻的、最后逼近、对接合拢四个阶段。
空间交会对接任务的基本组成框图如图1 所示。
2.1 空间交会对接的关键技术空间交会对接的关键技术主要包括跟踪测量技术、姿态和轨道控制技术、对接机构技术和地面测量与控制等4 大技术。
2.1.1 跟踪测量技术跟踪测量技术是指两个航天器在空间交会对接时，依靠器载敏感设备对两个航天器的相对姿态、相对位置与相对速度进行精确测量的技术。
跟踪测量技术是实现对接的基础，测量的精确与否对于对接成败起着至关重要的作用。
2.1.2 姿态和轨道控制技术姿态控制技术是指通过飞轮或喷气控制，确保目标飞行器与追踪飞行器实现稳定飞行，并且保证在对接过程中对接面轴向始终在同一直线上；轨道控制技术是指通过轨控发动机，利用霍曼变轨原理或其他变轨原理，使得两个航天器处于同一轨道，并且使追踪飞行器逐渐逼近目标飞行器，最终以接近于零的相对速度互相接近。
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，
本研究 中的方法 是 在 目标 航 天器 上合 理设 置 ４个 非
） 与 Ｐ ＝（ ， ， ， ） 于是存在 如下关系式 Ｊ ：
对应 图像 点 图像 坐标 之 间 的数 学模 型 ， 将 该数 学 模 型 并
（ 相对位姿参数 ） 解问题转化为非 线性优化 问题 ， 求 最后利 用信赖 域算 法求 解该非线性优 化 问题 ． 真结果 表 明该算 仿 法的有效性 和可靠性 ， 能够 满足交 会对 接航天 器测量 精度
器上安装 面阵 Ｃ Ｄ传感 器 ， Ｃ 通过 对特 征点 在 Ｃ Ｄ上成 像 Ｃ
的分 析和计算 就可 以确 定跟 踪 飞行 器和 目标 飞 行器 之 间 的相对 位 置 和 姿 态．国 内 外 学 者 对 该 问 题 作 了 大 量 研
称 （） ， 原点 ０ 定义 为相机 光轴 与图像 平面 的交点 ， ｉ系 其
３ 一 ｗ 表 示 世 界 坐 标 系 简 称 （ 系 ，与 文 中 的 ）０ ｘＹ ｚ ）
究 ¨ ］但经典 的直接 法或迭 代法存 在 以下问题 ： 迭代 ， ①
求解 和多值 结果 Ｉ ， 者将 带来 识 别 的 困难 ， ４ 后 迭代 求 解
的收 敛 性 和收 敛 速 度 将 极 大 影 响 测 量 精 度 ， 迭 代 过 程 的 而
第３ １卷
第 ２期
四 川 兵 工 学 报
２１ ０ ０年 ２月
【 武器装备】
航 天 器 交会 对 接 位 姿 测 量 最 优 估 计 米
汤 同伟 王 惠 南 ， 成 涛 ， 冯
（ 南京航 空航天大学 ａ 自动化学院 ；． ． ｂ 高新技术学 院，南京 ２０ １ ） １０ ６
摘要 ： 天器 间的相对位姿确定是航天器 编队飞行 、 会与对 接 、 航 交 捕获 与维 护等重 大航 天任务 的关键技 术之 一．
基于 图像信息 的相对位 置与姿态的确定是解决航天器相 对位置与姿态确定 问题 的有效方法 ． 本文 中采用 四元数 来描述航天器相对姿态 ， 建立 目标航天器 的特征光标 点 的物理坐 标和对 应 的图像点 图像 坐标之 间 的数 学模 型 ，
并利 用信赖域算法求解该非线性 优化问题． 仿真 结果 表明 了该算法 的有效 性 和可靠性 ， 明该算 法 能够满 足交 证
１ 基 于 机 器 视 觉 确 定 位 姿 的基 本 方 程
１ １ 坐 标 系 ．
的相 对位 置和姿态． 目标 飞行器 上布 设和 安装光学 特征 在 点， 光学特征点 的几何形 状 、 尺寸 和位置 已知 ； 在跟踪 飞行 １ ）如 图 １ 示 ， 所 ０一 表 示像 平面像 物理 坐标 系简
共面特征 点． 于 针孔 成 像 模 型 的假 设 ， 据 特 征 点 在 基 根
Ｃ Ｄ成像平面上 的投影 ， 先 ， 出每个 特 征像 点在 摄像 Ｃ 首 测 机成像平面上 的二 维坐 标． 其次 ， 用 四元 数来 描述 航 天 采
器 相 对 姿 态 ， 立 目标 航 天 器 的 特 征 光 标 点 的 物 理 坐 标 和 建 ３ ３ × 正交方 向余 弦矩 阵 ， 用来描 述 （ ） Ｗ 系与 （ ） ｃ
米 收 稿 日期 ：０９—１ ２０ ２—１ ３
作者简介 ： 同伟 （９ ４ ） 男 ， 汤 １８ 一 ， 硕士研究生 ， 主要从 事小 卫星飞轮储能与姿态组合控 制研 究 ； 王惠南 （９ ４ ） 男 ， １６ 一 ， 教授 ， 博士研究 生导 师 ， 主要从事领域 为惯 性导航研究．
轴 和 轴分别与 图像像素 的列数 与行数平行． ２ ）０ 一 ｚ 表示摄像 机坐标 系简 称 （ ） ， ｃ 系 与追踪 航 天器 坐标 系一致． 其原点 ０ 为摄像 机镜头 中心 ， 到像 ０ 平面 的距离称 为摄像 机的焦距， 轴为主光轴方 向 ， 轴 ， 与像平 面象 素坐标系横方 向平行 ， 轴 与像 平面象 素坐标 系竖直方 向平行 ， 并与其它两轴 构成右手系．
会对接航天器之间位置 与姿 态的测量精度 的要求． 关键词 ： 相对 位姿 ； 目视觉 ； 单 信赖域 ； 四元数
中图 分 类 号 ： ４ ８ Ｖ４ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ６— ７ ７ ２ １ ） ２— ０ １ ４ １０ ０ ０ （ ００ ０ ０ ０ 一ｏ
在 ２个 空 间 飞 行 器 进 行 交 会 对 接 的 最 后 阶 段 ， 常 采 通 用 光 学 成 像 敏 感 器 来 测 量 跟 踪 飞 行 器 和 目标 飞 行 器 之 间
２
四 川 兵 工 学 报
ｎ ＝（ 一 ） ｋ ／
系之 间的姿态关 系 ；＝（ ， ， ） 为三维平移 向量 ， ￡ ｚ ｚ ￡ ： 用来 描 述 （ 系的坐标 原点 在 （ ） 下 的位 置 ０ ） Ｃ系 ＝（ ， ， ） 式 ００ ０ ． （） １ 是基于机器视觉确定位 姿的基本方程式．
收敛性和 收敛 速度 主要 取决于迭代算法和初值 选取 ； 利 ② 用角度求航天 器 间 的相 对距 离 ， 获得 结果 精度 差 ， 别 所 特
是 在 远 距 离 的测 量 精 度 更 差 ．
目标航天器 坐标 系一致． 坐标 系定义 在 目标 特征光 标点 该 上 ， 轴 由 ｓ 指 向 ｓ； 轴在 ｓ，３ｓ 决 定 的平 面 内， Ｓ １ ３ ｌｓ ， ４ 过 并垂直 于 轴 ； 轴 与其 它两轴构成右手坐标 系． 摄像机坐标 系与 世界 坐标 系 之 间的关 系 可 以用 旋 转