空间非合作目标的位姿预测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及空间飞行器在轨服务技术领域，提供一种空间非合作目标的位姿预测方法和装置，包括：基于双目视觉对空间非合作目标进行轴向测量，得到双目轴向测量结果；建立非合作目标运动学观测模型，并根据所述非合作目标运动学观测模型对所述双目轴向测量结果进行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非合作目标的位姿信息；基于所述非合作目标运动学观测模型，根据当前测量时刻的所述位姿信息对所述非合作目标的位姿状态进行预测。本发明专利技术实现了对非合作目标运动学参数辨识和未来时刻位姿预测，降低了在轨服务或在轨捕获的难度，提高了对不同目标的适应性。了对不同目标的适应性。了对不同目标的适应性。

【技术实现步骤摘要】
空间非合作目标的位姿预测方法和装置


[0001]本专利技术涉及空间飞行器在轨服务
，尤其涉及一种空间非合作目 标的位姿预测方法和装置。

技术介绍

[0002]随着人类对太空的日益探索，太空垃圾(如废弃卫星、火箭末级等)逐 渐积累，占用了宝贵的轨道资源。这类目标大多都是无法通信、无对接设计 的非合作目标，针对这类目标的在轨服务技术不仅可以维修废弃卫星或对其 进行气液补加，同样在空间碎片或空间攻防领域有着重要的战略意义。在轨 服务任务中，服务航天器在跟踪、接近和抓捕目标时，需要实现航天器和目 标间的相对位置和姿态测量。由于非合作目标无法提供合作信息，这就给对 非合作航天器的位姿测量技术带来了极大的挑战，如何在没有合作信息的情 况下对目标进行识别、位姿测量和抓捕便成为了非合作在轨服务的一项关键 技术，并引起了有关学者和研究机构的广泛关注。
[0003]非合作目标不能利用星间链路来直接传输其位置和姿态信息，故无法利 用陀螺仪、加速度计等惯性敏感器来直接获取其姿态信息。光学测量手段因 无需接触目标就能获取目标的位姿信息，是非合作目标位姿测量的主要手段。 目前的光学测量手段主要包括单目视觉、双目视觉、多目视觉以及激光雷达 等方法，其中双目视觉又因其具备绝对尺度、体机小、功耗低、响应速度快、 频率高等特性，在空间测量领域得到广泛应用。
[0004]但是，双目摄像机轴向测量精度严重受限于基线长度，由于航天器尺寸 有限，在空间应用中也难以通过增大基线的方法提高精度，因此难以实现对 远距离目标上特征点坐标的准确测量。而在运动学参数辨识过程中，由于存 在旋转矩阵等非线性项，目前大多数方法都基于扩展卡尔曼滤波及其衍生算 法，且由于仅保留一阶项或二阶项，损失了精度，而且计算量较大，难以适 用于实时辨识。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术实施例提供一种空间非合作目标的位姿预测方法和装置， 以解决传统位姿预测方法计算量大，预测精准度低的问题。
[0006]根据本专利技术实施例的第一方面，提供一种空间非合作目标的位姿预测方 法，包括：
[0007]基于双目视觉对空间非合作目标进行轴向测量，得到双目轴向测量结果；
[0008]建立非合作目标运动学观测模型，并根据所述非合作目标运动学观测模 型对所述双目轴向测量结果进行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非 合作目标的位姿信息；
[0009]基于所述非合作目标运动学观测模型，根据当前测量时刻的所述位姿信 息对所述非合作目标的位姿状态进行预测。
[0010]可选的，所述非合作目标的位姿信息包括：角速度、当前位姿状态、质 心速度和质
心位置的至少一种。
[0011]可选的，所述基于双目视觉对空间非合作目标进行轴向测量，得到双目 轴向测量结果，包括：
[0012]基于双目视觉对空间非合作目标进行轴向测量；
[0013]基于切比雪夫多项式，对所述轴向测量的结果进行标定，得到双目轴向 测量结果。
[0014]可选的，所述根据所述非合作目标运动学观测模型对所述双目轴向测量 结果进行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非合作目标的位姿信息， 包括：
[0015]基于所述非合作目标运动学观测模型，利用Q方法对所述双目轴向测量 结果进行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非合作目标的位姿信息。
[0016]可选的，所述建立非合作目标运动学观测模型，包括：
[0017]建立接近过程的运动学模型，得到所述非合作目标的质心在惯性坐标系 中的平动运动学方程：
[0018][0019][0020]其中，式中μ是地球引力常数，r
t
为所述非合作目标在惯性坐标系中的位置矢 量，v
t
为所述非合作目标在惯性坐标系中的速度矢量，r
t
＝||r
t
||；
[0021]得到所述非合作目标的自旋动力学方程：
[0022][0023]得到观测卫星的运动学方程：
[0024][0025][0026]其中，r
c
为所述非合作目标在惯性坐标系中的位置矢量，v
c
为所述非合作目 标在惯性坐标系中的速度矢量，r
c
＝||r
c
||，且r
t
≈r
c
；
[0027]根据所述平动运动学方程、所述自旋动力学方程和所述观测卫星的运动 学方程得到质心方程：
[0028][0029]其中，ρ0为世界坐标系原点指向所述非合作目标的质心的向量，在测量时刻 t所述非合作目标的特征点的向量ρ
i
和r
i
的关系式为：
[0030][0031]其中，为在测量时刻t所述非合作目标的姿态矩阵，ρ0(t)为在测量时刻t 所述世界坐标系原点指向所述非合作目标的质心的向量，ρ
i
为所述非合作目 标的质心指向所述非合作目标的特征点P
i
的向量，r
i
为所述世界坐标系原点指 向所述非合作目标的特征点P
i
的向量。
[0032]可选的，所述根据所述非合作目标运动学观测模型对所述双目轴向测量 结果进
行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非合作目标的位姿信息， 包括：
[0033]根据在测量时刻t所述非合作目标的特征点的向量ρ
i
和r
i
的关系式和所述 Q方法，对所述双目轴向测量结果进行位姿参数辨识，得到在测量时刻t所 述非合作目标的角速度、位姿状态、质心速度和质心位置。
[0034]可选的，所述基于所述非合作目标运动学观测模型，根据当前测量时刻 的所述位姿信息对所述非合作目标的位姿状态进行预测，包括：
[0035]根据所述自旋动力学方程和所述质心方程得到：
[0036]v＝v
con
[0037]ω＝ω
con
[0038]其中，v
con
为速度常数，ω
con
为角速度常数，测量时刻t的未来时刻t
f
所述非 合作目标的质心位置和姿态矩阵为：
[0039]ρ0(t
f
)＝ρ0(t)+v(t
f-t)
[0040][0041]其中，是t
f
时刻到t时刻的姿态转换矩阵，具体为：
[0042][0043]其中，θ＝||ω||
·
(t
f-t)，ω为测量时刻t所述非合作目标的角速度，cθ＝cosθ， sθ＝sinθ，vθ＝1-cosθ，K＝[k
x
,k
y
,k
z
]T
为自转轴，通过ω归一化得到，所述未 来时刻t
f
所述非合作目标的特征点P
i
的位置为：
[0044][0045]其中，为在未来时刻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间非合作目标的位姿预测方法，其特征在于，包括：基于双目视觉对空间非合作目标进行轴向测量，得到双目轴向测量结果；建立非合作目标运动学观测模型，并根据所述非合作目标运动学观测模型对所述双目轴向测量结果进行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非合作目标的位姿信息；基于所述非合作目标运动学观测模型，根据当前测量时刻的所述位姿信息对所述非合作目标的位姿状态进行预测。2.如权利要求1所述的空间非合作目标的位姿预测方法，其特征在于，所述非合作目标的位姿信息包括：角速度、当前位姿状态、质心速度和质心位置的至少一种。3.如权利要求1所述的空间非合作目标的位姿预测方法，其特征在于，所述基于双目视觉对空间非合作目标进行轴向测量，得到双目轴向测量结果，包括：基于双目视觉对空间非合作目标进行轴向测量；基于切比雪夫多项式，对所述轴向测量的结果进行标定，得到双目轴向测量结果。4.如权利要求1所述的空间非合作目标的位姿预测方法，其特征在于，所述根据所述非合作目标运动学观测模型对所述双目轴向测量结果进行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非合作目标的位姿信息，包括：基于所述非合作目标运动学观测模型，利用Q方法对所述双目轴向测量结果进行位姿参数辨识，得到当前测量时刻的所述非合作目标的位姿信息。5.如权利要求1所述的空间非合作目标的位姿预测方法，其特征在于，所述建立非合作目标运动学观测模型，包括：建立接近过程的运动学模型，得到所述非合作目标的质心在惯性坐标系中的平动运动学方程：学方程：其中，式中μ是地球引力常数，r
t
为所述非合作目标在惯性坐标系中的位置矢量，v
t
为所述非合作目标在惯性坐标系中的速度矢量，r
t
＝||r
t
||；得到所述非合作目标的自旋动力学方程：得到观测卫星的运动学方程：得到观测卫星的运动学方程：其中，r
c
为所述非合作目标在惯性坐标系中的位置矢量，v
c
为所述非合作目标在惯性坐标系中的速度矢量，r
c
＝||r
c
||，且r
t
≈r
c
；根据所述平动运动学方程、所述自旋动力学方程和所述观测卫星的运动学方程得到质心方程：其中，ρ0为世界坐标系原点指向所述非合作目标的质心的向量，在测量时刻t所述非合
作目标的特征点的向量ρ
i
和r
i
的关系式为：其中，为在测量时刻t所述非合作目标的姿态矩阵，ρ0(t)为在测量时刻t所述世界坐标系原点指向所述非合作目标的质心的向量，ρ
i
为所述非合作目标的质心指向所述非合作目标的特征点P
i
的向量，r
i
为所述世界坐标系原点指向所述非合作目标的特征点P
i
的向量。6.如权利要求4和5所述的空间非合作目标的位姿预测方法，其特征在于，所述根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志，楚中毅，海啸，庞羽佳，黄龙飞，黄剑斌，蒙波，张志民，韩旭，李海超，王尹，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：