[发明专利]基于视觉测量系统的非合作目标相对导航仿真验证方法

说明书

用于非合作目标相对导航仿真验证的视觉测量系统及方法，包括包括物理模拟模块、仿真模拟模块、视觉相对导航模块；物理模拟模块、视觉相对导航模块组成半物理半仿真验证子系统，视觉相对导航模块与仿真模拟模块组成了全仿真验证子系统；物理模拟模块、仿真模拟模块构造非合作目标，而视觉相对导航模块实现双目相机对非合作目标的感知、特征识别、特征提取、特征匹配、状态测量、参数辨识。

技术领域

本发明涉及航天器相对导航、在轨目标感知、参数测量与辨识及航天器视觉等研究领域，特别是用于非合作目标相对导航仿真验证的视觉测量系统及方法。

背景技术

近年来，随着非合作目标在轨服务技术的发展，各个航天大国纷纷提出了在轨服务的概念和演示验证的计划，其中针对非合作目标的相对导航及测量是其中的一项关键技术。

在远距离，由于光线及目标特征数目的影响，一般采用雷达、激光测距仪、GPS、星敏感器或者远场相机等进行相对导航；在近距离导航时，考虑到需要获取非合作目标的位置、姿态、构形及质量特征信息，双目立体视觉相机得到了广泛的应用。在近距离的相对导航中，采用双目视觉对非合作目标进行测量，主要涉及图像的获取、相机标定、特征提取、立体匹配和三维重建等模块，目前针对各个模块的研究相对较多：图像获取的方式很多，主要由具体场合和目的决定；三维重建属于深度信息后处理，是为了恢复场景可视化表面的完整信息；相机标定已经得到了较好的解决，有很多种方法可以使用；特征提取目前没有一种普遍使用的理论，从而导致了立体视觉研究中匹配特征的多样性，因此立体匹配是立体视觉中最重要与困难的问题，也是立体视觉的核心所在。综上所述，针对基于双目相机的立体视觉测量的算法研究已经非常多了，但是在航天工程中，尤其是我国航天工程中，基于双目视觉的非合作目标的近距相对导航与测量技术研究尚未深入，需要从算法、系统设计、地面试验、在轨验证和在轨产品设计等方面开展研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了用于非合作目标相对导航仿真验证的视觉测量系统及方法，通过混合扩展卡尔曼滤波/无迹卡尔曼滤波的非合作目标运动状态预测方法，兼顾了效率与精度；另外建立了绕任意轴旋转的非合作目标的状态方程与观测方程用于进行参数辨识，能够满足非合作目标运动状态复杂的实际工程需求，具有很好的使用效果。

本发明的技术解决方案是：用于非合作目标相对导航仿真验证的视觉测量系统，包括包括物理模拟模块、仿真模拟模块、视觉相对导航模块；物理模拟模块、视觉相对导航模块组成半物理半仿真验证子系统，视觉相对导航模块与仿真模拟模块组成了全仿真验证子系统；物理模拟模块、仿真模拟模块构造非合作目标，而视觉相对导航模块实现双目相机对非合作目标的感知、特征识别、特征提取、特征匹配、状态测量、参数辨识；

物理模拟模块，提供实物非合作目标，根据任务通过运动模拟平台实现非合作目标物运动，包括非合作目标物的位置时程、速度、姿态，在非合作目标运动过程中通过地面双目相机进行成像，得到左眼图像序列、右眼图像序列，组成得到非合作目标运动图像序列并送至视觉相对导航模块；根据非合作目标三维构型、运动状态参数、相对位姿参数、质量特征参数与非合作目标物的实际位置时程、速度、姿态进行对比，完成非合作目标相对导航仿真验证；

仿真模拟模块，提供在轨非合作目标的仿真模型，作为视觉相对导航模块的非合作目标模型输入，并送至视觉相对导航模块；其中，非合作目标模型包括非合作目标的轨道数据、非合作目标构型、运动状态、位置时程、姿态、质量特征；根据非合作仿真目标三维构型、运动状态参数、相对位姿参数、质量特征参数与非合作目标模型中的非合作目标的非合作目标构型、运动状态、位置时程、姿态、质量特征进行对比，完成非合作仿真目标相对导航仿真验证；