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空间非合作目标质心位置视觉测量方法研究

谢堂涛  
【摘要】:空间非合作目标的视觉测量方法在空间攻防对抗、空间碎片的处理、卫星在轨服务等方面有着广泛的应用,且具有被动、实时、非接触、高精度等优点,而开展质心位置视觉测量方法的研究对于分析空间非合作目标的运动具有重要意义。本文主要结合刚体运动学及动力学的理论,提出了利用目标表面上特征点的位置及速度计算其质心位置的新方法并进行了仿真。该方法不需要对目标进行操作,只需在目标转动时,利用视觉测量的方法确定目标表面上特征点的位置及速度,进而求解出目标的质心位置,具有普遍适用性。 本文首先根据实际应用要求进行了视觉测量系统的设计,介绍了经典的双目视觉测量系统的精度分析方法,并在此基础上对本文所设计的测量系统进行了精度分析与验证。 提出了利用特征点位置及速度进行非合作目标质心位置测量的新方法,即基于刚体运动学的质心位置测量方法,并进行了初步的仿真验证。明确测量条件的同时,讨论了在其他条件下可以测量的参数。 采用将四元数动力学方程与欧拉动力学方程相结合计算轴对称卫星相对于惯性系的自由运动参数的方法,并通过龙格库塔法仿真出其运动参数。通过对简化模型的运动参数的仿真计算,验证了方法的正确性。利用仿真生成的轴对称卫星的运动参数,验证了目标的转动不是绕惯量主轴时,通过一段时间的观测即可实现质心位置测量的结论。最后,分析了目标旋转矢量、章动矢量、自转矢量、目标尺寸、拍摄时间、转动惯量等因素对测量精度的影响。 本文为了便于仿真生成运动参数,选取了轴对称卫星这一特殊目标作为对象,但实际的质心位置计算中并未利用这一条件,本文所提出的基于刚体运动学的目标质心位置测量方法的适用对象仍是非合作目标。


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