基于多源信息融合的空间非合作目标在轨位姿测量技术与研究

Accurate pose and position measurement for space non-cooperative targets is the key to accomplish major space missions such as rendezvous and docking, on-orbit maintenance and so on. Scholars at home and abroad have studied this issue from different levels. However, at present, Research on camera calibration, degraded image recognition, matching feature determination and extraction involved in space non-cooperative target pose measurement are still limited and weak,which hinders the development of pose measurement technology for space non-cooperative targets. In this project, the theory of real-time on-orbit calibration of stereo vision system in complex space environment is studied by combining theoretical mechanism research, numerical simulation research and experimental research. The mathematical principle of real-time on-orbit calibration of camera in complex space environment is revealed. Starting from the construction theory of moment invariants, affine moment invariants and fuzzy invariants are fused in mathematical mechanism to form. Firstly, the affine fuzzy fusion moments are generated, and the problem of stable recognition of spatial degraded images at different spatial scales is studied. Secondly, the characteristics of common spatial non-cooperative objects are summarized and sorted out. On this basis, the matching feature determination and extraction methods of target images based on coupled stereo vision theory and laser scanning pose measurement theory are studied. This study can provide theoretical basis and technical support for related space missions in China.

精确测量空间非合作目标的位置和姿态（统称为位姿）是完成空间交会对接、在轨维护等重大航天任务的关键，国内外学者已从不同层面对该问题展开研究，但目前对于空间非合作目标位姿测量中涉及的相机在轨标定、退化图像识别、匹配特征判定及提取问题的基础理论研究较为薄弱，阻碍了空间非合作目标位姿测量技术的发展。本项目拟采用理论机理研究、数值模拟研究和实验研究相结合的研究方法，研究空间复杂环境下立体视觉系统在轨实时标定理论，揭示复杂太空环境下摄像机在轨实时标定数学原理；从不变矩的构造理论入手，将仿射不变矩与模糊不变量在数学机理上进行融合以形成仿射模糊融合矩，并研究其在不同空间尺度下对空间退化图像的稳定识别问题；归纳梳理常见空间非合作目标特点，在此基础上研究耦合立体视觉理论与激光扫描位姿测量理论的目标图像匹配特征判定及提取方法。本研究可为我国相关航天任务提供理论依据及技术支撑。

鉴于空间非合作目标位姿测量中涉及的相机在轨标定问题、退化图像识别问题及匹配特征提取问题等机理研究较为薄弱，需要加强理论分析、实验、数值模拟的综合研究，以深化空间非合作目标位姿测量技术基本理论，推动空间非合作目标位姿测量技术应用，本项目研究基于多源信息融合的空间非合作目标在轨位姿测量技术，在空间环境立体视觉中的摄像机在轨实时标定技术、空间图像退化情形下的图像识别问题、空间复杂环境下目标图像对匹配特征提取等方面进行了研究，具体内容如下：.1.针对空间环境下光学系统在轨实时标定只能利用仅有的空间资源，且方法必须简单并兼顾鲁棒性，本研究探究基于大部分空间航天器都有的通用部件太阳能帆板，研究摄像机内外参数在轨实时自标定问题。重点研究基于太阳能帆板上的正交几何特征信息，实现对摄像机内外参数的线性求解。同时研究噪声对标定结果的影响规律，并在此基础上研究摄像机内外参数在轨实时非线性优化方法。.2.通过分析目标航天器图像普遍存在的仿射变形和图像模糊特点，提出了仿射不变矩与模糊不变量在数学基础上融合的仿射模糊融合矩，并研究仿射模糊融合矩在不同尺度空间的稳定性，解决了高斯点扩展函数对原点矩、中心矩和仿射不变矩的影响，通过实物实验和仿真实验验证仿射模糊融合矩对目标航天器退化图像的识别能力。.3.针对目标航天器具有很强的结构性，蕴含着丰富的直线特征，提出了在Hough变换直线提取思想的基础上，耦合三维激光扫描仪判定目标航天器边界直线特征的方法。解决了空间复杂环境下目标图像对匹配特征的提取问题。最后，通过对比分析缩尺模型实验结果与仿真实验结果，对边界直线特征提取方法的实时性、准确性及稳健性进行验证。