基于单目视觉的非合作目标航天器相对位姿估计及同步控制

Nowadays,non-cooperative target spacecraft relative pose estimation and synchronization control technology is a focal point of space on-orbit service technology.In this project we investigate monocular based relative pose estimation and synchronization control technology, specific research contents including image motion measure information based relative pose estimation,modelling of relative motion six-freedom dynamic coupled model, synchronization control of relative attitude and position by tracking expected image coordinate. In this project ,we will first carry out theoretical research work about proximity control of non-cooperative target spacecraft,and emphasis on the critical technologies including modelling of relative motion six-freedom dynamic coupled model,image motion measure information based relative pose estimation and synchronization control.Further we will present high precision six-freedom numeric emulation system to realize analysis and evaluation of monocular based relative pose estimation and synchronization control technology.Finally,we will provide micro-satellite-simulator based image measurement and relative pose estimation physical system on marble flatform,to ground test and verfy visual navigation system in the proximity control course of non-cooperative target spacecraft.

针对非合作目标航天器的相对位姿估计与同步控制是当前空间在轨服务技术的一个研究热点。本项目研究基于单目视觉的相对位姿估计以及同步控制技术，具体研究内容包括：基于图像运动速度测量信息的相对位姿估计，相对运动六自由度耦合动力学建模，基于跟踪图像期望坐标的相对姿态和位置同步控制。 本项目首先开展非合作目标航天器接近控制的理论研究，着重突破相对运动六自由度耦合动力学建模、基于图像运动测量信息的相对位姿估计与同步控制关键技术。之后，建立高精度六自由度数字仿真系统，实现对基于单目视觉的相对位姿估计与同步控制技术的仿真分析与评估。最后，在大理石气浮平台上搭建基于微型卫星模拟器的图像测量与相对位姿估计实物系统，对非合作目标航天器接近控制过程中的视觉导航系统进行地面试验验证。

随着太空探索技术的进步和太空商业活动的发展，在轨航天器的数量日益增多，太空资源和环境面临着越来越严峻的挑战。以在轨装配、在轨维护、在轨加注以及太空垃圾清除为主要内容的在轨服务已经成为维护空间安全环境、遂行太空探索任务的有效而可靠的手段。作为在轨服务的关键技术之一，空间自主交会已经成为世界各航天强国研究的热点，并进行了一系列的技术验证试验。针对非合作目标的相对位姿估计是空间自主交会的重要前提，本项目针对非合作目标空间自主交会，着重研究非合作目标自主交会最终逼近段的相对位姿估计以及位姿同步控制技术，以期对在轨服务技术的发展提供支持。本项目首先开展非合作目标航天器接近控制的理论研究，着重突破了相对运动六自由度耦合动力学建模、基于图像运动测量信息的相对位姿估计与同步控制关键技术，提出了基于SoftPOSIT的相对位姿估计和基于特征光流的相对状态估计算法；之后，建立高精度六自由度数字仿真系统，实现对基于单目视觉的相对位姿估计与同步控制技术的仿真分析与评估；最后，在大理石气浮平台上搭建基于微型卫星模拟器的图像测量与相对位姿估计实物系统，对非合作目标航天器接近控制过程中的视觉导航系统进行了地面试验验证。