基于天基双目视觉的非合作旋转目标状态估计与逼近引导

Point at the problem of non-cooperative spinning targets which need to relatively measure their state and cooperatively guide in orbit and attitude when they provide on-orbit service. This application is aimed at researching a new method which based on the space-based binocular vision technique to estimate the state of non-cooperative spinning targets, and cooperatively approach by coupling the orbit and attitude at the same time. This application have a strong focus on five puzzlement as follows. The method of modeling and estimating parameters to uncertain target based on binocular vision. Estimate the state of relative movement of space target using robust estimation under measurement outliers. Detect target characteristic and estimate its state based on the union binocular vision with feedback. Research of 6-DOF synchronous approaching technique，optimal control technique and approaching guidance technique which aimed at capturing spinning target. Through semi physical simulating system and numerical simulations, the effectiveness of the proposed method is demonstrated in the meanwhile. These results will provide theoretical guidance for developing space-based detecting platform, designing its framework, processing relevant information, and innovating application as well.

针对非合作漂旋目标的在轨服务需要解决相对状态测量和姿轨协同导引问题。本申请旨在研究基于天基双目视觉的针对非合作旋转目标进行状态估计的新方法、姿轨耦合协同的逼近跟随导引方法。重点解决：基于双目图像的目标特征信息不确定性建模与参数估计，量测野值下的空间目标相对运动鲁棒估计，基于反馈的联合双目视觉目标特征检测与状态估计，面向漂旋目标抓捕任务的6-DOF同步控制逼近方法，面向漂旋目标的逼近制导与控制最优化算法五个方面的问题，并建立地面半物理试验系统对研究成果进行仿真验证，以期为我国天基探测平台装备的论证、体系结构设计、信息处理以及应用创新等需求提供理论指导和技术支撑。

针对失效卫星、空间碎片等漂旋目标的在轨服务迫切需要解决相对状态测量和姿轨协同导引问题。本项目重点研究了基于双目图像的位姿参数估计、同步控制逼近控制和逼近制导与控制最优化算法等问题，通过近四年的技术攻关，项目组完成了项目规定的全部研究内容及相关地面半物理试验，主要成果包括：.针对空间漂旋非合作目标模型参数未知及缺乏合作的特征点位置信息的问题，设计了一种MEKF滤波估计方法来获得高精度相对位姿参数，有效提高了估计精度；针对视觉量测粗差下基于多模型滤波器的鲁棒相对位姿确定问题，提出了基于IMM滤波器的鲁棒相对位姿确定算法，有效提高了视觉量测中存在粗差时的相对位姿确定精度；针对目标表面材料特性未知问题，提出了一种基于偏振和互信息的目标三维结构和折射率联合估计的方法，实现了未知材料特性目标的三维形态估计；针对旋转目标的六自由度同步接近控制问题，设计了一种姿轨耦合双滑模控制方法，具备参数不确定、测量误差、有界干扰、输入受限等因素对系统影响的自适应补偿能力，通过数学仿真验证了方法的有效性和控制性能优势，通过构建空间任务的地面等效场景、开展地面微重力半物理试验，验证了双滑模控制方法在微重力动力学、GNC全系统单机在闭环下的有效性；针对旋转目标的特定部位的安全接近任务，构建了安全避撞、视场角、控制受限等多约束模型，分别提出了基于高斯伪谱和虚拟域逆动力学的动态最优路径规划方法，实现了时间最优和能量最优下的多约束安全路径规划，使追踪星能够安全到达期望目标点，并满足所设置的视场角、执行机构控制等约束条件。.在本项目支持下，项目组发表论文12篇，申请专利15项，已授权6项；培养博士后1名，硕士3名，项目成员3人评为研究员，3人评为高工，1人评为副教授；成员获得国家级奖项1项，省部级奖项3项。本项目研究成果有力地支撑了在轨服务重大专项论证、XX-1空间操控飞行验证、空间站某飞行器等型号的攻关研制。