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《基于對(duì)偶數(shù)的航天器多特征融合相對(duì)導(dǎo)航算法》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaelAstrOnauticaSjnica0c1．252012VoI．33No．101881—1892lSSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxbbuaa．educnhkxb@buaa．edu．cn文章編號(hào)：1000一6893(2012)10一1881一12基于對(duì)偶數(shù)的航天器多特征融合相對(duì)導(dǎo)航算法王劍穎，梁海朝，孫兆偉*，張世杰哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150080摘要：針對(duì)基于視覺的航天器相對(duì)導(dǎo)航問題，利用對(duì)偶數(shù)推導(dǎo)并給出了航天器相對(duì)耦合動(dòng)力學(xué)方程，該方程一體
2、化描述了追蹤航天器相對(duì)于目標(biāo)航天器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)，且考慮了由非質(zhì)心點(diǎn)引起的相對(duì)姿態(tài)與相對(duì)軌道之間的耦合影響。在對(duì)偶代數(shù)的框架內(nèi)，統(tǒng)一描述了目標(biāo)航天器上的特征點(diǎn)和特征線，并基于特征點(diǎn)、線在像平面的投影建立了多特征融合的單目視覺測(cè)量模型。最后通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)方程以及測(cè)量方程的線性化，應(yīng)用迭代擴(kuò)展卡爾曼濾波(IEKF)算法對(duì)非質(zhì)心點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了估計(jì)。仿真結(jié)果表明，本文的算法能夠?qū)教炱鞣琴|(zhì)心點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行較高精度的估計(jì)。關(guān)鍵詞：對(duì)偶數(shù)；耦合動(dòng)力學(xué)；狀態(tài)估計(jì)；視覺測(cè)量；卡爾曼濾波中圖分類號(hào)：V448．2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A航天器相對(duì)
3、位置及相對(duì)姿態(tài)的在軌測(cè)量與確定是航天器編隊(duì)飛行和交會(huì)對(duì)接等空間任務(wù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1巧]。而基于視覺測(cè)量的估計(jì)方法由于其成本低、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在解決近距離高精度的相對(duì)位姿參數(shù)的確定問題中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。航天器相對(duì)位姿的高精度估計(jì)依賴于高準(zhǔn)確度、高可靠性的動(dòng)力學(xué)模型[1]。大多數(shù)學(xué)者將航天器的運(yùn)動(dòng)分解為質(zhì)心的平動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分，并對(duì)其相對(duì)軌道與姿態(tài)運(yùn)動(dòng)分別獨(dú)立建模。在對(duì)航天器質(zhì)心的相對(duì)位置進(jìn)行描述時(shí)，C—w方程被廣泛應(yīng)用于參考軌道為圓或近圓軌道的情況下¨]，而文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]中所推導(dǎo)的改進(jìn)的C
4、—W方程則適用于參考軌道為橢圓軌道的情況。近年來(lái)，由于航天器編隊(duì)飛行任務(wù)的需要，文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中建立了六自由度的相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，該類模型通常由相對(duì)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)和相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)組成，其中相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)模型僅描述了航天器質(zhì)心的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。然而，更一般的情況是需要考慮兩航天器上任意點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)該點(diǎn)為固定于航天器上的非質(zhì)心點(diǎn)時(shí)，其位置運(yùn)動(dòng)會(huì)受到航天器本身姿態(tài)的影響，且這種影響在兩航天器距離較近時(shí)將更加明顯而不能忽略，因此傳統(tǒng)的質(zhì)心相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型便不再適用?？紤]到這種運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合影響，鑒于對(duì)偶數(shù)在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題中所表現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)口卜15]，
5、本文將利用對(duì)偶四元數(shù)一體化描述航天器的姿態(tài)與軌道運(yùn)動(dòng)，并建立航天器非質(zhì)心點(diǎn)的相對(duì)耦合動(dòng)力學(xué)模型，從而為航天器的高精度相對(duì)導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)。航天器相對(duì)導(dǎo)航問題的另一關(guān)鍵技術(shù)是視覺測(cè)量模型的建立。許多學(xué)者依據(jù)目標(biāo)器的特征點(diǎn)在像平面的投影，采用解析或數(shù)值算法獲得相應(yīng)收稿日期：2011．11—09；退修日期：2012-02—14；錄用日期：2012-03-23；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2012-03·3111：46網(wǎng)絡(luò)出版地址：wwwcnki．net／kcms／detaif／111929．V．20120331．1t46．003．htmI基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)
6、基金(60704020)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20070213055)*通訊作者Tel．：0451-86402357—8303E—mail：sunzhaowei@V呱sina．com引湊格式
7、wangJY．L{angHZ，sunzW·et亂AmuIli一叫e-b8sedre
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13、caetAstronauticaslnIca．2012．33(10)：1881一1892．I薊顥．梁海朝。
14、孫兆偉．等．基于對(duì)偶數(shù)的航天器多特征融合相對(duì)導(dǎo)航算法i航空學(xué)掇．2012．33(10)：1881—1892．航空學(xué)報(bào)Oct．252012VoI．33NO．10的位姿參數(shù)口。5]。如，張志勇等瞳1基于特征點(diǎn)在投影平面的測(cè)量信息提出了改進(jìn)的正交迭代估計(jì)算法；xing等[51利用位置敏感傳感器(PositionSen—sitiveDevice，PSD)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)光源的測(cè)量值，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波(ExtandedKalmanFilter，EKF)算法估計(jì)了航天器的相對(duì)位置及姿態(tài)。近年來(lái)，一些學(xué)者采用對(duì)偶四元數(shù)來(lái)描述剛體的運(yùn)動(dòng)，并基于目標(biāo)特征線進(jìn)行
15、了相對(duì)位姿估計(jì)。如，Goddard[16]、chian一17
16、、丁尚文‘1引、王峰‘193等利用目標(biāo)特征線在像平面的投影信息，建立了視覺測(cè)量模型，并應(yīng)用EKF算法估計(jì)了相對(duì)位姿參數(shù)。Wu等口”2u基于對(duì)偶四
