空间目标相对位置和姿态的抗差四元数估计

空间目标(包括合作目标和非合作目标)相对位置和姿态估计是空间交会对接的一项关键技术。由于其对国家安全具有非常明显的战略意义,因此已成为当今国际空间技术领域的前沿性研究课题。本文在深入分析空间目标近距离相对运动的基础上,发展了经典摄影测量学的相关理论与技术,并引入四元数作为描述空间旋转变换的数学工具,研究和实现了相对位置和姿态的四元数估计及抗差估计的原理和方法。本文的研究工作和创新点主要体现在以下几个方面: 1.系统梳理和阐述了四元数的基本理论体系及其在空间旋转变换中的应用,改进了基于单位四元数的空间相似变换直接解算原理。 2.针对目标航天器运行轨道的任意性,建立了基于T-H方程描述的适合于一般椭圆运动的近距离相对运动方程,并给出具有任意初始条件的相对运动方程解析表达式。 3.以追踪航天器沿航向对目标航天器进行跟踪飞行的运动模式为基础,针对相对距离和相对方位这两个约束条件并结合T-H方程解析解,设计了追踪航天器的飞行轨道。 4.提出了直接利用旋转矩阵进行空间后方交会的原理和方法,避免了在相对位置和姿态估计中,欧拉角和旋转矩阵之间的频繁转换。 5.提出了一种相对位置和姿态估计的在轨自检校光学成像测量算法,可在解算相对位置和姿态参数同时,对CCD相机内参数进行实时检校。 6.改进了基于角锥体原理的P3P直接解法的新模型,该模型利用单位四元数的矩阵表达式代替传统的旋转变换矩阵,可提高算法效率。 7.提出了空间后方交会的四元数估计算法,算法的基本原理是利用四元数描述坐标旋转变换矩阵,然后对四元数表示的共线条件方程进行线性化迭代求解。 8.设计和改进了相对位置和姿态估计的全局收敛迭代算法,算法原理是将3D空间到2D空间的空间后方交会问题,转化为3D空间到3D空间的多次绝对定向问题,进而求解相对位置和姿态参数。 9.针对观测值存在粗差的情况,系统地将M估计和RANSAC估计原理应用到空间目标相对位置和姿态的估计。 10.为了提高RANSAC算法的性能,设计了改进的RANSAC估计方法(R-RANSAC),即在解算相对位置和姿态参数之前引入前置测试过程,从而提高了算法效率。