本發(fā)明涉及導航領域，具體涉及一種近距離空間目標自主相對導航方法。

背景技術(shù)：

1、空間目標自主相對導航在空間碎片清除、故障航天器在軌維修、深空探測等領域具有廣泛應用。上述任務的目標均為外形尺寸未知，且無合作標識的非合作目標，均需要航天器近距離精確估計非合作目標的相對位置和姿態(tài)等相關狀態(tài)，因此非合作目標的近距離相對導航是確保上述任務實施的關鍵技術(shù)。單目相機作為航天器標稱配置的光學測量敏感器，其測量精度高、蘊含信息豐富，而且尺寸小、能耗低，符合當前航天器小型化的趨勢，是實現(xiàn)近距離空間目標自主相對導航的理想測量信息源。

2、當航天器與非合作目標距離很近時，非合作目標在相機像素平面的投影為外形紋理豐富的二維圖像信息，通過圖像處理技術(shù)可以提取出非合作目標表面豐富的關鍵點信息。然而，由于非合作目標先驗信息缺失，運動狀態(tài)未知，通過單個時刻的測量無法準確獲得非合作目標的相對運動狀態(tài)，因此，通常需要對空間中的非合作目標進行一段時間的持續(xù)觀測，獲取非合作目標的序列圖像，通過對序列圖像的信息進行分析和處理，獲取非合作目標的更多可用信息。此外，通過單個相機可獲得的非合作目標的圖像信息，利用關鍵點提取與匹配等手段，可獲得非合作目標表面關鍵點的二維像素坐標，然而由于缺乏距離尺度信息，因此實質(zhì)上獲得的是非合作目標表面關鍵點的視線測量信息，無法獲得目標特征點的相對距離深度信息(距離尺度信息)，導致系統(tǒng)由于獲取的測量信息有限，從而難以完備、準確地估計出目標狀態(tài)，因此，序列圖像自主導航系統(tǒng)為典型的欠觀測系統(tǒng)。目前，如何對序列圖像自主導航這類欠觀測系統(tǒng)進行可觀測性分析以及觀測能力優(yōu)化成為研究的熱點問題。

3、對于該欠觀測系統(tǒng)可觀測性分析，目前已有學者進行了相關研究，woffinden和geller表征了欠觀測系統(tǒng)滿足可觀測性所需條件，宋亮在假設非合作目標姿態(tài)相關狀態(tài)完全可觀測的情況下，對非合作目標的位置相關狀態(tài)進行了可觀測性分析。然而目前針對非合作目標的欠觀測系統(tǒng)可觀測性研究主要集中于研究系統(tǒng)中存在的不可觀測狀態(tài)以及滿足可觀測性的條件，缺乏對欠觀測系統(tǒng)滿足可觀測性的最少觀測次數(shù)的相關研究，該研究是欠觀測系統(tǒng)可觀測能力的邊界條件，可為設計非合作目標觀測能力優(yōu)化提供理論依據(jù)。

4、針對欠觀測系統(tǒng)即目標序列圖像自主導航系統(tǒng)觀測能力優(yōu)化方法主要包括挖掘信息和優(yōu)選信息兩種方法。

5、挖掘信息主要是通過軌道機動方法、相機偏置等方法獲取額外的距離深度信息。然而上述方法都是在目標與航天器相對距離較遠的背景下進行考慮的，此時可以將目標的觀測近似為一個質(zhì)點，在狀態(tài)估計時只需要考慮目標的相對距離。然而，當目標與航天器距離較近時，可獲取的測量信息為目標表面豐富的特征，此時，需要估計目標的姿態(tài)相關的參數(shù)。

6、優(yōu)選信息法主要是優(yōu)選測量數(shù)據(jù)，由于光學敏感器獲得的目標圖像信息豐富，特征數(shù)量多，在星上計算資源和存儲資源受限的情況下，需要優(yōu)選測量數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)可以在盡量不損失導航精度的前提下，減少星上計算和存儲負擔。優(yōu)選信息是提升觀測能力的有效途徑。然而目前針對特征點優(yōu)選問題的研究主要集中于視覺輔助慣性導航的行星著陸問題，該方法不適用于小天體、航天器等這類引力微乎其微的非合作目標，且目前針對此類非合作目標的關鍵點優(yōu)選問題的研究較少。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實施例提供一種近距離空間目標自主相對導航方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中在觀測距離空間目標時，無法對近距離空間目標的表面關鍵點進行優(yōu)選的技術(shù)問題。

2、為達上述目的，本發(fā)明實施例提供一種近距離空間目標自主相對導航方法，包括：

3、針對近距離的空間目標，基于序列圖像構(gòu)建空間目標自主相對導航的系統(tǒng)模型，所述系統(tǒng)模型包括系統(tǒng)狀態(tài)方程和測量方程；

4、針對系統(tǒng)模型進行可觀測性分析，確定對空間目標的表面關鍵點的最少觀測次數(shù)，使得系統(tǒng)模型具備可觀測性；

5、基于對空間目標的最少觀測次數(shù)，對多個表面關鍵點進行數(shù)量和位置的優(yōu)選，得到最優(yōu)表面關鍵點，通過最優(yōu)表面關鍵點對系統(tǒng)模型進行優(yōu)化，得到優(yōu)化的系統(tǒng)模型；

6、采用優(yōu)化的系統(tǒng)模型估算近距離的空間目標的運動狀態(tài)。

7、上述技術(shù)方案具有如下有益效果：在星上資源受限條件下，針對近距離空間目標序列圖像自主相對光學導航系統(tǒng)觀測能力有限的，證明了至少需要獲得連續(xù)4個時刻的序列圖像，目標運動狀態(tài)才可全部可觀，針對空間非合作目標的表面關鍵點的最少觀測次數(shù)展開研究，能夠減少星上計算負擔。并通過系統(tǒng)可觀測度量化分析實現(xiàn)了序列表面關鍵點優(yōu)選，結(jié)合模擬退火算法實現(xiàn)了近距離空間目標運動狀態(tài)最優(yōu)估計。假設對多個表面關鍵點持續(xù)可見，然而現(xiàn)實中，由于目標的連續(xù)大幅度運動，表面關鍵點會發(fā)生視野遮擋，之后可進一步研究部分表面關鍵點不可持續(xù)觀測情況下的高精度自主導航方法。

技術(shù)特征：

1.一種近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，空間目標是指非合作目標，近距離是指空間目標與觀測所述空間目標的所述航天器間的距離遠小于所述航天器的軌道半徑；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，針對近距離的空間目標，基于序列圖像構(gòu)建空間目標自主相對導航的系統(tǒng)模型，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，構(gòu)建空間目標自主相對導航系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)方程，還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，針對近距離的空間目標，基于序列圖像針對近距離的空間目標，構(gòu)建空間目標自主相對導航的系統(tǒng)模型，還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，針對系統(tǒng)模型進行可觀測性分析，確定對空間目標的表面關鍵點的最少觀測次數(shù)，使得系統(tǒng)模型具備可觀測性，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，針對系統(tǒng)模型進行可觀測性分析，確定對空間目標的表面關鍵點的最少觀測次數(shù)，使得系統(tǒng)模型具備可觀測性，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，針對系統(tǒng)模型進行可觀測性分析，確定對空間目標的表面關鍵點的最少觀測次數(shù)，使得系統(tǒng)模型具備可觀測性，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，基于對空間目標的最少觀測次數(shù)，對多個表面關鍵點進行數(shù)量和位置的優(yōu)選，得到最優(yōu)表面關鍵點，通過最優(yōu)表面關鍵點對系統(tǒng)模型進行優(yōu)化，得到優(yōu)化的系統(tǒng)模型，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的近距離空間目標自主相對導航方法，其特征在于，采用模擬退火算法對式(1.37)進行求解，得到最優(yōu)表面關鍵點，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明實施例提供一種近距離空間目標自主相對導航方法，包括：針對近距離的空間目標，基于序列圖像構(gòu)建空間目標自主相對導航的系統(tǒng)模型，所述系統(tǒng)模型包括系統(tǒng)狀態(tài)方程和測量方程；針對系統(tǒng)模型進行可觀測性分析，確定對空間目標的表面關鍵點的最少觀測次數(shù)，使得系統(tǒng)模型具備可觀測性；基于對空間目標的最少觀測次數(shù)，對多個表面關鍵點進行數(shù)量和位置的優(yōu)選，得到最優(yōu)表面關鍵點，通過最優(yōu)表面關鍵點對系統(tǒng)模型進行優(yōu)化，得到優(yōu)化的系統(tǒng)模型；采用優(yōu)化的系統(tǒng)模型估算近距離的空間目標的運動狀態(tài)。針對空間非合作目標特征點的最少觀測次數(shù)展開研究，能夠減少星上計算負擔。

技術(shù)研發(fā)人員：侯博文,王炯琦,張藝捷,周萱影,周海銀,姜雅丹,張小紅
受保護的技術(shù)使用者：中國人民解放軍國防科技大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10