[发明专利]一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法

说明书

本发明公开了一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，由以下步骤组成：计算出非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵、非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量，计算出非合作目标的旋转角速度叉乘阵的平均值，量测出航天器的加速度与角速度，计算出在航天器进行机动过程中非合作目标的相机虚拟旋转矩阵和相机虚拟平动，计算出航天器在机动过程中自身的真实旋转矩阵和真实相机平动，计算出航天器在机动过程中自身真实角速度叉乘阵的平均值，计算出尺度因子；得到非合作目标的三维点云模型；本发明无需对非合作目标进行绕飞，仅使用航天器平台自身传感器即可完成对非合作目标真实尺度点云建模。

技术领域

本发明属于非合作目标的点云建模领域，尤其涉及一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法。

背景技术

随着空间环境日渐复杂、在轨服务日渐成熟，对非合作目标的在轨操作成为大量空间任务的核心，得到了广泛关注。在大多数在轨服务中，操作航天器安全、稳定地逼近任务目标是任务顺利的前提。然而，未知非合作旋转目标的逼近与抵靠却是公认的在轨服务技术难题。主要原因包括：

1.非合作目标与操作航天器之间无法建立通信链路，操作航天器需要完全依靠自身的传感器完成逼近任务，亦无法利用目标的合作标识完成逼近；

2.非合作目标的结构、尺寸等关键的先验信息往往无法提前获得；

3.非合作目标通常已经丧失稳定，处于旋转或翻滚状态，从而给目标辨识、状态估计带来难题。

虽然国内外对非合作旋转目标的逼近与抵靠过程已经开展了大量研究，取得了一定进展，但大部分研究都是基于大型航天器平台对目标进行完整绕飞，获得目标多个角度的完整状态，一般通过搭载的激光雷达等大型测距设备获取真实距离信息，为非合作目标逼近带来了便利。但是，这必将给平台的导航、制导与控制带来极大负担，同时增加了任务成本。特别是对于微小航天器，逼近与抵靠未知旋转目标的过程显然更具挑战性。一方面，微小航天器的成本、体积等约束限制了高性能传感器的搭载，激光测距雷达、毫米波雷达等主要测距手段通常难以直接搭载到微小航天器上；另一方面，微小航天器有限的燃料与机动能力使其难以进行大幅度机动，无法对目标进行大范围绕飞与建模识别。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，以解决非合作目标点云建模需要大范围绕飞且成本高的问题。

本发明采用以下技术方案：一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，由以下步骤组成：

步骤S1：

在假定非合作目标静止且航天器周期性旋转的情况下，结合SFM算法计算出非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵、非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量，

根据非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵计算出非合作目标的旋转角速度叉乘阵的平均值，

步骤S2：

驱动航天器在轨道面内进行有限的角度和位置机动，并利用航天器的惯性测量单元量测出航天器的加速度与角速度，

利用SFM算法计算出在航天器进行机动过程中非合作目标的相机虚拟旋转矩阵和相机虚拟平动，

计算出航天器在机动过程中自身的真实旋转矩阵和真实相机平动，

计算出航天器在机动过程中自身真实角速度叉乘阵的平均值，

步骤S3：

根据惯性测量单元量测的航天器的加速度与角速度计算出尺度因子；

步骤S4：

利用尺度因子、并基于非合作目标在相对尺度下的点云模型，将点云模型中各点的坐标由视觉归一化尺度下的坐标还原为真实坐标得到非合作目标的三维点云模型。