魏喜庆 宋申民

（哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心，哈尔滨150001）

1 引言

航天器交会对接（Rendezvous and Docking，RVD）过程中，要求两个航天器不能发生碰撞，这是至关重要的安全要求。为了满足RVD的高精度和苛刻安全要求，需要大量理论研究和物理仿真。利用气浮技术进行全物理仿真，是发展较早且广泛采用的一种有效手段［1］。四自由度对接仿真平台采用了单轴气浮轴承的形式，开发对接与分离的地面演示系统，用于仿真验证最后逼近阶段的制导与控制规律、卫星姿态控制以及位姿测量系统的有效性和可靠性。

位姿估计是计算机视觉的一个重要内容，n点透视（Perspective-n-Point，PnP）问题具有常规的解法［2］，但是快速准确的求解此类问题，仍一直是学者努力的方向。Nister给出了求解位姿的五点算法［3］，Lu基于n点透视提出了一种正交迭代方法求解位姿［4］。利用陀螺仪以及星敏感器等装置的扩展卡尔曼滤波（EKF）姿态确定算法，在20世纪80年代初成为研究热点［5-6］，并逐渐发展为一种成熟方法，成功应用在了多种飞行器上［7］。

本文的主要研究利用视觉摄像机获得的姿态角和俯仰与偏航轴陀螺仪输出的角速度来有效地确定姿态。由于视觉系统的CCD相机的视野有限，仅有40°左右，因此一旦主动星转动使目标超出视野，就会造成视觉定姿失败；而陀螺仪输出角速度具有自主性且输出信号更新速率快，但是漂移随时间累积的特点。为了将两者优势结合起来，更好地获得主动星的姿态，本文采用了这种成熟的EKF算法，充分利用了姿态运动学方程和陀螺仪模型以及视觉的观测数据。……