小天体探测中的光学自主导航与可视化技术研究

论文摘要

随着月球探测、火星探测以及小行星与彗星等小天体探测计划的实施,深空探测已成为21世纪航天技术发展的热点和重点领域。自主导航技术是深空探测任务必需的关键技术之一,可视化技术是深空探测任务方案设计与论证的重要辅助手段。本文以深空小天体探测为背景,结合国家863计划课题的研制任务,以NASA“深度撞击”小天体接近与撞击探测任务为参考,重点对小天体探测中的光学自主导航与可视化技术进行了深入研究,主要工作与创新点包括:1.基于摄影测量成像与定位理论初步形成一种小天体探测光学自主导航方案。(1)在深入分析小天体接近阶段导航特点的基础上,探讨了运用数字图像特征提取与匹配技术及摄影测量空间后方交会理论进行深空探测器自主导航、制导与控制(Guidance,Navigation and Control,GN&C)的技术途径,初步形成了一种基于光学测量的小天体探测自主导航方案。通过提取与跟踪导航相机拍摄到的小天体表面上的导航目标并辅以激光测距设备测量探测器与导航目标之间的距离,在轨进行导航参数的解算。(2)研究了基于图像处理技术的导航目标在轨提取与跟踪的方法。系统阐述了导航图像在轨处理的内容和流程,提出了一种基于图像分块和灰度局部方差的导航目标在轨提取算法,并利用图像匹配技术实现了导航目标的跟踪。(3)建立了自主导航参数的光学测量模型,研究了基于导航相机和激光测距设备的观测量进行探测器自主导航参数计算的过程和方法,分析并比较了探测器和小天体相对位置和姿态参数的测量算法,推导了探测器瞄准撞击点位置矢量在自主导航不同阶段的计算方法,分析了本文提出的导航方案的导航精度及影响因素。2.以“深度撞击”任务为背景研究并实现了小天体探测可视化的部分关键技术。(1)提出了一种基于图形硬件优化的深空目标三维建模与可视化方法,针对图形硬件的特点设计了基于索引机制的深空目标模型数据组织方式,避免了大量冗余数据的处理,提高了模型绘制的效率,实现了对复杂深空目标的三维实时绘制;(2)利用粒子系统技术逼真再现了小天体撞击的效果,根据GPU的并行处理特性设计了基于GPU通用计算技术(GPGPU)的大规模粒子系统,可以很大程度地增加粒子系统实时仿真应用中的粒子数量,并具有远高于普通粒子系统的实时渲染效率,从而大大提高了小天体撞击效果可视化的逼真程度。(3)集成了本文完成的可视化算法,对小天体接近与撞击的全过程进行了可视化模拟,取得了较好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 深空小天体探测的意义
• 1.2.2 国际上小天体探测技术的发展历程
• 1.2.3 小天体接近与撞击探测任务简述
• 1.3 研究目的和意义
• 1.3.1 小天体探测对导航系统自主性的需求
• 1.3.2 可视化技术及其在深空探测中的作用
• 1.4 当前国内外研究现状与发展动态
• 1.4.1 深空探测光学自主导航的研究现状与发展动态
• 1.4.2 深空探测可视化技术的研究现状与发展动态
• 1.5 论文主要研究内容和组织结构
• 1.5.1 论文主要研究内容
• 1.5.2 论文组织结构
• 第2章 基于光学测量的小天体接近与撞击自主导航
• 2.1 引言
• 2.2 小天体接近与撞击导航的特点分析
• 2.2.1 光学导航的可行性分析
• 2.2.2 光学导航的敏感器
• 2.2.3 光学导航的观测量
• 2.3 光学自主导航的方案设计
• 2.3.1 导航方案的总体描述
• 2.3.2 导航方案的适用性分析
• 2.3.3 自主导航的实现过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于图像处理的导航目标在轨提取与跟踪
• 3.1 引言
• 3.2 导航图像的在轨处理流程
• 3.3 导航图像的预处理
• 3.4 导航图像的特征提取
• 3.4.1 图像局部方差的计算
• 3.4.2 图像分块与特征提取
• 3.5 导航图像的特征跟踪
• 3.5.1 特征跟踪的原理和方法
• 3.5.2 特征跟踪实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 探测器自主导航参数的光学测量算法
• 4.1 引言
• 4.2 导航相机的光学测量模型
• 4.2.1 导航参考坐标系定义
• 4.2.2 光学导航相机的成像模型
• 4.2.3 导航参数的测量原理
• 4.3 导航系统光学观测量的预处理
• 4.3.1 导航系统观测量的获取
• 4.3.2 导航基准坐标系的建立
• 4.4 相对位置和姿态参数的确定
• 4.4.1 探测器相对姿态的描述
• 4.4.2 相对位置和姿态参数的计算模型
• 4.4.3 数值仿真与分析
• 4.5 撞击点瞄准矢量的确定
• 4.5.1 导航目标提取阶段
• 4.5.2 导航目标跟踪阶段
• 4.5.3 导航目标更新阶段
• 4.6 自主导航的精度分析
• 4.6.1 精度估计的方法
• 4.6.2 误差传递方程的推导
• 4.6.3 数值仿真与分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 可视化技术在小天体探测中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 基于硬件优化的空间目标建模与可视化方法
• 5.2.1 空间目标可视化效率影响因素分析
• 5.2.2 一种基于索引机制的空间目标建模方法
• 5.2.3 空间目标三维可视化的硬件优化实现
• 5.2.4 实验结果与分析
• 5.3 小天体撞击效果的可视化仿真
• 5.3.1 粒子系统的概念及其实现
• 5.3.2 基于GPU通用计算的大规模粒子系统技术
• 5.3.3 基于粒子系统的小天体撞击效果的模拟
• 5.4 小天体接近与撞击可视化部分实验结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作
• 致谢