南京航空航天大学李爽教授团队：航天器位姿确定系统设计方法取得新突破

2023年1月9日，我国在文昌航天发射场使用长征七号改运载火箭，成功将实践二十三号卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，2023年我国航天发射取得“开门红”。在太空没有全球定位系统，航天器如何确定自己的位置？航天器位姿确定是许多空间任务，特别是部署卫星星群的必要环节。在学术期刊《空间科学与技术》（Space:Science&Technology）新发表的论文中，南京航空航天大学李爽教授带领的研究团队联合上海市空间智能控制技术重点实验室，共同提出了使用ToF相机的合作航天器位姿确定系统，即通过搭载ToF相机的纳卫星来实现对具有反射标记合作航天器的相对导航。

航天器位姿确定旨在获取航天器与目标的相对位姿。传感器是位姿确定的重要工具，飞行时间（ToF）传感器因其具有自抗扰、自主照明和低功耗等优点，已被广泛用于合作目标的位姿估计。研究团队等开发了用于航天器位姿确定的嵌入式测量系统并完成了系统的数学建模。系统硬件由嵌入式ToF模块，电源、合作目标和上位机组成。设计的ToF相机使用8个850纳米激光器作为驱动光源，有灰度和深度两种工作模式。系统软件由嵌入式服务器软件和上位机客户端应用软件组成。嵌入式服务器用于完成硬件初始化、原始深度数据和灰度数据处理接收以及响应客户端等操作。客户端功能包括灰度和深度图像采集、处理、目标检测和位姿计算等。在工作模式下，ToF相机交替将灰度和深度图传输到上位机。获得图像数据后，位姿确定算法输出相对位姿信息，这项算法由反射器检测、反射器匹配、位姿计算三个步骤组成。

论文还论述了反射器特征提取方法，共包含四个步骤。合作目标上的圆形反射器标记由特殊的反射材料制成，因此其反射强度会高于图像背景。第一步是图像预处理，反射器标记所在的区域即可被定义为活跃像素集；第二步是在经过预处理的单个ToF图像中寻找反射器标记点集；第三步是确认检测到的反射器标记。研究团队还通过实验验证了所提出位姿确定系统在交会对接任务中的可行性。结果表明，针对俯仰角和偏航角高度耦合以及ToF和目标平面并行校准会影响测量结果这两个问题，改进的位姿计算算法能够消除耦合，同时确保结果的准确性。作者还指出所提出方法在后续研究中的两个改进方向，即所设计ToF测量范围需要根据其他任务要求进行扩展；所提出算法考虑的反射器结构相对简单，具有复杂结构和构型反射器的方案需要进一步研究。

（受访者供图）

（来源：科技日报）

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