基于特征点位置及速度的空间非合作目标质心位置测量方法

摘 要 对于空间非合作目标，地面上所用的质心位置测量方法难以实现。提出了一种应用摄像测量学实现质心位置测量的新方法。首先采用双相机对目标进行拍摄，通过特征点的匹配计算目标表面上特征点的位置及速度; 再通过这些特征点的位置及速度，结合刚体运动学理论，计算目标的质心位置。仿真结果表明，本方法可以有效地实现目标的质心位置测量。

1 引 言

    质心测量对于空间飞行器的导航及控制至关重要，确定其质心对于分析其运动特性具有重大意义［1］。目前，通用的质心测量方法主要有平台支撑反力法、摇摆法、悬挂法、重力反应法以及零位法等［2］ 。这些方法都是在地面，通过人为地改变目标 的位置或运动状态，从而实现目标质心位置的测量。 但对于空间非合作目标，如故障卫星、失效卫星、空 间碎片以及外方航天器等，若要通过这些方法进行 质心位置测量，还必须对目标实施抓取并不断地对 其施加作用力。另一方面，空间中的重力加速度极 其微弱，很难有效地利用重力进行质心位置测量。 空间中的目标一般为空间碎片及人造卫星，这 些目标基本上都是刚体。在不失一般性的前提下， 可假设所测量的非合作目标为刚体，刚体上点的运 动可分解为质心的平动和绕质心的转动。传统的摄 像测量方法可以测量目标表面上的一些物理量，无 法深入目标的内部，求解目标的质心位置。本文则 针对空间非合作目标，将摄像测量学与刚体运动学 相结合，提出了一种利用特征点的位置及速度来测 量其质心位置的方法。本方法首先需要对目标进行 双目立体视觉拍摄，通过特征点的匹配计算目标表 面上特征点的位置和速度，再由这些特征点的速度 计算目标的转动速度，进而计算出目标的质心。

    关于特征点的提取和匹配问题，已经有很多现 成的算法可以采用: 利用双相机结合同一时刻双相 机图像之间的特征匹配可以计算特征点的位置，结 合相邻时刻同一摄像机图像之间的特征匹配可以计 算特征点的速度。故本文的论述重点在于取得特征 点的位置及速度之后，如何获取目标的质心位置，以 及质心位置测量方法的仿真验证。

2 目标质心位置测量方法

2． 1 目标质心位置测量问题的分析

假设通过特征点的提取匹配以及拍摄图像之间 的时间间隔，已经确定特征点 P i ( i = 1，2，3，…，n) 的 坐标为P i ( p xi ，p yi ，p zi ) ，速度为V i = ［v xi  v yi  v zi ］ T 。目 标的 质 心 O( o x ，o y ，o z ) 、质 心 的 平 动 速 度 T = ［t x  t y  t z ］ T 、转动速度 Ω = ［ω x  ω y  ω z ］ T 为未知量。 根据刚体运动理论，特征点 P i 的运动速度