低照度小样本限制下的失效卫星相对位姿估计与优化

作     者：刘付成 牟金震 刘宗明 韩飞 李爽 LIU Fucheng;MU Jinzhen;LIU Zongming;HAN Fei;LI Shuang

作者机构：上海航天技术研究院上海201109 上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109 南京航空航天大学航天学院南京210016 

出 版 物：《航空学报》 (Acta Aeronautica et Astronautica Sinica)

年 卷 期：2021年第42卷第4期

页      面：540-551页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

基　　金：国家重点研发计划(2016YFB0501003) 国家自然科学基金(61690214,11972182) 上海市科研专项(19511120900,19YF1420200) 

主　　题：失效卫星 旋转目标 生成式对抗网络 低照度图像增强 小样本 相对位姿估计 

摘      要：低照度图像信息受损严重,会导致失效卫星的位姿估计精度和鲁棒性降低。基于此,提出了无监督生成式对抗网络低照度图像增强模型。生成器以U-Net网络为基础,并设计密集残差连接结构。判别器设计为全局-局部的双辨别器结构,由传统的单一标量扩展为多标量判别。在小样本的条件下,基于进化训练与并行训练方式改进基于SinGAN的数据增广方法。最后,在基于ORB-SLAM位姿初始化的基础上,建立特征信息的局部地图,克服位姿估计对参考帧的依赖;通过关键帧ROI的稠密匹配,建立关于平面法向量和单目相机安装高度的非线性优化模型求解尺度因子;通过闭环检测后的相似性变换,构建关键帧集合的联合位姿图优化方程,实现对位姿矩阵的全局校正。实验结果表明:测量稳定后,低照度图像的姿态角误差最大值为4°,而图像增强后的姿态角误差最大为0.5°;对于以角速度20°/s运动的失效卫星旋转5周,相对静止下的跟踪测量为5周,1m水平方向机动下的跟踪测量为4.5周。可以满足失效卫星相对姿态测量的任务需求。