挖掘宇宙中小天體的有效信息是了解太陽(yáng)系起源和演化過(guò)程的重要途徑,具有重大的科學(xué)價(jià)值。近年來(lái),我國(guó)正在對(duì)小天體探測(cè)任務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行克難攻關(guān)。宇宙的空間環(huán)境較為復(fù)雜,小天體的形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有一定的未知性,這對(duì)遠(yuǎn)距離飛行導(dǎo)航和獲取天體有效信息的技術(shù)提出了更高的要求。因此,在接近段探測(cè)的觀測(cè)條件有限的情況下,準(zhǔn)確進(jìn)行飛行導(dǎo)航并高效獲取小天體的深度信息,有利于探測(cè)器后續(xù)階段任務(wù)研究的順利進(jìn)行,具備重要的研究意義。在深空探測(cè)的飛行接近段,航天器以目標(biāo)天體作為指向進(jìn)行導(dǎo)航工作,因此小天體形心提取的結(jié)果直接影響到導(dǎo)航工作的準(zhǔn)確度。同時(shí),在此階段根據(jù)小天體的亮度變化反演計(jì)算出其旋轉(zhuǎn)軸的方向和模型參數(shù),既可以為后續(xù)精確求解旋轉(zhuǎn)軸方向的算法提供良好的參考信息,又可以估計(jì)出小天體的初始三維模型。針對(duì)以上任務(wù),本文利用探測(cè)器窄視場(chǎng)相機(jī)在接近段拍攝的小天體圖像序列,闡述并實(shí)現(xiàn)了基于光變曲線的小天體三維建模和旋轉(zhuǎn)軸方向的估計(jì)方法,主要研究?jī)?nèi)容有:1.在遠(yuǎn)距離探測(cè)階段,根據(jù)天球坐標(biāo)系、空間坐標(biāo)系和相機(jī)成像坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系解析星表,建立了合理的恒星成像模型來(lái)模擬觀測(cè)時(shí)符合條件的星空背景,結(jié)合仿真圖像作為本文的... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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接近段不同

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-8-第2章小天體探測(cè)接近段視覺(jué)相關(guān)任務(wù)描述2.1引言小天體探測(cè)的接近段是一段漫長(zhǎng)的旅程。對(duì)于絕大多數(shù)探測(cè)任務(wù)而言，探測(cè)段從距離目標(biāo)天體較遠(yuǎn)的位置拍攝第一張圖片，持續(xù)到飛行至距離目標(biāo)只有幾十千米，不同距離對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)圖像示例如圖2-1所示。在整個(gè)接近段過(guò)程中，針對(duì)探測(cè)任務(wù)不同的需求，探測(cè)器采取了不同的行動(dòng)任務(wù)。例如，相位觀測(cè)用于獲取小天體的反照率、觀測(cè)天體形狀模型來(lái)獲取其自轉(zhuǎn)信息等等。本章對(duì)接近段的任務(wù)流程進(jìn)行了簡(jiǎn)介，隨后通過(guò)解析星表與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換模擬了探測(cè)器在軌觀測(cè)的星空背景與恒星成像。(a)190萬(wàn)千米發(fā)現(xiàn)目標(biāo)(b)9750千米觀測(cè)(c)3650千米觀測(cè)(d)330千米觀測(cè)(e)136千米觀測(cè)(f)50千米觀測(cè)圖2-1接近段不同距離觀測(cè)目標(biāo)示例2.2接近段任務(wù)流程本小節(jié)以美國(guó)OSIRIS-REx探測(cè)貝努小行星任務(wù)為例。總體來(lái)說(shuō)，接近段的主要目標(biāo)是從大約200萬(wàn)千米處開(kāi)始，用窄視場(chǎng)相機(jī)收集貝努小行星的光學(xué)圖像，使用圖像信息開(kāi)始推導(dǎo)小行星的形狀模型、建立坐標(biāo)系并初步估計(jì)貝努的自轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)觀察貝努周邊空間的氣流塵埃變化以及自然衛(wèi)星。接近段的具體任務(wù)、目

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-10-光譜特性，檢測(cè)其中吸收深度大于5％的光譜特征，同時(shí)測(cè)量熱輻射的通量來(lái)獲取小行星的熱慣量。將光譜特征的觀測(cè)結(jié)果與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以得到小行星縱向表面的變化信息；熱慣量數(shù)據(jù)可以為小行星表面特定位置的測(cè)量提供參考。在150千米處開(kāi)始進(jìn)行天體形狀模型觀測(cè)。該過(guò)程生成分辨率超過(guò)100萬(wàn)的75cm形狀模型、指定其子午線并定義坐標(biāo)系，確定小行星的旋轉(zhuǎn)極點(diǎn)并測(cè)定旋轉(zhuǎn)周期，同時(shí)生成數(shù)字地形模型。2.3星圖成像模擬方法本小節(jié)主要介紹小天體在軌觀測(cè)的星空背景模擬方法，星圖成像是檢測(cè)星敏感器性能的一種有效方法，模擬恒星的目標(biāo)是讓仿真圖片盡可能與實(shí)際場(chǎng)景中拍出的圖片相似，其相似程度代表了模擬成像的真實(shí)性。因此，良好的星圖成像方法可以結(jié)合仿真圖像為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供有效可靠的圖片集，是后續(xù)實(shí)驗(yàn)的前提條件。2.3.1姿態(tài)的表示方式探測(cè)器姿態(tài)是判斷其飛行軌跡是否正常的重要依據(jù)，探測(cè)器在飛行過(guò)程中需要測(cè)量自己的姿態(tài)進(jìn)而進(jìn)行下一步的狀態(tài)調(diào)整。常用的姿態(tài)表示方式有歐拉角和四元數(shù)兩種。1.歐拉角歐拉角是一種可以直觀感受物體旋轉(zhuǎn)過(guò)程的表達(dá)方式，歐拉定理指出，任一坐標(biāo)系可以由另一坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)三次繞軸旋轉(zhuǎn)變化得到，隨著繞軸旋轉(zhuǎn)的先后順序不同，歐拉角共有六種表達(dá)方式。因此使用歐拉角對(duì)姿態(tài)進(jìn)行描述時(shí)，要給出旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)順序。以(,,)的旋轉(zhuǎn)順序?yàn)槔鐖D2-2所示，以綠色坐標(biāo)系代表全局坐標(biāo)系，保持不動(dòng)；以紅色坐標(biāo)系代表局部坐標(biāo)系，隨著物體一起進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，則旋轉(zhuǎn)過(guò)程表示為：首先，局部坐標(biāo)系系繞物體坐標(biāo)系的Z軸旋轉(zhuǎn)角度，再繞自己的X軸旋轉(zhuǎn)角度，最后繞自己的Z軸旋轉(zhuǎn)角度。圖2-2歐拉角轉(zhuǎn)換關(guān)系經(jīng)過(guò)上述旋轉(zhuǎn)過(guò)程后，局部坐標(biāo)系可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣的運(yùn)算由原坐標(biāo)系得到：

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
[1]高精度全天時(shí)星敏感器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 何家維.中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所） 2013
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本文編號(hào)：3603995