摘要
本文来源于哈尔滨工业大学模式识别与智能系统研究中心承担的项目。课
题中，上升器进入绕月轨道，轨道器调整自身姿态与其进行交会对接。本文主
要模拟这一过程对接停靠（两航天器距离100m到0.3m）阶段，生成数字仿真
图象序列，并且对仿真图像序列进行特征提取、目标跟踪，估算上升器位姿。
本文根据两航天器构造，轨道数据和相对位姿，建立数字仿真模型。研究
模拟轨道器上可见光相机对上升器成像原理，生成数字仿真图像序列，建立仿
真图像数据库。
对于数字仿真图像，本文应用背景减除法进行运动目标检测。背景减除法
在上升器距离相机较远的仿真图像中表现较好，获得包含完整的运动目标的前
景图像。在前景图片中，进行轮廓跟踪。轮廓跟踪方法简单高效，可以检测出
完整的、闭合、序列化的轮廓。利用线性预测方法跟踪轮廓，计算形心。同时
用canny算子提取航天器边缘信息，实现仿真数据库中轮廓和边缘数据的获取。
随着模型中上升器逐渐接近可见光相机，仿真图象中可以提取到特征点和
直线等局部特征。本文用SURF和ORB两种方法对特征点进行提取。SURF和
ORB特征都具有尺度不变性和旋转不变性。SURF特征具有64维描述子，作
为仿真数据库中的特征点提取方法，利于后续实验中机器学习方法的应用；
ORB特征运算速度较快，作为实时仿真的特征点提取方法，匹配速度较快。同
时，应用概率Hough方法提取直线特征，实现仿真数据库中直线数据的获取。
本文选择显著的ORB特征点，运用模板匹配和光流法跟踪特征点，并运
用EPnP算法计算上升器位置姿态。对于仿真图象和模板中的ORB特征，利用
随机抽样一致性方法（RANSEC）求得单应性矩阵，将模板上的显著特征点投
影在目标仿真图象上。接着应用Lucas-Kanade改进光流法对显著特征进行跟踪。
光流法的运算速度相较模板匹配较快，可以跟踪到随上升器一起运动的显著特
征点，且符合实时跟踪要求。根据显著特征点，应用EPnP算法计算上升器的
位置姿态，并实时显示在打靶数据三维模型上，实现基于显著特征点的交会对
接的安全性预测系统。
关键词：交会对接；数字仿真；特征提取；运动目标检测；姿态估计。
Abstract
Thispapercomesfromtheprojectofthecenterofpatternrecognitionand
intelligentsystemofHarbinInstituteofTechnology.Intheproject,theascending
spacecraftenterstheorbitaroundthemoon,andtheorbiteradjustsitspostureto
carryouttherendezvousanddockingprocedure.Thispapermainlysimulatesthe
processofdocking(thedistanceoftwospacecraftfrom100mto0.3m)togenerate
digitalsimulationimagesequences,andcarriesoutfeatureextractionandtarget
trackingforthesimulationimagesequence,andestimatesthepositionandposeof
theascendingdevice.
Basedonthetwospacecraftstructure,orbitdataandrelativepose,adigital
simulationmodelisestablished.Theimagingprincipleofthevisiblelightcameraon
thesimulatorisstudied,andthedigitalsimulationimage