针对基于视觉传感器的微小卫星大视距交会对接中, 合作目标难以被相机清晰识别的问题, 本文设计了一种一体化新型合作靶标, 在100 m~100 mm测量范围内, 实现由远及近高精度双星相对位姿解算。首先, 建立合作目标模型, 确定合作目标类型; 其次, 采用PnP(Perspective-n-Point)算法设计合作目标特征点的个数与尺寸; 然后, 根据相机视场、焦距与合作靶标的约束关系, 确定合作目标模型尺寸; 最后, 通过理论与实验相结合的手段进行验证。仿真实验结果表明, 在双星相对距离为100 m时, 姿态误差小于4.01°, 位置误差小于7.57 mm。在相对距离为100 mm时, 姿态误差小于0.06°, 位置误差小于0.02 mm。

用一台数码相机拍摄同心圆靶标的照片, 求出照片中这两个椭圆的方程。研究了一种解算方法, 能用这两个椭圆方程的系数直接算出同心圆靶面的姿态。再求出椭圆平行于透视轴的切线及其切点的位置。利用这些切点的坐标解算同心圆圆心的像点位置和相机的焦距。如果知道同心圆的半径还可以求出同心圆靶的位置。所提方法可在停机坪标定飞机上的方向舵的角位移传感器; 或用于追踪航天器自主测量目标航天器的相对位置姿态。

针对三维空间交会对接中的异面非圆轨道转移规划问题, 提出了一种基于粒子群算法(PSO)的多脉冲异面交会对接能量最优的转移轨道优化算法。该算法以二体动力学方程及脉冲变轨理论构造空间多脉冲异面交会对接优化模型; 通过引入 Lambert 算法处理终端约束条件, 减少未知变量的个数从而简化问题。然后, 将追踪飞行器变轨过程中脉冲的作用时刻、方向、大小设计成待优化变量, 以交会对接过程中消耗能量、终端约束条件等为目标函数, 基于PSO优化了最省燃料转移轨道。在MATLAB中对四脉冲交会对接问题进行了仿真测试, 并与相同初始条件下, 采用Lambert算法的双脉冲交会对接仿真结果进行了对比。结果显示: 在本文所给算例条件下, 采用PSO优化的四脉冲交会对接过程所需速度增量为4.4243 km/s, 而采用Lambert算法的双脉冲对接过程所需速度增量为11.2691 km/s, 前者节省了60%的能量。数据表明, 设计方案有效节省了燃料消耗, 从而证明了设计方法的有效性。

针对空间交会对接的近距离位姿测量要求, 提出了一种基于单目视觉的二维合作目标位姿解算算法。为方便空中移动平台的调整以满足特定的位姿关系, 引入了一种新的姿态角定义方法, 此方法定义的三个姿态角可以作为平台姿态调整的反馈量且不受旋转顺序的限制。平面模型相对于相机坐标系的三个姿态角和位置向量可通过平面单应矩阵直接导出。在测量实验中, 算法基于DSP平台实现, 合作目标由4个共面LED光源构成, 测量值基准由高精度倾角传感器和全站仪获得。对空间位置变化范围为2 m×2 m, 姿态角变化范围为-30°~30°的目标平面进行测量, 结果表明, 本算法可实现0.88%的相对位置定位误差和最大为0.996°的姿态角测量误差, 且单帧算法的解算速度仅为0.25 ms。

激光雷达合作目标是激光交会对接雷达测量系统重要组成部分。针对激光交会对接雷达系统测量需求，首次采用远近场双合作目标设计方式，实现对激光信号原路返回，用于目标飞行器在远场时快速搜索捕获，近场时精确测量。对于远场合作目标采用了多维阵列构型，通过仿真分析，在有效视场90°×105°范围内最小有效反射面积不低于100 cm²，保证了对激光信号反射能力和目标捕获能力。所设计的激光雷达合作目标满足了激光交会对接雷达系统应用要求。

提出了利用单目视觉与激光测距仪混合的航天器间相对位置和姿态参数测量的解析算法。首先利用四元数测量算法，采用5个非共面特征光点和单目视觉获取航天器间相对位置和姿态参数的解析解，并对解析解进行修正；然后，将上述6D位姿参数与激光测距仪获取的1D距离进行融合，以进一步对6D位姿参数进行修正。最后，通过计算实例对该算法进行数学仿真，仿真结果表明：该算法保证了在相机标定和特征光点提取及匹配较大误差下的位姿参数的估计精度，能够满足航天器相对位姿确定精度和实时计算要求。

设计了一种空间交会对接探测器光学系统。系统根据超焦距原理增大光学景深，通过像方远心光学结构，解决了变化物距下标志灯信号光在CCD成像面上成像质心不稳定的问题，应用改进的库克物镜结构有效地校正了对成像质心位置影响较大的垂轴像差。光学系统光学总长为36 mm，系统采用6片透镜元件，全部为球面结构，均为普通商用玻璃，避免了特种玻璃的使用。在800~880 nm波段，0.5~130 m物距下，系统的光学绝对畸变设计值优于±1 μm，视场角探测设计精度近似10″。设计的系统探测精度高，制造成本低，结构紧凑，适用于高精度空间飞行器交会对接领域。

针对空间碎片探测相机光学镜头的设计要求，提出了一种全新的紧凑型、小型化、轻量化、高像质、可全天候工作、使用环境恶劣的光学镜头，突破了以往该类系统结构复杂、体积大、重量重、仅有一个焦距的瓶颈。利用衍射光学元件特殊的特性进行消色差和消热差设计，并利用锗和硅混合来校正系统色球差，最终设计镜头的焦距为30,120 mm，相对孔径为1/4。设计结果表明，在空间频率16 lp/mm处，-40～60 ℃温度范围内，短焦距、长焦距的传递函数值分别优于0.45和0.55，接近衍射极限；短焦距、长焦距的最大RMS弥散斑直径分别为15.8,7.2 μm，远小于探测器像元尺寸30 μm，表明该系统在实际使用温度环境下具有良好的成像质量。

以空间非合作目标探测为背景，提出了一种折衍射混合中波红外双视场光学系统的设计。与连续变焦光学系统相比，红外双视场光学系统具有结构简单、装调容易、能够实现快速视场切换等特点。设计了一款轻量化、结构紧凑的折衍射混合红外双视场光学系统，系统采用二次成像结构，通过变焦组的轴向移动实现双视场，工作波段为3.7～4.8 μm，由7片透镜组成，可实现160 mm/40 mm两档变焦，满足100%冷光阑效率，具有结构紧凑、像质高和成本低等优点。

本文提出一种飞船交会对接用测距敏感器地面实验远距离测距精度验证方法，即利用电子经纬仪工业测量系统对测距敏感器本体坐标系进行导出，通过控制点对其描述。通过坐标系转换将测距敏感器本体坐标系与高精度大地测量控制网进行坐标系统一。利用高精度全站仪对敏感器反射靶标进行坐标测量。对全站仪测量距离进行数学计算，与测距敏感器直接测量的结果进行比较，得到测距敏感器远距离测量精度。