[發明專利]一種基于小行星序列圖像的深空探測器光學導航方法

有效

• 申請號: 201310418426.4
• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN103512574A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 唐歌實;卜彥龍;劉勇;曹建峰;王保豐;胡松杰;王鎵;李羿霏;張強;黨瑞鵬;李黎
• 申請（專利權）人: 北京航天飛行控制中心
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 國防專利服務中心 11043
• 代理人: 劉曉鵬;胡永貴

1.一種基于小行星序列圖像的深空探測器光學導航方法，其特征在于包括如下步驟：

1）針對深空探測器在無姿態調整、無軌道維持的自由飛行狀態下與小行星的近距離交會模式，當相對運動關系能夠用勻速直線平動描述時，則建立基于多視幾何理論的三個約束關系：

（1）極點約束：所有小行星序列圖像的極點坐標(u_e,v_e)相同，所有反對稱矩陣[e_n,m]_×的形式統一表達為[e]_×，且有：

[en,m]×=[e]×=0-1ve10-ue-veue0]]>

對于小行星圖像序列中的任意一對圖像I_m和I_n所構成的基礎矩陣F_m,n統一表達為F，且有：

F_m,n＝F＝[e]_×

（2）姿態約束：所有成像位置相機與小行星的相對姿態相同，若以首幅圖像的相機姿態為單位陣I建立成像坐標系，則其余各圖像的相機旋轉矩陣R_n統一表達為R，且有：

R_n＝R＝I

（3）尺度約束：任意兩次連續成像之間，相機相對運動距離相同，圖像I_m和I_n間相機的相對位移矢量表達為：

t_m-t_n＝(n-m)·vδt

其中：t_m、t_n分別為圖像I_m、I_n成像處相對于原點的位移矢量，v為探測器和小行星的相對運動速度矢量，δt為相機曝光的時間間隔；

2）按照以下步驟，將約束與多視幾何關系相結合，進行世界坐標系下探測器成像點與小行星特征點的空間坐標解算：

（1）將探測器相機圖像序列中的任意一對圖像I_m和I_n進行同名點匹配，第i對匹配點m_i和n_i的像面齊次坐標分別為x_i,m＝(x_i,m,y_i,m,1)^T和x_i,n＝(x_i,n,y_i,n,1)^T；

（2）根據上述極點約束，通過以下關系式計算兩圖像I_m和I_n間的基礎矩陣F_m,n，并計算其最優值F：

xi,nTFm,nxi,m=0]]>

其中：F_m,n＝[e_m,n]_×

F=Fm,n‾=[em,n‾]×]]>

（3）根據本質矩陣與基礎矩陣的關系，通過以下公式計算歸一化的本質矩陣E：

E=K′TFK]]>

K′=K=Fx0Cx0FyCy001]]>

其中，F_x、F_y為相機成像面x方向y方向的等效焦距，C_xC_y為相機主點坐標，K、K′均為相機內參數矩陣；

（4）設世界坐標系的原點建立在圖像I_m的成像處，世界坐標系坐標軸與該位置處的相機坐標系的三個坐標軸重合；將上述姿態約束代入本質矩陣的定義關系式，計算世界坐標系下，探測器在I_n成像處的歸一化坐標T_norm；

根據上述姿態約束，計算反對稱矩陣[T]_×：

[T]_×＝[T]_×R＝E

[T]_×為由矢量T＝[T_X,T_Y,T_Z]^T定義的反對稱矩陣，表達為:

[T]×=0-TzTYTZ0-TX-TYTX0]]>

對T進行歸一化得到坐標T_norm：

Tnorm=[TX,TY,TZ]/TX2+TY2+TZ2]]>

（5）在歸一化尺度下，計算兩圖像I_m和I_n上的同名點在世界坐標系的三維坐標；根據共線方程，解出同名點在世界坐標系的三維坐標；

（6）根據上述尺度約束，將探測器與小行星的相對運動速率外測值作為尺度因子，對上述步驟（4）和（5）中所有歸一化坐標乘以尺度因子；以探測器成像點坐標代表探測器質心位置坐標，得到與I_m、I_n成像時刻相對應的小行星和探測器空間相對位置關系；

3）基于上述相對位置坐標計算探測器與小行星的空間相對導航信息，包括：最近交會距離、交會角度，以及距離隨時間的變化關系；具體方法如下：

（1）計算探測器與小行星的最近交會距離

（i）通過各同名點的世界坐標系坐標，并基于平均加權準則計算小行星形心的世界坐標系坐標X_AC，以此作為小行星質心坐標的近似值；

（ii）根據上述三個約束關系，在世界坐標系中計算通過圖像I_m與I_n成像處坐標X_m與X_n的直線l_mn，得到探測器與小行星的相對運動軌跡：

(lmn-Xm)⊗(lmn-Xn)=0]]>

（iii）按照空間點到直線的距離計算公式，計算小行星質心與探測器相對運動軌跡的距離，得到最近交會距離；

（2）計算探測器與小行星的交會角度

（i）根據小行星各同名點的世界坐標系坐標，計算正攝投影面上歐式距離最遠的兩點，以此作為小行星在正攝投影面上的長度L_P；

（ii）根據已知小行星長度L_A，通過以下關系式計算交會角度θ：

cosθ=LALP]]>

（3）計算探測器與小行星空間位置隨時間變化關系

（i）固定圖像I_m，記為I₁，隨成像時間改變圖像I_n，分別記為I₂，I₃，…依次構成探測器成像對(I₁,I₂),(I₁,I₃),…；

（ii）按照前述步驟2）分別計算世界坐標系下小行星、I_m成像點、I_n成像點的空間三維位置坐標，將位置序列相連，形成探測器成像位置軌跡；

（iii）按照所需要的時刻對探測器交會軌跡上的成像位置進行插值，得到交會成像期間任意時刻探測器的位置。