[發(fā)明專利]基于星箭對接環(huán)圖像信息的航天器姿態(tài)估計方法

有效

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• 申請日: 2018-03-30
• 公開（公告）號: CN108492333B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發(fā)明（設計）人: 魏承;王典軍;郭玲華;經(jīng)姚翔;鄂薇;王萍萍;趙陽
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: G06T7/73
• 分類號: G06T7/73;G06T7/80;G06K9/46;G06K9/62
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

基于星箭對接環(huán)圖像信息的航天器姿態(tài)估計方法，涉及航天器姿態(tài)估計方法。本發(fā)明為了解決針對單一的單目視覺測量系統(tǒng)實現(xiàn)基于星箭對接環(huán)的姿態(tài)估計具有二值性導致的需要額外測量信息來去除虛假解的問題。本發(fā)明采用快速橢圓提取算法對具有星箭對接環(huán)的衛(wèi)星三維模型仿真圖片進行橢圓提取，進而根據(jù)空間同心圓環(huán)的代數(shù)約束關系求解出空間圓環(huán)法向量，從而確定出空間圓環(huán)平面法向量在攝像機坐標系下的方向矢量，實現(xiàn)了基于單目視覺系統(tǒng)，在不依靠額外的測量信息的情況下，獨立對圓心未知、半徑未知的星箭對接圓環(huán)平面法向量進行計算，從而得到目標航天器相對于跟蹤航天器的姿態(tài)角。本發(fā)明用于的航天器的姿態(tài)估計。

技術領域

本發(fā)明屬于航天器位姿測量方法領域，涉及航天器姿態(tài)估計方法。

背景技術

空間非合作目標一般不具有可以進行輔助測量的標識，其姿態(tài)也未知，并且不能與其他衛(wèi)星進行直接的星間信息交流，因此對其進行位姿測量具有較大的難度。星箭對接環(huán)作為航天器普遍存在的結構，能夠提供空間圓形特征，空間圓通過攝像機映射到圖像平面后會變成橢圓形，很多學者基于單目視覺利用圓及其投影特征的定姿方法進行了廣泛的研究。由于基于單目視覺對單個空間圓定姿具有二值性，且無法正確剔除虛假解，因此在基于星箭對接環(huán)的定姿方法中，都需要增加額外信息，不能僅依靠單一的單目視覺測量系統(tǒng)來實現(xiàn)基于星箭對接環(huán)的姿態(tài)估計。但是在實際衛(wèi)星系統(tǒng)中，增加測量設備會影響衛(wèi)星的總體設計，而且測量效果容易受到外部干擾。所以研究在不依靠額外測量信息的單目視覺測姿方法，在工程測量中有著廣泛的應用前景，能夠為空間非合作目標的姿態(tài)估計提供參考。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決針對單一的單目視覺測量系統(tǒng)實現(xiàn)基于星箭對接環(huán)的姿態(tài)估計具有二值性導致的需要額外測量信息來去除虛假解的問題。進而提出了一種基于星箭對接環(huán)圖像信息的航天器姿態(tài)估計方法。

基于星箭對接環(huán)圖像信息的航天器姿態(tài)估計方法，包括以下步驟：

步驟1：星箭對接環(huán)橢圓提取：利用快速橢圓檢測方法對衛(wèi)星模型的仿真圖像進行處理，將星箭對接環(huán)內(nèi)環(huán)與外環(huán)提取出來；

步驟2：計算相機內(nèi)參數(shù)矩陣：通過攝像機標定計算相機內(nèi)參數(shù)矩陣；

步驟3：計算空間點與其通過攝像機投影到圖像上點之間的對應關系：建立圖像坐標系、攝像機坐標系與世界坐標系，并計算三個坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系；

步驟4：計算空間圓投影方程：根據(jù)空間同心圓環(huán)的代數(shù)約束關系計算空間圓投影方程；

步驟5：計算單應性矩陣：根據(jù)投影同心圓環(huán)的代數(shù)約束關系計算單應性矩陣；

步驟6：計算星箭對接環(huán)所在平面的法向量：世界坐標系坐標軸在攝像機坐標系下的方向向量計算星箭對接環(huán)所在平面的法向量；

步驟7：計算目標航天器相對于跟蹤航天器的姿態(tài)角：根據(jù)星箭對接環(huán)所在平面的法向量計算航天器姿態(tài)角。

進一步地，步驟1所述的星箭對接環(huán)橢圓提取的具體過程包括以下步驟：

首先進行圓弧提取，包括邊緣檢測、圓弧檢測和圓弧凸性分類；然后對橢圓進行檢測，包括圓弧篩選和參數(shù)估計；最后進行后處理操作，包括驗證和聚類分析。

進一步地，步驟2所述計算相機內(nèi)參數(shù)矩陣的過程如下：

相機內(nèi)參數(shù)矩陣K為

式中：k_x與k_y為相機等效焦距；u₀與v₀為相對于成像平面的主點坐標。

進一步地，步驟3所述計算空間點與其通過攝像機投影到圖像上點之間的對應關系的過程如下：