[發明專利]一種基于單相機導航影像的巡視探測器定位方法

有效

• 申請號: 201910047092.1
• 申請日: 2019-01-18
• 公開（公告）號: CN109631876B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 徐辛超;徐宗秋;鄭濤;劉明躍;李旭佳
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 劉曉嵐

本發明提供一種基于單相機導航影像的巡視探測器定位方法，涉及航空航天技術領域。該方法首先定義多個坐標系，然后計算某一導航相機攝影中心在巡視器零位坐標系下的坐標及導航影像中特征點在導航影像中對應的像點的像平面直角坐標，進而得到該點在零位坐標系、本體坐標系和巡視坐標系下的坐標；根據導航影像攝影中心位置，結合零位坐標系原點與攝影中心的偏移量、本體坐標系原點與零位坐標系原點在巡視坐標系下的偏移量，得到巡視器本體坐標系原點在巡視坐標系下的坐標，實現最終定位。本發明提供的基于單相機導航影像的巡視探測器定位方法，即使在一臺導航相機發生故障時，采用兩個控制點即可實現高精度定位，依賴的初始條件更少。

技術領域

本發明涉及航空航天技術領域，尤其涉及一種基于單相機導航影像的巡視探測器定位方法。

背景技術

巡視探測器的高精度導航定位是能否開展深空科學考察任務的關鍵技術之一。高精度的定位可以確保巡視器的安全，高精度的姿態信息可以確保其與地面控制系統保持較好的指向角度。現有巡視探測器高精度定位方法主要包括基于里程計和IMU的定位方法、基于攝影測量的定位方法?；诶锍逃嫼虸MU的定位方法存在累積誤差，因此，必須采用基于攝影測量的方法進行必要的修正。在控制點豐富的區域，采用現有的光束法等攝影測量定位方法可以完成定位，但是其需要依賴里程計和IMU測量的姿態數據作為初值；而紋理匱乏的區域，控制點數量少，可能無法滿足巡視探測器定位所需的數量，造成定位失敗。

針對巡視探測器的定位方法，國內很多學者展開了相關研究。2006年石德樂等人提到了星地敏感器測量、甚高頻多普勒跟蹤、慣性導航系統和里程計的組合測量以及視覺里程計技術，以恒星和無線電系統來確定巡視探測器的粗略位置，然后根據前后立體圖像的匹配點對采用最大似然法估計巡視探測器的位姿信息。2014年吳偉仁等通過提取匹配特征點，并根據左圖像特征點在其右圖像中提取同名特征點，然后將這些特征點作為觀測點，建立兩站點雙相機測量定位模型，通過立體空間交會算法解算得到巡視探測器當前站點相對于上一個站點的位姿信息。2014年劉傳凱等提出了利用慣導和視覺組合進行月面導航與精確定位的實現方法，通過IMU姿態測量參數，結合Affine-SIFT匹配，進而通過光束法平差多次迭代計算獲得精確的定位結果。2014年王保豐等將SIFT匹配、相關系數匹配、最小二乘匹配和光束法平差等多項技術融合，實現了相鄰站間月面巡視器的導航定位。2014年馬友青等將系數矩陣和像點坐標觀測值視為包含隨機誤差，使加權總體最小二乘平差理論應用于月面巡視探測器立體圖像相對定向模型，并將理論和加權總體最小二乘平差理論引入到月面巡視探測器立體圖像條帶網模型中，實現了探測器的定位。2014年劉紹琴等提出了基于DOM匹配的定位方法，利用導航相機生成的DOM與嫦娥二號生成的DOM進行特征匹配，，根據匹配的結果實現月球車在嫦娥二號衛星影像上的定位。2014年許柏等提出了通過多種坐標系統相互轉換方法，實現了巡視器直接定位。2015年劉少創等提出了適用于月面環境無高精度控制點的立體圖像條帶網定位方法。在精確相機標定參數的基礎上計算出立體相機的攝影基線和相對方位元素，然后，通過像點匹配、前方交會完成圖像的立體模型構建，根據不同攝站間的連接點序列建立立體圖像條帶網，最終通過最小二乘平差，直接獲得月面巡視探測器的位置與姿態信息。2015年徐辛超等提出了基于影像的單攝站定位方法，驗證了空間后方交會迭代法、直接法和線性變換法的精度和穩定性，最終得出空間后方交會迭代法效果最優的結論。2018年邢琰等提出了一種利用巡視器的視覺系統進行導航定位的方法。利用巡視探測器的視覺系統(一般為立體相機)分別對太陽、地球進行觀測，獲取太陽、球圖像，通過像心提取得到日地矢量。利用加速度計測量巡視器的傾斜姿態，并結合星歷計算，引入雙矢量定姿計算，求解出巡視器的航向及位置信息。2013年Ning等提出了一種基于INS/CNS(天體導航系統)組合的初始位置和姿態確定方法，用于輔助進行后續巡視探測器的定位。2008至2009年Li和Di等采用光束法平差模型實現了火星車的視覺定位解算。該方法的基本原理是將導航相機和全景相機在不同站點拍攝的圖像連接起來構成圖像網，通過對圖像網的攝影測量進行光束法平差，提高圖像位置和方位參數以及地面點位置的精度和一致性。