[發(fā)明專利]基于序列圖像軸線的空間翻滾衛(wèi)星自旋姿態(tài)優(yōu)化估計方法

有效

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• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN109931925B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發(fā)明（設計）人: 郭鵬宇;曹璐;李獻斌;冉德超;朱效洲
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍軍事科學院國防科技創(chuàng)新研究院
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00
• 代理公司: 11534 北京奧文知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 張文;苗麗娟

本發(fā)明公開了一種基于序列圖像軸線的空間翻滾衛(wèi)星自旋姿態(tài)優(yōu)化估計方法。該方法用于實現(xiàn)空間翻滾衛(wèi)星的自旋姿態(tài)優(yōu)化估計，該方法包括步驟：建立三維衛(wèi)星軸線與二維衛(wèi)星圖像軸線成像幾何關系、提取二維衛(wèi)星圖像軸線和非線性迭代優(yōu)化求解空間翻滾衛(wèi)星與空間監(jiān)視相機的相對姿態(tài)。本發(fā)明的基于序列圖像軸線的空間翻滾衛(wèi)星自旋姿態(tài)優(yōu)化估計方法根據(jù)自旋軸和自旋角速率初值，僅利用序列圖像軸線特征與衛(wèi)星主軸的對應關系，即可實現(xiàn)遠距離或低分辨相機觀測條件下的空間翻滾衛(wèi)星自旋姿態(tài)估計，無需依賴點線等高分辨圖像特征和精確的目標衛(wèi)星模型；且在自旋軸和自旋角速率初值較優(yōu)的情況下，通過迭代優(yōu)化能具有更高的估計精度，簡單易實現(xiàn)。

技術領域

本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)估計技術領域，具體涉及一種基于序列圖像軸線的空間翻滾衛(wèi)星自旋姿態(tài)優(yōu)化估計方法。

背景技術

空間失效衛(wèi)星指的是因燃料耗盡和系統(tǒng)故障等問題而失效的衛(wèi)星，空間失效衛(wèi)星隨著能量耗散，在攝動力的作用下，會形成繞其本體最大慣性軸慢旋的翻滾狀態(tài)；為了保證失效衛(wèi)星交會對接、在軌捕獲和在軌維修等操作的安全性和可靠性，需要對失效衛(wèi)星的位置及姿態(tài)進行估計確定。

目前，針對空間翻滾非合作目標的姿態(tài)估計問題，通常采用激光雷達和光學相機來進行解決。其中，采用激光雷達來實現(xiàn)目標姿態(tài)估計時，通過利用激光雷達得到的目標三維點云，結合已知的目標模型，通過三維配準以對目標姿態(tài)進行估計，但由于激光雷達的掃描距離的限制，當觀測目標距離較遠時，采用激光雷達難以完成目標相對姿態(tài)的估計；采用光學相機來實現(xiàn)目標姿態(tài)估計時，根據(jù)相機不同的配置，星上視覺測量系統(tǒng)可以包括立體視覺系統(tǒng)和單目視覺系統(tǒng)兩類。

其中，立體視覺系統(tǒng)以雙相機為典型配置，通過對立體圖像對的同名特征匹配，先計算目標三維形狀，再通過三維匹配估計目標相對姿態(tài)；但立體相機安裝的基線長度會對觀測范圍和測量精度造成影響，當觀測相機距目標距離遠大于基線長度時，立體視覺系統(tǒng)基本不能發(fā)揮測量作用。單目視覺系統(tǒng)利用單相機，設備簡單且不受基線影響，使用較為廣泛，其常用方法包括基于模型的三維跟蹤方法、基于圖像特征的位姿估計方法和視覺SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，同步定位與建圖)方法。但由于三維跟蹤方法需要已知目標精確的三維模型，位姿估計方法需要有點和線高分辨圖像特征，且需已知這些特征的物方坐標，視覺SLAM方法需要序列圖像間大量的同名點特征；因此在遠距離觀測或成像能力有限時，由于精確三維模型較難得到，圖像特征不明顯，上述方法均較難實現(xiàn)目標相對姿態(tài)的估計確定。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述現(xiàn)有技術中存在的技術問題，本發(fā)明提供一種基于序列圖像軸線的空間翻滾衛(wèi)星自旋姿態(tài)優(yōu)化估計方法，利用序列圖像軸線特征與衛(wèi)星主軸的對應關系，實現(xiàn)在遠距離觀測及成像能力有限的條件下的衛(wèi)星自旋姿態(tài)估計。

為此，本發(fā)明公開了一種基于序列圖像軸線的空間翻滾衛(wèi)星自旋姿態(tài)優(yōu)化估計方法。所述方法用于實現(xiàn)空間翻滾衛(wèi)星的自旋姿態(tài)優(yōu)化估計，所述方法包括：

建立三維衛(wèi)星軸線與二維衛(wèi)星圖像軸線成像幾何關系：設定世界坐標系、相機坐標系與衛(wèi)星本體坐標系的相互關系，根據(jù)三維衛(wèi)星軸線與二維衛(wèi)星圖像軸線的共面約束關系，建立所述三維衛(wèi)星軸線與所述二維衛(wèi)星圖像軸線的成像幾何關系；

提取二維衛(wèi)星圖像軸線：基于空間監(jiān)視相機拍攝的序列二維衛(wèi)星圖像，利用圖像處理算法，提取序列二維衛(wèi)星圖像軸線；

非線性迭代優(yōu)化求解所述空間翻滾衛(wèi)星與所述空間監(jiān)視相機的相對姿態(tài)：確定所述空間翻滾衛(wèi)星與所述空間監(jiān)視相機的相對姿態(tài)初值，選取代數(shù)誤差最小化為目標函數(shù)，利用非線性迭代方式，優(yōu)化求解所述空間翻滾衛(wèi)星與所述空間監(jiān)視相機的相對姿態(tài)。