[发明专利]一种用于深空自主导航的不规则小天体图像质心确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于深空自主导航的不规则小天体图像质心确定方法，属于航天技术中的图像处理领域。

背景技术

小天体是太阳系形成后的剩余物质，是太阳系的重要组成部分。它们保持了太阳系起源时的原始状态，蕴含太阳系形成和演化的重要信息。研究小天体对揭示太阳系的起源及演化、探索生命起源都具有非常重要的科学意义，对探索和开发太阳系和应对可能的撞击地球事件具有重要的现实意义。

但是小天体不一定类似于球体，很可能是不规则的几何体。在飞越或交会的过程中，飞行器利用光学敏感器对小天体进行成像，需要提供小天体的一个固定中心点作为观测量，进行指向信息的实时更新。但是因为小天体的自旋和相对运动，不同时刻的成像对应着小天体不同的方位地形。不仅外形轮廓不一样，地面的纹理特征也不一致，特征点、灰度质心和形状中心都会发生变化。所以怎样在图像中提取不变的中心点成为小天体探测的一大难题。

目前国内研究利用小天体指向信息进行导航的方法很多，但是大多假设小天体的指向信息已获得，具体的获得方法不详。国外文献调研中，小天体的中心就定义为图像中最大亮斑的中心，再进行补偿，但未详细介绍补偿系数的选取和计算方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对小天体外形不规则的特点，提取成像时刻当前方位下小天体的轮廓信息，利用其形状中心求取多阶中心矩，采用不变中心矩的平移、比例和旋转不变性，与模型库中存储的小天体不同方位的矩特征进行匹配，得到小天体的当前方位，从而根据系数修正其质心坐标，保证在不同方位下质心的一致性。

本发明的技术解决方案包括以下步骤：一种用于深空自主导航的不规则小天体图像质心确定方法，实现步骤如下：

第一步，根据地面数据所生成的小天体三维形状模型确定其质心坐标系，根据不同方位的成像，建立小天体不同方位下的Hu氏7类归一化不变中心矩和比例因子。在该方位下给出对应当前形心的质心修正系数；

第二步，根据当前时刻拍摄图像，对小天体的轮廓进行提取。将图像变换为仅含轮廓信息的二值图像。对轮廓图像计算一阶矩，即形心作为中心，计算Hu氏的归一化一类和二类二阶不变中心矩。由于计算的需要，初始仅计算二阶中心矩，然后进行后续匹配操作，如果匹配阈值不满足要求，则认为匹配失败，再继续计算三类至七类三阶中心矩，然后进行补充匹配；

第三步，将计算出的中心矩与模型库中存储的中心矩进行匹配，当相似度接近设定阈值时，则认为当前位置匹配完成，将当前的形心利用质心系数进行修正，给出质心的指向信息。

所述第一步模型库的计算过程为：

(11)将小天体模型在等效轨道高度上进行投影成像，生成样本数据；

小天体三维形状模型已知，在标称的环绕轨道高度上对小天体进行投影成像，直接形成轮廓图像作为样本图像，同时将质心(x_o1，y_o1)投影到像平面上。根据指向精度的要求，确定样本图像的数量。例如精度要求为1度，则样本图像的间隔角度要小于0.5度。

(12)计算Hu氏7类归一化不变中心矩和比例因子；

假设输入的轮廓二值图像为f(x，y)，x＝1，2，...，M，y＝1，2，...，N，图像的大小为M×N，首先计算其一阶矩，即形心(x_c1，y_c1)：