[发明专利]一种空间探测器起飞或着陆过程光学测量系统及方法

说明书

一种空间探测器起飞或着陆过程光学测量系统及方法，包括：标定模块、成像模块、数据处理模块；成像模块对待测空间探测器的起飞或着陆过程进行成像，将成像结果传输给数据处理模块；标定模块标定成像模块的内方位元素和外方位元素，将内方位元素和外方位元素传输给数据处理模块；数据处理模块接收成像模块传输的成像结果，接收标定模块传输的内方位元素和外方位元素；根据成像结果、内方位元素和外方位元素解算待测空间探测器在起飞或着陆过程中的运动参数。本发明采用基于控制点的双目位姿测量算法，对空间探测器在地外天体表面起飞过程中的空间位置、姿态等物理量进行精确测量，获得空间探测器的速度、加速度和旋转角速度等运动参数。

技术领域

本发明属于航天器遥感领域，涉及一种空间探测器起飞或着陆过程光学测量系统及方法。

背景技术

在空间任务中，常需要对大范围场景中运动目标的相对位置、姿态和速度等物理量进行精确测量。随着深空探测重大专项工作的深入开展，空间探测器在地外天体表面的安全起飞是空间探测工程的一个重要组成部分，而空间探测器在起飞过程中的一些物理量和运动参数又是衡量其是否正常运行的重要指标。

传统的测量方法分为接触式测量和非接触式测量。由于空间探测器不允许接入额外的测量设备，因此只能选择非接触的外测手段进行测量。其中光学测量是一种非接触式的测量方法，具有装置简单、成本低、效率和测量精度高等诸多优点。且可以克服待测目标形状、尺寸和外部环境等因素对测量的影响，并适用于大范围场景中运动目标的运动参数测量。

光学测量主要包括单目测量和双目测量，单目测量方法所需的硬件资源少，测量前的摄像机标定过程和测量的实施过程都比较简单，但单目测量方法视野范围小，不适合大场景的测量。而双目测量相对于单目测量所需的硬件虽较多，成本较高，测量前的标定也较繁琐，但双目测量适用于大范围场景的测量且测量成本远低于激光雷达等非接触测量方法。由于双目测量直接利用视差计算距离，测量精度与单目测量相比较高。

光学测量方法对环境光照敏感，现有的大尺度场景运动目标参数测量技术无法克服光照对测量的影响，导致成像质量较差，降低了测量结果的精度。

现有的双目位姿测量方法在进行大型户外地面试验时，无法实现同步图像采集，间接影响了测量结果的精度。

本发明根据工程任务的需要，提出了一种空间探测器起飞或着陆过程光学测量系统及方法。通过基于控制点的双目测量算法，实现全天候运动目标位姿测量。该测量系统在模拟地外天体的重力和光照等外部环境，进行地外天体表面起飞试验，位置精度为1cm，姿态精度为0.1°。

该测量系统及方法是在国内公开显示的资料中，首次使用凝视光学测量的方法实现空间探测器在地外天体表面起飞过程的运动参数测量，处于国内领先，国际先进地位。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种空间探测器起飞或着陆过程光学测量系统及方法，解决了现有技术采用接触式测量和单目测量方案的不足。通过在空间探测器上布置在空间探测器坐标系下坐标精确已知的合作标志点，利用已标定的立体高速摄像机对空间探测器的起飞过程进行图像采集，再采用基于控制点的双目位姿测量算法计算空间探测器在地外天体表面起飞过程的运动参数。

本发明通过如下技术方案实现：

一种空间探测器起飞或着陆过程光学测量系统，其特征在于，包括：标定模块、成像模块、数据处理模块、目标靶标、标定靶标和坐标转换模块、同步触发模块；

成像模块：对待测空间探测器的起飞或着陆过程进行成像，将所述成像结果传输给数据处理模块；

标定模块：标定成像模块的内方位元素和外方位元素，将所述内方位元素和外方位元素传输给数据处理模块；