[发明专利]一种基于单相机导航影像的巡视探测器定位方法

说明书

本发明提供一种基于单相机导航影像的巡视探测器定位方法，涉及航空航天技术领域。该方法首先定义多个坐标系，然后计算某一导航相机摄影中心在巡视器零位坐标系下的坐标及导航影像中特征点在导航影像中对应的像点的像平面直角坐标，进而得到该点在零位坐标系、本体坐标系和巡视坐标系下的坐标；根据导航影像摄影中心位置，结合零位坐标系原点与摄影中心的偏移量、本体坐标系原点与零位坐标系原点在巡视坐标系下的偏移量，得到巡视器本体坐标系原点在巡视坐标系下的坐标，实现最终定位。本发明提供的基于单相机导航影像的巡视探测器定位方法，即使在一台导航相机发生故障时，采用两个控制点即可实现高精度定位，依赖的初始条件更少。

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种基于单相机导航影像的巡视探测器定位方法。

背景技术

巡视探测器的高精度导航定位是能否开展深空科学考察任务的关键技术之一。高精度的定位可以确保巡视器的安全，高精度的姿态信息可以确保其与地面控制系统保持较好的指向角度。现有巡视探测器高精度定位方法主要包括基于里程计和IMU的定位方法、基于摄影测量的定位方法。基于里程计和IMU的定位方法存在累积误差，因此，必须采用基于摄影测量的方法进行必要的修正。在控制点丰富的区域，采用现有的光束法等摄影测量定位方法可以完成定位，但是其需要依赖里程计和IMU测量的姿态数据作为初值；而纹理匮乏的区域，控制点数量少，可能无法满足巡视探测器定位所需的数量，造成定位失败。

针对巡视探测器的定位方法，国内很多学者展开了相关研究。2006年石德乐等人提到了星地敏感器测量、甚高频多普勒跟踪、惯性导航系统和里程计的组合测量以及视觉里程计技术，以恒星和无线电系统来确定巡视探测器的粗略位置，然后根据前后立体图像的匹配点对采用最大似然法估计巡视探测器的位姿信息。2014年吴伟仁等通过提取匹配特征点，并根据左图像特征点在其右图像中提取同名特征点，然后将这些特征点作为观测点，建立两站点双相机测量定位模型，通过立体空间交会算法解算得到巡视探测器当前站点相对于上一个站点的位姿信息。2014年刘传凯等提出了利用惯导和视觉组合进行月面导航与精确定位的实现方法，通过IMU姿态测量参数，结合Affine-SIFT匹配，进而通过光束法平差多次迭代计算获得精确的定位结果。2014年王保丰等将SIFT匹配、相关系数匹配、最小二乘匹配和光束法平差等多项技术融合，实现了相邻站间月面巡视器的导航定位。2014年马友青等将系数矩阵和像点坐标观测值视为包含随机误差，使加权总体最小二乘平差理论应用于月面巡视探测器立体图像相对定向模型，并将理论和加权总体最小二乘平差理论引入到月面巡视探测器立体图像条带网模型中，实现了探测器的定位。2014年刘绍琴等提出了基于DOM匹配的定位方法，利用导航相机生成的DOM与嫦娥二号生成的DOM进行特征匹配，，根据匹配的结果实现月球车在嫦娥二号卫星影像上的定位。2014年许柏等提出了通过多种坐标系统相互转换方法，实现了巡视器直接定位。2015年刘少创等提出了适用于月面环境无高精度控制点的立体图像条带网定位方法。在精确相机标定参数的基础上计算出立体相机的摄影基线和相对方位元素，然后，通过像点匹配、前方交会完成图像的立体模型构建，根据不同摄站间的连接点序列建立立体图像条带网，最终通过最小二乘平差，直接获得月面巡视探测器的位置与姿态信息。2015年徐辛超等提出了基于影像的单摄站定位方法，验证了空间后方交会迭代法、直接法和线性变换法的精度和稳定性，最终得出空间后方交会迭代法效果最优的结论。2018年邢琰等提出了一种利用巡视器的视觉系统进行导航定位的方法。利用巡视探测器的视觉系统(一般为立体相机)分别对太阳、地球进行观测，获取太阳、球图像，通过像心提取得到日地矢量。利用加速度计测量巡视器的倾斜姿态，并结合星历计算，引入双矢量定姿计算，求解出巡视器的航向及位置信息。2013年Ning等提出了一种基于INS/CNS(天体导航系统)组合的初始位置和姿态确定方法，用于辅助进行后续巡视探测器的定位。2008至2009年Li和Di等采用光束法平差模型实现了火星车的视觉定位解算。该方法的基本原理是将导航相机和全景相机在不同站点拍摄的图像连接起来构成图像网，通过对图像网的摄影测量进行光束法平差，提高图像位置和方位参数以及地面点位置的精度和一致性。