[发明专利]基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法

说明书

本发明公开了一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法。该方法包括步骤：仿真投影、模型轮廓提取、目标图像检测、目标轮廓提取、Hu矩相似性计算、形状上下文相似性计算和相对姿态估计。本发明的基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，仅利用目标卫星的目标图像的轮廓特征，结合已知的参考轮廓，并利用设定的两步相似性度量策略，能够实现目标卫星相对观测卫星的相对姿态估计，无需遥测信息，在目标卫星的遥测设备失效时，也能实现姿态估计；且能够消除对点、线和面等高分辨特征的依赖，既能实现远距离相对姿态估计，还能为近距离基于高分辨特征相对姿态估计提供初始值，简单易实现。

技术领域

本发明涉及航天器姿态测量领域，具体涉及一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法。

背景技术

目前两个卫星之间的相对姿态，可以在基于全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)的遥测信息实现高精度估计；但当卫星出现故障导致星上的遥测设备失效时，此时需要通过观测卫星上的传感器实现姿态估计。随着高分辨率成像技术的不断进步，基于高分辨率观测图像的相对姿态估计方法得到广泛的应用，目前主要通过利用立体相机和单目相机来实现卫星的相对姿态估计。但由于立体相机受观测基线长度的影响，观测范围受限，只能适合于极近距离的估计任务；而单目相机虽然设备简单、使用时不受基线影响，但利用单目相机需要高分辨特征的支持(如点、线、面信息)，当观测距离较远或观测相机能力较弱，观测得到的图像仅能提供目标卫星粗略的轮廓信息时，无法实现卫星的相对姿态估计。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，仅利用目标卫星的轮廓特征，即可实现目标卫星相对观测卫星的相对姿态估计。

为此，本发明公开了一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法。该方法包括：

仿真投影：利用目标卫星的三维模型，进行仿真投影处理，生成空间目标高分辨率下，观测卫星与所述目标卫星间不同相对姿态条件对应的多个模型剪影；

模型轮廓提取：对多个所述模型剪影进行模型轮廓检测提取，获取多个所述模型剪影对应的多个参考轮廓；

目标图像检测：对所述观测卫星的实际观测图像进行检测处理，获取所述目标卫星对应的目标图像；

目标轮廓提取：对所述目标图像进行轮廓检测提取，获取所述目标图像对应的目标轮廓；

Hu矩相似性计算：利用Hu矩相似性计算，依次对多个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果从小到大对多个所述参考轮廓依次进行排序，提取位于前序的若干个参考轮廓；

形状上下文相似性计算：利用形状上下文相似性计算，依次对若干个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果，提取若干个所述参考轮廓中与所述目标轮廓距离最小的参考轮廓；

相对姿态估计：确定所述距离最小的参考轮廓对应的仿真投影模型，将所述仿真投影模型对应的相对姿态作为所述目标卫星的相对姿态估计。

进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，在所述三维模型的仿真投影处理过程中，设定背景区域灰度值为0，模型区域灰度值大于0。

进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，所述模型轮廓提取过程中，采用以0为阈值的图像二值化方法，获取模型区域和背景区域；采用拓扑结构分析方法，提取所述模型剪影对应的表征形状的所述参考轮廓，以及采样并归一化参考轮廓点集。

进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，利用自适应阈值分割方法，获取包括所述目标图像的目标区域。

进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，采用拓扑结构分析方法，提取所述目标图像对应的表征形状的所述目标轮廓，以及采样并归一化目标轮廓点集。