[发明专利]一种空间非合作目标点云初始姿态测量方法

说明书

本发明公开了一种空间非合作目标点云初始姿态测量方法，步骤如下：(1)建立测量系统的坐标系，包括空间目标仿真模型本体坐标系和虚拟位姿敏感器测量坐标系；(2)建立空间目标的仿真模型与工况；(3)获得目标的全方位点云数据与对应的位姿标签；(4)按照规则对点云数据进行特征提取；(5)建立目标姿态与其点云数据特征间的对应关系；(6)根据目标姿态与其点云数据特征间的对应关系，进行空间非合作目标姿态测量，获得空间非合作目标的姿态初始值。本发明的算法高效、快速，适用于在轨应用，实现了在计算资源受限条件下，对空间非合作目标初始姿态的实时测量，且对目标不同质量的点云输入数据，具有较好的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及一种空间非合作目标点云初始姿态测量方法，适用于在轨条件下，对于在轨计算资源有限、姿态测量实时性要求高的约束和应用需求，给出一种高效、快速的非合作目标初始姿态测量方法。

背景技术

随着航天技术的进步和空间任务的多样化发展，对于空间非合作目标姿态的测量需求越来越迫切。应用激光获取空间非合作目标的点云，具有作用距离远、测距精度高、受外部光照环境影响小，具备全天时工作能力等特点，是空间非合作目标位姿测量的常用测量体制。利用激光的方法获取空间非合作目标点云后，需要对点云进行匹配计算处理，获得测量点云与模型点云之间的姿态关系，或者是获得当前帧测量点云与前一时刻测量点云之间的姿态关系，以此来获得空间非合作目标的相对空间姿态。

常规的目标初姿态测量算法有主成份分析的方法、基于哈希索引表的方法和基于局部几何特征的方法等。但是主成份分析的方法对于卫星目标的姿态区分度不高，测量结果过于粗糙；基于哈希索引表的方法，与算法设计密切相关，计算复杂度较高，对于在轨应用的环境，初姿态获取的实时性较差；基于局部几何特征的方法对于点云数据的精度依赖较高，在较差的点云数据输入下，容易产生初始姿态估计的粗大误差。

发明内容

本发明技术解决问题是：为克服现有技术的不足，本发明提供一种空间非合作目标点云初始姿态测量方法，该方法能够在计算资源有限的在轨条件下，满足空间非合作目标位姿测量中，对于目标初始姿态的实时、可靠、稳定的测量需求；本方法对目标的不同质量的点云输入数据，具有较好的鲁棒性，工程应用效果好；本发明解决空间非合作目标测量中的初始姿态确定问题，尤其是在空间应用中，给出一种计算资源消耗低、实时性好、稳定可靠的空间非合作目标初始姿态确定方法。

本发明的技术解决方案是：

一种空间非合作目标点云初始姿态测量方法，步骤如下：

(1)建立测量系统的坐标系，包括空间目标仿真模型本体坐标系和虚拟位姿敏感器测量坐标系；

(2)建立空间目标的仿真模型与工况，在虚拟环境中，根据空间目标的结构尺寸与表面材质，建立空间目标仿真模型，根据位姿敏感器的实际测量精度和扫描参数，构建虚拟位姿敏感器，设定空间目标仿真模型与虚拟位姿敏感器间的相对位姿关系；

(3)利用步骤(2)的空间目标仿真模型与虚拟位姿敏感器，通过虚拟位姿敏感器进行点云数据测量，获得空间目标仿真模型全方位点云数据与对应的姿态标签；

(4)对步骤(3)获得的空间目标仿真模型全方位点云数据进行特征提取，按照给定的规则，提取空间目标仿真模型全方位点云数据的特征；

(5)根据步骤(4)空间目标仿真模型全方位姿态特征与步骤(2)空间目标仿真模型相对于虚拟位姿敏感器的姿态坐标间的对应关系，利用神经网络学习的方法，建立空间目标仿真模型全方位姿态特征与空间目标仿真模型相对于虚拟位姿敏感器的姿态坐标间的映射关系模型；

(6)根据步骤(5)的空间目标仿真模型全方位姿态特征与空间目标仿真模型相对于虚拟位姿敏感器的姿态坐标间的映射关系模型，进行空间非合作目标初始姿态测量，获得空间非合作目标的初始姿态。