[发明专利]行星着陆协同导航特征匹配方法

说明书

本发明公开的行星着陆协同导航特征匹配方法，属于深空探测领域。本发明实现方法为：协同探测的导航相机A和B同时对目标区域定向拍摄，分别检测图像中的导航特征边缘点集和光照方向；利用协同导航图像光照方向不变的特点，计算两幅图像间的旋转角，恢复图像旋转变换；基于检测的边缘点集，计算图像I_A所有导航特征边缘点集P^A与图像I_B经过旋转后的所有导航特征边缘点集P^B'在图像u和v方向的缩放系数；解算两幅图像缩放系数，对旋转后的图像进行缩放恢复；旋转缩放后，遍历两幅图像中导航特征边缘点集的相似度距离，得到相似度距离最小的一对导航特征，利用全局匹配的导航特征中心点计算图像变换的单应性矩阵T，实现导航特征匹配。

技术领域

本发明涉及行星着陆过程中协同导航相机之间的特征图像匹配方法，特别适用于深空探测器光学导航相机协同工作时的图像匹配，属于深空探测领域。

背景技术

行星着陆是未来深空探测极为复杂的任务之一，其中协同导航在提高着陆任务可靠性和成功率方面发挥着越来越重要的作用，通过多探测器协同作业，协同导航能够有效弥补传统导航观测信息不足的缺陷，并显著提高导航精度。协同导航也带来了一系列衍生问题，其中，协同导航相机之间的行星表面特征匹配已成为自主光学协同导航的关键技术之一，如何实现协同导航特征的准确匹配越来越受到学者的关注。深空探测航行距离远、通讯时间长且深空环境动力学复杂，传统的基于地面测控的方式已无法满足高精度着陆的需要，而行星表面存在着大量的陨石坑、岩石、沟壑、陡坡等常见的天然地形特征，在光照条件下具有较高的可见性与可分辨性，仅需光学敏感器和星载计算机即可实现大范围的检测和提取，处理简单，便于跟踪，为图像匹配提供了大量的数据，应用前景广阔。因此，以行星表面地形为目标的协同导航特征匹配方法，在行星着陆探测方面得到了广泛的研究和应用。

行星着陆协同导航特征匹配在扩大行星表面环境感知范围、提高探测器位置姿态估计精度等方面发挥着明显作用。但是由于协同导航相机拍摄环境的不同，行星表面导航特征的成像条件也不同，比如相机姿态、相机距离等，这就造成协同相机拍摄的导航特征之间存在差异，两幅图像存在着平移、旋转、缩放、剪切等变换。在协同相机拍摄的光学图像中，如何恢复图像变换并正确匹配导航特征已成为当前科技人员关注的重点问题之一。

在已发展的行星表面导航特征匹配方法中，匹配图像通常为着陆图像和数据库地图或下降着陆的序列图像。在先技术[1](徐田来,崔祜涛,田阳,等.一种基于面积比的陨石坑匹配方法:中国,CN102999915A[P],2013-03-27.)，提出一种基于不同陨石坑面积比的匹配算法，首先通过最大稳定极值区域方法对目标图像进行陨石坑配对检测，利用椭圆拟合算法分别计算两幅图像中陨石坑的面积。最后基于Hausdorff距离，对两幅图像中的陨石坑进行遍历并判断相似性，认为相似度最高的两个陨石坑成功匹配。该算法在图像中陨石坑数量较多的情况下，由于遍历陨石坑的相似度，导致计算量过大，不适用于着陆下降这种实时性要求高的任务。

在先技术[2](M.Yu,H.Cui,Y.Tian,A new approach based on craterdetection and matching for visual navigation in planetary landing[J].Advancesin Space Research.53(2014)1810-1821.)，提出一种基于陨石坑面积比作为仿射不变量进行WTA投票的匹配方法，该方法可以事先计算数据库地图中的陨石坑面积比，在任务实施阶段计算待匹配图像中陨石坑面积比，通过比较检测地图与数据库中陨石坑面积比匹配关系的数量，取待匹配图像中面积比匹配数量最多的陨石坑视为匹配成功。该算法不依赖探测器的姿态信息，但是对于陨石坑数量少于5个的图像匹配效果并不理想。