[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于单相机导航影像的巡视探测器定位方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、定义巡视坐标系、巡视器本体坐标系、巡视器零位坐标系、像平面直角坐标系、像空间直角坐标系及像空间辅助坐标系；步骤2、巡视探测器与着陆器分离后开始巡视考察任务；分离后的巡视探测器停留并拍照的位置，即当前摄站巡视探测器在巡视坐标系下的位置(X_E，Y_E，Z_E)，第一摄站巡视探测器位置为(0，0，0)；巡视坐标系与巡视探测器本体坐标系三轴方向夹角组成的旋转矩阵为R_E；步骤3、巡视器零位时刻，桅杆偏航角度为0，俯仰角度为0，由安装参数或地面标定过程获得巡视器零位坐标系与巡视器本体坐标系在三轴方向的偏移量分别为(ΔX₀，ΔY₀，ΔZ₀)；步骤4、巡视器零位时刻，某一导航相机摄影中心S的在巡视器零位坐标系下的坐标为(ΔX_S，ΔY_S，ΔZ_S)，由巡视器安装时的安装参数或地面标定过程获得；步骤5、对于俯仰角度F，偏航角度P，某一导航相机摄影中心S在巡视器零位坐标系下的坐标(X_SP，Y_SP，Z_SP)如下公式所示：其中，R_P、R_F分别为偏航角度P和俯仰角度F组成的旋转矩阵；步骤6、设定导航相机焦距为f，导航影像中某一特征点在导航影像中对应的像点的像平面直角坐标为(x，y)，其对应的像空间辅助坐标系坐标为(X_T，Y_T，Z_T)，对应地面点在零位坐标系下的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，该导航相机的摄影中心S在零位坐标系下的位置和三轴旋转角为(X_SP，Y_SP0，Z_SP，0，F，P)，则：其中，λ为比例系数；令进一步整理，得：步骤7、当导航影像中某一特征点在多幅导航影像中出现时，将当前导航影像对应的俯仰和偏航角度带入公式(3)，连列求解得到该特征点在零位坐标系下的坐标(X₀，Y₀，Z₀)；步骤8、求解特征点在巡视本体坐标系下的坐标(X_B，Y_B，Z_B)，如下公式所示：步骤9、求解特征点在巡视坐标系下的坐标(X_D，Y_D，Z_D)，如下公式所示：步骤10、导航相机在顺时针方向绕固定偏航角度拍摄影像序列，令左导航相机在第i次偏航时拍摄的照片为I_i；在导航相机拍摄的序列影像中提取多个特征点，通过步骤5‑步骤9求解出各特征点对应的巡视坐标系下的坐标，并将它们作为巡视器下一个摄站的定位控制点；步骤11、以步骤10中得到的特征点作为控制点，开始巡视器在第二摄站的定位；设定控制点出现在第二摄站的导航影像I_i和I_i+1中，像点坐标分别为(x_i，y_i)和(x_i+1，y_i+1)，其对应的俯仰角同为F，偏航角分别为P_i和P_i+1，影像对应的外方位元素分别为和其中，为导航影像I_i的摄影中心的位置，为导航影像I_i在像空间直角坐标系三轴方向的旋转角，为导航影像I_i+1的摄影中心的位置，为导航影像I_i+1在像空间直角坐标系三轴方向的旋转角，令两张影像的外方位元素中的三轴方向的夹角组成的旋转矩阵分别为R_i和R_i+1，零位坐标系此刻原点位置为(ΔX_S2，ΔY_S2，ΔZ_S2)，则：将公式7整理得：结合步骤10中的像点坐标和影像外方位元素，建立共线方程，如下公式所示：其中，步骤12、巡视器定位时外方位元素和为未知量，将公式8和公式9连列，并将其转为可按照最小二乘求解的误差方程的形式，如下公式所示：X＝(B^TB)^‑1B^TL                        (10)其中：B为公式8和9对各项未知数的偏导数组成的系数矩阵，步骤13、找到步骤11中提取的控制点在前一摄站的导航影像序列中的对应像点，并通过步骤5‑步骤9求解其对应的巡视坐标系下的坐标；步骤14、结合步骤13求解的控制点巡视坐标系下的坐标，在当前摄站导航影像序列中的像点坐标，代入公式10即可求解和步骤15、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、巡视器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；步骤16、当巡视器行驶到下一摄站时，根据指令获取的相机俯仰角和偏航角，重复步骤11‑步骤15实现定位。