一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法及系统技术方案

一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法及系统，包括：(1)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型；(2)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型，获得空间相对导航目标在图像中像素位置应该满足的第一组约束条件；(3)在含真实标定参数相机模型的基础上，由空间相对导航目标在相机图像中的像素点位置求解目标的物理空间相对坐标，得到求解模型；(4)根据建立的目标的物理空间相对坐标求解模型基础上，确定预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件；(5)对两组约束条件进行简化，得到空间相对导航目标空间位置求解的约束准则；(6)在约束准则下，利用目标空间位置求解数学模型，实现空间相对导航目标的相对坐标的求解。

A Method and System for Solving Relative Coordinates of Space Relative Navigation Targets with High Robustness

A high robustness method and system for calculating relative coordinates of space relative navigation targets includes: (1) establishing binocular vision camera model with real calibration parameters; (2) obtaining the first set of constraints that the position of space relative navigation targets should satisfy in the image according to the binocular vision camera model with real calibration parameters; (3) establishing a camera model with real calibration parameters. On the basis of the model, the physical space relative coordinates of the target are solved by the position of the pixels of the relative navigation target in the camera image, and the solving model is obtained; (4) Based on the physical space relative coordinates solving model of the target, the second set of constraints that the relative coordinates of the target should satisfy in the range of the expected observation distance are determined; (5) Two sets of constraints are simplified to obtain. Constraint criteria for solving the spatial position of relative navigation target; (6) Under the constraint criteria, the mathematical model is solved by using the spatial position of the target to achieve the solution of the relative coordinates of the spatial relative navigation target.

【技术实现步骤摘要】
一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法及系统
本专利技术涉及一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法及系统，属于导航运动估计

技术介绍
近年来，伴随着空间技术的快速发展，面向各种任务要求的航天器相继被送上太空，在轨服务已逐渐成为延长航天器使用寿命、完成航天器设备升级以及清理太空垃圾的重要手段，也是今后进行空间探索亟待解决的重要课题。对于目标航天器的在轨操作亟需解决诸多关键技术，其中，首先需要面临的一大问题即是如失效卫星、空间碎片和小行星等为代表的空间非合作目标的相对导航问题，其中一种解决方案是航天器自身利用测距、测角等观测信息进行在轨计算和处理，得到对目标的相对位置和相对速度等相对导航参数，进而在轨解决非合作目标的相对导航的问题。对于在轨实现目标相对导航方案，航天器可装备立体视觉系统，利用立体视觉技术获取空间相对导航目标相对坐标是重要技术途径之一。立体视觉技术在地面工业应用发展中较空间领域领先，但是面对复杂严苛的太空环境，此技术也面临更严格的要求、更大的提高与完善。由于太空任务的人为参与难度大，航天器的改变环境能力差，任务失败的代价成本高，所以对任务的精度与鲁棒性要求较高。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法及系统。建立更精细的含有真实标定参数的双目视觉系统模型与空间相对导航目标相对坐标求解模型，并提出一套预期观测距离内空间相对导航目标相对坐标求解的约束准则。本专利技术解决的技术方案为：一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，步骤如下：(1)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型；(2)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型，获得空间相对导航目标在图像中像素位置应该满足的第一组约束条件；(3)在步骤(1)的含真实标定参数相机模型的基础上，由空间相对导航目标在相机图像中的像素点位置求解目标的物理空间相对坐标，得到求解模型；(4)根据步骤(3)建立的目标的物理空间相对坐标求解模型基础上，确定预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件；(5)对步骤(2)与步骤(4)得到的两组约束条件进行简化，得到空间相对导航目标空间位置求解的约束准则；(6)在步骤(5)的约束准则下，利用步骤(3)的目标空间位置求解数学模型，实现空间相对导航目标的相对坐标的求解。步骤(1)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型，具体步骤如下：(1.1)设定坐标系Oc-Xc1Yc1Zc1为第一相机坐标系，设定坐标系Oc-Xc2Yc2Zc2为第二相机坐标系，空间相对导航目标在第一相机、第二相机坐标系内空间位置为：(Xc1Yc1Zc1)、(Xc2Yc2Zc2)；空间相对导航目标在第一相机、第二相机图像内像素位置为(u1v1)、(u2v2)；(1.2)设第一相机标定的真实内参数矩阵为第二相机标定的真实内参数矩阵为第一相机与第二相机之间的标定的真实外参数矩阵为其中，f1x、f1y为第一相机标定的x、y方向的焦距，(u10v10)为第一相机主点像素位置；f2x、f2y为第二相机标定的x、y方向的焦距，(u20v20)为第二相机主点像素位置；为第一相机与第二相机的姿态旋转矩阵，为第一相机与第二相机的平移矢量；(1.3)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型，如下：第一相机坐标系Oc-Xc1Yc1Zc1的定义为：原点定义在第一相机光心，Zc1指向第一相机光轴方向，Xc1、Yc1分别平行于图像横竖边，并与Zc1构成右手系；第二相机坐标系Oc-Xc2Yc2Zc2的定义为：原点定义在第二相机光心，Zc2指向第二相机光轴方向，Xc2、Yc2分别平行于图像横竖边，并与Zc2构成右手系。步骤(2)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型，获得空间相对导航目标在图像中像素位置应该满足的第一组约束条件，具体如下：(2.1)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型中公式(1)、(2)，变换求得空间相对导航目标在第一相机、第二相机坐标系内空间位置表达式：其中，a1＝u1-u10，b1＝v1-v10，a2＝u2-u20，b2＝v2-v20；(2.2)将公式(4)、(5)带入含有真实标定参数的双目视觉相机模型公式(3)，得到联合表达式如下：(2.3)根据步骤(2.2)得到的所述联合表达式，空间相对导航目标在图像中像素位置应满足的第一组约束条件为：其中，Δa＝a2-a1，Δb＝b2-b1即为第一相机、第二相机所成图像像素差。步骤(3)在含真实标定参数相机模型的基础上，由空间相对导航目标在相机图像中的像素点位置求解目标的物理空间相对坐标，得到求解数学模型，具体步骤如下：(3.1)以第一相机坐标系作为空间相对导航目标相对坐标的描述坐标系，获得空间相对导航目标的X、Y向相对坐标为：(3.2)根据步骤(2.2)得到联合表达式，对空间相对导航目标的在相机坐标系描述的Z向相对坐标求解，得到三套求解模型表达式为：其中表达式(10)适用于第一相机、第二相机所成图像像素差Δa＝a2-a1比Δb＝b2-b1大的情况；表达式(11)适用于第一相机、第二相机所成图像像素差Δb＝b2-b1比Δa＝a2-a1大的情况；表达式(12)引入了第一相机、第二相机所成图像像素全部位置量a1、a2、b1、b2。所述步骤(4)中根据步骤(3)建立的目标的物理空间相对坐标求解模型基础上，确定预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件，具体步骤如下：(4.1)基于步骤(3)得到的求解模型，对空间相对导航目标的在相机坐标系描述的Z向相对坐标进行变换，得到如下表达式：(4.2)对空间相对导航目标的在相机坐标系描述的Z向预期观测距离范围设为ZcO到ZcE，且ZcO大于0，获得预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件，如下：对步骤(2)与步骤(4)得到的两组约束条件进行简化，得到空间相对导航目标空间位置求解的约束准则，具体步骤如下：(5.1)根据步骤(2)所得到的第一组约束条件如下：相机理论焦距为f，取Zc1＝Zc2＝Z、f1x＝f1y＝f2x＝f2y＝f，则第一组约束条件得到进一步简化为：(5.2)空间相对导航目标的在相机坐标系描述的Z向预期观测距离范围为ZcO到ZcE，且ZcO大于0，那么得到Z≤ZcE范围内第一组约束条件表达如下：(5.3)对预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件，仍取Zc1＝Zc2＝Z、f1x＝f1y＝f2x＝f2y＝f，化简如下：(5.4)相机图像中心到图像边界距离为L，有a1,b1,a2,b2∈[0,L]，那么第一组约束条件与第二组约束条件的上下边界存在极限常值：其中，Δamin、Δamax、Δbmin、Δbmax、Δcmin、Δcmax、Δdmin、Δdmax、Δemin、Δemax为正常数；则空间相对导航目标空间位置求解的一套约束准则如下：Δamin≤|a2-a1|≤Δamax(33)Δbmin≤|b2-b1|≤Δbmax(34)Δcmin≤|a2(f1yr7a1+f1xr8b1+r9f1xf1y)-f2x(f1yr1a1+f1xr2b1+r3f1xf1y)|≤Δcmax(35)Δdmin≤|b2(f1yr7a1+f1xr8b1+r9f1xf1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于步骤如下：(1)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型；(2)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型，获得空间相对导航目标在图像中像素位置应该满足的第一组约束条件；(3)在步骤(1)的含真实标定参数相机模型的基础上，由空间相对导航目标在相机图像中的像素点位置求解目标的物理空间相对坐标，得到求解模型；(4)根据步骤(3)建立的目标的物理空间相对坐标求解模型基础上，确定预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件；(5)对步骤(2)与步骤(4)得到的两组约束条件进行简化，得到空间相对导航目标空间位置求解的约束准则；(6)在步骤(5)的约束准则下，利用步骤(3)的目标空间位置求解数学模型，实现空间相对导航目标的相对坐标的求解。

【技术特征摘要】
1.一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于步骤如下：(1)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型；(2)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型，获得空间相对导航目标在图像中像素位置应该满足的第一组约束条件；(3)在步骤(1)的含真实标定参数相机模型的基础上，由空间相对导航目标在相机图像中的像素点位置求解目标的物理空间相对坐标，得到求解模型；(4)根据步骤(3)建立的目标的物理空间相对坐标求解模型基础上，确定预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件；(5)对步骤(2)与步骤(4)得到的两组约束条件进行简化，得到空间相对导航目标空间位置求解的约束准则；(6)在步骤(5)的约束准则下，利用步骤(3)的目标空间位置求解数学模型，实现空间相对导航目标的相对坐标的求解。2.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于：步骤(1)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型，具体步骤如下：(1.1)设定坐标系Oc-Xc1Yc1Zc1为第一相机坐标系，设定坐标系Oc-Xc2Yc2Zc2为第二相机坐标系，空间相对导航目标在第一相机、第二相机坐标系内空间位置为：(Xc1Yc1Zc1)、(Xc2Yc2Zc2)；空间相对导航目标在第一相机、第二相机图像内像素位置为(u1v1)、(u2v2)；(1.2)设第一相机标定的真实内参数矩阵为第二相机标定的真实内参数矩阵为第一相机与第二相机之间的标定的真实外参数矩阵为其中，f1x、f1y为第一相机标定的x、y方向的焦距，(u10v10)为第一相机主点像素位置；f2x、f2y为第二相机标定的x、y方向的焦距，(u20v20)为第二相机主点像素位置；为第一相机与第二相机的姿态旋转矩阵，为第一相机与第二相机的平移矢量；(1.3)建立含有真实标定参数的双目视觉相机模型，如下：3.根据权利要求2所述的一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于：第一相机坐标系Oc-Xc1Yc1Zc1的定义为：原点定义在第一相机光心，Zc1指向第一相机光轴方向，Xc1、Yc1分别平行于图像横竖边，并与Zc1构成右手系；第二相机坐标系Oc-Xc2Yc2Zc2的定义为：原点定义在第二相机光心，Zc2指向第二相机光轴方向，Xc2、Yc2分别平行于图像横竖边，并与Zc2构成右手系。4.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于：步骤(2)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型，获得空间相对导航目标在图像中像素位置应该满足的第一组约束条件，具体如下：(2.1)根据含有真实标定参数的双目视觉相机模型中公式(1)、(2)，变换求得空间相对导航目标在第一相机、第二相机坐标系内空间位置表达式：其中，a1＝u1-u10，b1＝v1-v10，a2＝u2-u20，b2＝v2-v20；(2.2)将公式(4)、(5)带入含有真实标定参数的双目视觉相机模型公式(3)，得到联合表达式如下：(2.3)根据步骤(2.2)得到的所述联合表达式，空间相对导航目标在图像中像素位置应满足的第一组约束条件为：其中，Δa＝a2-a1，Δb＝b2-b1即为第一相机、第二相机所成图像像素差。5.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于：步骤(3)在含真实标定参数相机模型的基础上，由空间相对导航目标在相机图像中的像素点位置求解目标的物理空间相对坐标，得到求解数学模型，具体步骤如下：(3.1)以第一相机坐标系作为空间相对导航目标相对坐标的描述坐标系，获得空间相对导航目标的X、Y向相对坐标为：(3.2)根据步骤(2.2)得到联合表达式，对空间相对导航目标的在相机坐标系描述的Z向相对坐标求解，得到三套求解模型表达式为：其中表达式(10)适用于第一相机、第二相机所成图像像素差Δa＝a2-a1比Δb＝b2-b1大的情况；表达式(11)适用于第一相机、第二相机所成图像像素差Δb＝b2-b1比Δa＝a2-a1大的情况；表达式(12)引入了第一相机、第二相机所成图像像素全部位置量a1、a2、b1、b2。6.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于：所述步骤(4)中根据步骤(3)建立的目标的物理空间相对坐标求解模型基础上，确定预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件，具体步骤如下：(4.1)基于步骤(3)得到的求解模型，对空间相对导航目标的在相机坐标系描述的Z向相对坐标进行变换，得到如下表达式：(4.2)对空间相对导航目标的在相机坐标系描述的Z向预期观测距离范围设为ZcO到ZcE，且ZcO大于0，获得预期观测距离范围内目标相对坐标求解应满足的第二组约束条件，如下：7.根据权利要求1所述的一种高鲁棒性空间相对导航目标相对坐标解算方法，其特征在于：对步骤(2)与步骤(4)得到的两组约束条件进行简化，得到空间相对导航目标空间位置求解的约...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓润然，王大轶，史纪鑫，邹元杰，朱卫红，葛东明，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11