深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法技术

本发明专利技术公开一种深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法，该方法通过对相机分别进行内部参数和外部参数标定，并通过调整相机测量高度、距离、拍摄角度实现每台相机对巡视器的全覆盖，获得通讯天线的实时同步拍照及照片保存；针对每组测量照片，利用图像特征提取、特征点匹配、前方交会及后方交会组合测量实现通讯天线在巡视器本体坐标系下指向信息的自动解算并结合巡视器在北东地坐标系下位姿信息测量结果，确定试验过程中天线在北东地坐标系下的动态指向信息；同时将测试过程中的实测结果与天线的控制目标值进行比对，确定通讯天线的动态指向精度。本发明专利技术对通讯天线指向的测量精度优于0.04°，测量频率不低于12Hz，有效保障了型号地面测试任务。

Dynamic Test Method for Pointing Accuracy of Communication Antenna in Deep Space Exploration Patrol Communicator

【技术实现步骤摘要】
深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法
本专利技术属于航天器总装测试
，具体涉及一种通讯天线运动过程中的指向精度动态测试系统，也涉及一种使用该测试系统进行通讯天线运动的指向精度测试方法，可在当前及未来研制的深空探测巡视器地面测试任务中，对通讯天线动态指向精度进行测试评价。
技术介绍
以嫦娥三号/四号以及未来火星探测器为代表的深空探测任务中，需要搭载月球车或者火星车等巡视器完成对月球或火星环境的探测。为了实现在轨运行中控制指令及探测数据的传输，巡视器需要安装通讯天线并控制其精确指向地球或者轨道环绕器。以火星探测任务的火星车为例，定向天线固定在火星车后方，工作状态下处于展开锁定状态，天线靠双轴驱动机构动作，进行对地或环绕器指向。为了确保通讯天线可以精确指向目标，研制过程中需要开展通讯天线指向精度测试工作。通讯天线指向精度测试任务分为静态测试和动态测试两种模式。通讯天线与地球进行通讯时由于相对运动速度很低，只需进行静态测试即可满足要求，即控制定向天线指向目标方向，利用经纬仪或激光跟踪仪手段精确测量通讯天线的实际指向，通过比对误差即可确定通讯天线的指向精度。随着深空探测任务的拓展和丰富，巡视器还需与轨道环绕器进行通讯，由于两者相对运动速度较大，因此必须进行动态测试。以火星车为例，其通讯天线要与火星轨道环绕器进行数据传输，两者的相对运动速度达1°/s，为了确保通讯天线转动过程中可以精确指向环绕器，需要在研制过程中增加天线指向精度的动态测试任务，要求在天线运动过程中精确测量其在北东地坐标系及火星车本体坐标系下的指向信息，测量精度优于0.05°，测量频率不低于10Hz。受经纬仪及激光跟踪仪测量手段的约束，传统静态测量手段无法应用于动态测试任务中。经调研，惯性测量技术是当前大型天线动态指向精度测试的主要测量手段，通过陀螺仪及加速度计可测量出天线的相对转动角度。然而巡视器通讯天线需要测量的是在北东地以及巡视器本体坐标系下的绝对指向信息，惯性测量只能测量运动过程中相对起始位置的相对转动量。另外，由于天线动态测试时间较长，惯性测量技术存在的零点漂移及累计误差等缺点，导致测量精度较低，因此该技术无法满足测量要求。视觉测量因具有测量精度高、测量效率高、非接触、测量范围大、可同时测量大量点等优势，将应用于深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试任务，实现通讯天线运动过程中指向信息的精密测量及精度评估。
技术实现思路
本专利技术针对深空探测巡视器研制过程中通讯天线指向精度的动态测试需求，提出一种深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试系统，该测试系统中巡视器器身及通讯天线上分别粘贴大量视觉靶标点并标定出其与各自坐标系的关系，通过在巡视器周围布设多站相机对被测物上的视觉合作目标进行实时拍照测量，即可对运动过程中通讯天线的指向精度进行测试评估，以确保其在轨工作中可与轨道环绕器进行数据传输。此外，本专利技术也公开了一种深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法，该方法是基于多目视觉的动态高精度测量方法，该方法能够通过在巡视器周围布设多站相机对被测物上的视觉合作目标进行实时拍照测量，即可对运动过程中通讯天线的指向精度进行测试。本专利技术是通过如下技术方案实现的：深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法，包括以下步骤：1)对所有测量相机进行内部参数标定，采用测角模型进行测量，通过测角标定平台标定将相机转变为精密测角装置，即将图像点坐标信息转换为对应的方位角和俯仰角信息，测角精度优于2”；2)在巡视器周围架设多台相机，通过调整相机测量高度、距离、拍摄角度实现每台相机对巡视器的全覆盖，调整完成后保持相机稳定；再利用基准尺对所有相机的外部方位参数进行标定，建立相机之间的相对方位关系；3)通过保持架将巡视器支撑固定，利用激光跟踪仪分别测量器身及场地公共点的三维坐标，再结合公共点坐标系转换算法确定巡视器本体坐标系相对北东地坐标系的位姿关系，完成巡视器定向，并利用同步授时装置对总控计算机与测量工控机的时间进行同步；通过控制通讯天线按预定轨迹进行转动，同时测量工控机控制同步触发器为所有相机提供同步触发信号，实现相机对转动中通讯天线的实时同步拍照及照片保存，测量频率不低于10Hz；4)针对每组测量照片，利用图像特征提取、特征点匹配、前方交会及后方交会组合测量实现通讯天线在巡视器本体坐标系下指向信息的自动解算并结合巡视器在北东地坐标系下位姿信息测量结果，确定试验过程中天线在北东地坐标系下的动态指向信息；同时将测试过程中的实测结果与天线的控制目标值进行比对，确定通讯天线的动态指向精度。其中，自动解算是基于空间反投影与光流法相结合的动态图像特征点自动识别匹配来进行的，具体实现过程如下：a)按照视觉靶标点单机标定结果的命名规则，在多个相机同步拍摄的第一组测量照片中，分别选取天线及巡视器本体上4个图像特征点进行初始匹配，利用PNP算法建立每个相机坐标系与天线坐标系以及巡视器本体坐标系的相对方位关系；b)结合视觉靶标点单机标定结果，利用视觉反投影测量模型确定天线及巡视器本体上视觉靶标点在每个相机图像中对应的图像点坐标，通过遍历图像中实际提取出的图像特征点，寻找两组点中的距离最近点，如果距离小于一定阈值，则认为是同一对应点，从而实现图像中所有图像特征点与天线及巡视器上视觉靶标点的一一对应，完成图像点自动匹配。进一步地，图像点自动匹配完成后，再利用视觉测量模型(前方交会及后方交会组合测量)，完成天线坐标系与巡视器本体坐标系的相对方位关系测量，从而确定该组测量照片所对应的天线指向信息；进一步地，确定第一组的测量照片对应的天线指向信息后，再针对下一组测量照片，如果相邻两组照片中的一对图像点距离小于一定阈值，则确定该对图像点对应的是同一视觉靶标点，再结合上一组图像的匹配结果，利用光流匹配方法完成下一组图片中图像点的自动初始匹配；从而依次完成后续所有测量图像的自动数据处理。其中，前方交会及后方交会相结合的测量模型构建包括以下步骤：1)能被两个及以上相机覆盖的视觉靶标点，利用相机内外参数标定结果构建前方交会测量模型；仅能被单台相机覆盖的视觉靶标点，利用相机内部参数标定结果构建后方交会测量模型；2)联立上述两种模型构建大规模方程组，经过整体最优化算法处理实现视觉靶标点在测量系统坐标系下空间三维坐标的解算；3)结合单机标定结果及公共点坐标系转换算法即可解算出通讯天线坐标系到巡视器本体坐标系的相对方位关系，从而确定该组测量照片对应的通讯天线在巡视器本体坐标系下指向信息。其中，所述阈值为几个像素量级。本专利技术针对以火星车为代表的深空探测巡视器研制过程中通讯天线指向精度地面动态测试新需求，提出基于多目视觉的动态精密测量方法并研制相应系统，实现对运动过程中通讯天线指向精度的测试评估，可确保其在轨工作中可与轨道环绕器进行数据传输。该系统对通讯天线指向的测量精度优于0.04°，测量频率不低于12Hz，有效保障了型号地面测试任务。附图说明：图1为本专利技术的深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试系统的示意图。其中,1－视觉传感器、2－激光跟踪仪、3－工控机(含测试软件)、4—同步触发器、5－视觉合作靶标、6－器身公共靶点、7－地面公共靶点、8－北东地坐标系、9－巡视器本体坐标系、10－通讯天线坐标系。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法，包括以下步骤：1）对所有测量相机进行内部参数标定，采用测角模型进行测量，通过测角标定平台标定将相机转变为精密测角装置，即将图像点坐标信息转换为对应的方位角和俯仰角信息，测角精度优于2”；2）在巡视器周围架设多台相机，通过调整相机测量高度、距离、拍摄角度实现每台相机对巡视器的全覆盖，调整完成后保持相机稳定；再利用基准尺对所有相机的外部方位参数进行标定，建立相机之间的相对方位关系；3）通过保持架将巡视器支撑固定，利用激光跟踪仪分别测量器身及场地公共点的三维坐标，再结合公共点坐标系转换算法确定巡视器本体坐标系相对北东地坐标系的位姿关系，完成巡视器定向，并利用同步授时装置对总控计算机与测量工控机的时间进行同步；通过控制通讯天线按预定轨迹进行转动，同时测量工控机控制同步触发器为所有相机提供同步触发信号，实现相机对转动中通讯天线的实时同步拍照及照片保存，测量频率不低于10Hz；4）针对每组测量照片，利用图像特征提取、特征点匹配、前方交会及后方交会组合测量实现通讯天线在巡视器本体坐标系下指向信息的自动解算并结合巡视器在北东地坐标系下位姿信息测量结果，确定试验过程中天线在北东地坐标系下的动态指向信息；同时将测试过程中的实测结果与天线的控制目标值进行比对，确定通讯天线的动态指向精度。...

【技术特征摘要】
1.深空探测巡视器通讯天线指向精度动态测试方法，包括以下步骤：1）对所有测量相机进行内部参数标定，采用测角模型进行测量，通过测角标定平台标定将相机转变为精密测角装置，即将图像点坐标信息转换为对应的方位角和俯仰角信息，测角精度优于2”；2）在巡视器周围架设多台相机，通过调整相机测量高度、距离、拍摄角度实现每台相机对巡视器的全覆盖，调整完成后保持相机稳定；再利用基准尺对所有相机的外部方位参数进行标定，建立相机之间的相对方位关系；3）通过保持架将巡视器支撑固定，利用激光跟踪仪分别测量器身及场地公共点的三维坐标，再结合公共点坐标系转换算法确定巡视器本体坐标系相对北东地坐标系的位姿关系，完成巡视器定向，并利用同步授时装置对总控计算机与测量工控机的时间进行同步；通过控制通讯天线按预定轨迹进行转动，同时测量工控机控制同步触发器为所有相机提供同步触发信号，实现相机对转动中通讯天线的实时同步拍照及照片保存，测量频率不低于10Hz；4）针对每组测量照片，利用图像特征提取、特征点匹配、前方交会及后方交会组合测量实现通讯天线在巡视器本体坐标系下指向信息的自动解算并结合巡视器在北东地坐标系下位姿信息测量结果，确定试验过程中天线在北东地坐标系下的动态指向信息；同时将测试过程中的实测结果与天线的控制目标值进行比对，确定通讯天线的动态指向精度。2.如权利要求1所述的方法，其中，自动解算是基于空间反投影与光流法相结合的动态图像特征点自动识别匹配来进行的，具体实现过程如下：a）按照视觉靶标点单机标定结果的命名规则，在多个相机同步拍摄的第一组测量照片中，分别选取天线及巡视器本体上4个图像特征点进行初始匹配，利用PNP算法建立每个相机坐标系与天线坐标系以及巡视器本体坐标系的相对方位关系；b）结合视觉靶标点单机标定结果，利用视觉反投影测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：隆昌宇，张彬，孟凡伟，唐赖颖，阮国伟，易旺民，刘笑，杨再华，孟少华，贺文兴，彭松，王伟，张禹杭，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11