基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法。该方法包括步骤：仿真投影、模型轮廓提取、目标图像检测、目标轮廓提取、Hu矩相似性计算、形状上下文相似性计算和相对姿态估计。本发明专利技术的基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，仅利用目标卫星的目标图像的轮廓特征，结合已知的参考轮廓，并利用设定的两步相似性度量策略，能够实现目标卫星相对观测卫星的相对姿态估计，无需遥测信息，在目标卫星的遥测设备失效时，也能实现姿态估计；且能够消除对点、线和面等高分辨特征的依赖，既能实现远距离相对姿态估计，还能为近距离基于高分辨特征相对姿态估计提供初始值，简单易实现。

Satellite relative attitude estimation method based on contour similarity

The invention discloses a satellite relative attitude estimation method based on contour similarity. The method includes simulation projection, model contour extraction, target image detection, target contour extraction, Hu moment similarity calculation, shape context similarity calculation and relative attitude estimation. The satellite relative attitude estimation method based on contour similarity of the present invention can realize the relative attitude estimation of the target satellite relative observation satellite only by using the contour characteristics of the target satellite image, combining with the known reference contour and using the two-step similarity measurement strategy, without telemetry information, and can also realize the attitude when the telemetry equipment of the target satellite fails. Estimation; and can eliminate the dependence on high-resolution features such as points, lines and surfaces. It can not only achieve long-range relative attitude estimation, but also provide initial values for short-range relative attitude estimation based on high-resolution features, which is simple and easy to implement.

【技术实现步骤摘要】
基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法
本专利技术涉及航天器姿态测量领域，具体涉及一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法。
技术介绍
目前两个卫星之间的相对姿态，可以在基于全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)的遥测信息实现高精度估计；但当卫星出现故障导致星上的遥测设备失效时，此时需要通过观测卫星上的传感器实现姿态估计。随着高分辨率成像技术的不断进步，基于高分辨率观测图像的相对姿态估计方法得到广泛的应用，目前主要通过利用立体相机和单目相机来实现卫星的相对姿态估计。但由于立体相机受观测基线长度的影响，观测范围受限，只能适合于极近距离的估计任务；而单目相机虽然设备简单、使用时不受基线影响，但利用单目相机需要高分辨特征的支持(如点、线、面信息)，当观测距离较远或观测相机能力较弱，观测得到的图像仅能提供目标卫星粗略的轮廓信息时，无法实现卫星的相对姿态估计。
技术实现思路
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，仅利用目标卫星的轮廓特征，即可实现目标卫星相对观测卫星的相对姿态估计。为此，本专利技术公开了一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法。该方法包括：仿真投影：利用目标卫星的三维模型，进行仿真投影处理，生成空间目标高分辨率下，观测卫星与所述目标卫星间不同相对姿态条件对应的多个模型剪影；模型轮廓提取：对多个所述模型剪影进行模型轮廓检测提取，获取多个所述模型剪影对应的多个参考轮廓；目标图像检测：对所述观测卫星的实际观测图像进行检测处理，获取所述目标卫星对应的目标图像；目标轮廓提取：对所述目标图像进行轮廓检测提取，获取所述目标图像对应的目标轮廓；Hu矩相似性计算：利用Hu矩相似性计算，依次对多个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果从小到大对多个所述参考轮廓依次进行排序，提取位于前序的若干个参考轮廓；形状上下文相似性计算：利用形状上下文相似性计算，依次对若干个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果，提取若干个所述参考轮廓中与所述目标轮廓距离最小的参考轮廓；相对姿态估计：确定所述距离最小的参考轮廓对应的仿真投影模型，将所述仿真投影模型对应的相对姿态作为所述目标卫星的相对姿态估计。进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，在所述三维模型的仿真投影处理过程中，设定背景区域灰度值为0，模型区域灰度值大于0。进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，所述模型轮廓提取过程中，采用以0为阈值的图像二值化方法，获取模型区域和背景区域；采用拓扑结构分析方法，提取所述模型剪影对应的表征形状的所述参考轮廓，以及采样并归一化参考轮廓点集。进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，利用自适应阈值分割方法，获取包括所述目标图像的目标区域。进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，采用拓扑结构分析方法，提取所述目标图像对应的表征形状的所述目标轮廓，以及采样并归一化目标轮廓点集。进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，在所述Hu矩相似性计算中，设定多个所述参考轮廓中的第i个参考轮廓的第n阶Hu矩为设定所述目标轮廓的第n阶Hu矩为hn(PT)，利用下述公式1对所述第i个参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算；其中，为第i个参考轮廓点集，PT为目标轮廓点集。进一步地，在所述基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法中，在所述形状上下文相似性计算中，设定若干个所述参考轮廓中的第j个参考轮廓采样点p的形状上下文描述为设定所述目标轮廓采样点q的形状上下文描述为scq(PT)，通过形状迭代匹配，确定所述参考轮廓点集与所述目标轮廓点集对应变换关系T，利用下述公式2对所述第j个参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算；其中，n为第j个参考轮廓采样点数量，C(p,T(q))为和之间的卡方距离。本专利技术技术方案的主要优点如下：本专利技术的基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，仅利用目标卫星的目标图像的轮廓特征，结合已知的参考轮廓，并利用设定的两步相似性度量策略，能够实现目标卫星相对观测卫星的相对姿态估计，无需遥测信息，在目标卫星的遥测设备失效时，也能实现姿态估计；且能够消除对点、线和面等高分辨特征的依赖，既能实现远距离相对姿态估计，还能为近距离基于高分辨特征相对姿态估计提供初始值，简单易实现。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术一个实施例的基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法的流程图；图2为本专利技术一个实施例的空间目标观测相机坐标系的示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术具体实施例及相应的附图对本专利技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以下结合附图，详细说明本专利技术实施例提供的技术方案。本文所述的轮廓间的距离指的是轮廓的不相似度，距离越大，轮廓的不相似度程度越高。如附图1所示，本专利技术实施例提供了一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，该方法包括：仿真投影：利用目标卫星的三维模型，进行仿真投影处理，生成空间目标高分辨率下，观测卫星与目标卫星间不同相对姿态条件对应的多个模型剪影；模型轮廓提取：对多个模型剪影进行模型轮廓检测提取，获取多个模型剪影对应的多个参考轮廓；目标图像检测：对观测卫星的实际观测图像进行检测处理，获取目标卫星对应的目标图像；目标轮廓提取：对目标图像进行轮廓检测提取，获取目标图像对应的目标轮廓；Hu矩相似性计算：利用Hu矩相似性计算，依次对多个参考轮廓与目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果从小到大对多个参考轮廓依次进行排序，提取位于前序的若干个参考轮廓；形状上下文相似性计算：利用形状上下文相似性计算，依次对若干个参考轮廓与目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果，提取若干个参考轮廓中与目标轮廓距离最小的参考轮廓；相对姿态估计：确定距离最小的参考轮廓对应的仿真投影模型，将仿真投影模型对应的相对姿态作为目标卫星的相对姿态估计。具体地，为了便于根据目标卫星的三维模型进行仿真投影处理，以生成空间目标高分辨下，观测卫星与目标卫星间不同相对姿态条件下对应的多个模型剪影；如附图2所示，本专利技术实施例提供了一种空间目标观测相机坐标系，并对观测条件进行了设定。其中，在本专利技术实施例提供的空间目标观测相机坐标系中，相机光心固定在相机坐标系c-xcyczc原点c，目标卫星质心固定在本体坐标系o-xoyozo原点o，观测视线为相机光心指向目标卫星质心；相机相对目标卫星的方位角α∈[0°，360°]、俯仰角β∈[-90°，90°]，滚转角γ∈[0°，360°]，三个转角的采样间隔均设定为20°。在上述设定条件下，进行仿真投影处理，生成模型剪影。同时，在本专利技术实施例中，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，其特征在于，所述方法包括：仿真投影：利用目标卫星的三维模型，进行仿真投影处理，生成空间目标高分辨率下，观测卫星与所述目标卫星间不同相对姿态条件对应的多个模型剪影；模型轮廓提取：对多个所述模型剪影进行模型轮廓检测提取，获取多个所述模型剪影对应的多个参考轮廓；目标图像检测：对所述观测卫星的实际观测图像进行检测处理，获取所述目标卫星对应的目标图像；目标轮廓提取：对所述目标图像进行轮廓检测提取，获取所述目标图像对应的目标轮廓；Hu矩相似性计算：利用Hu矩相似性计算，依次对多个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果从小到大对多个所述参考轮廓依次进行排序，提取位于前序的若干个参考轮廓；形状上下文相似性计算：利用形状上下文相似性计算，依次对若干个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果，提取若干个所述参考轮廓中与所述目标轮廓距离最小的参考轮廓；相对姿态估计：确定所述距离最小的参考轮廓对应的仿真投影模型，将所述仿真投影模型对应的相对姿态作为所述目标卫星的相对姿态估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，其特征在于，所述方法包括：仿真投影：利用目标卫星的三维模型，进行仿真投影处理，生成空间目标高分辨率下，观测卫星与所述目标卫星间不同相对姿态条件对应的多个模型剪影；模型轮廓提取：对多个所述模型剪影进行模型轮廓检测提取，获取多个所述模型剪影对应的多个参考轮廓；目标图像检测：对所述观测卫星的实际观测图像进行检测处理，获取所述目标卫星对应的目标图像；目标轮廓提取：对所述目标图像进行轮廓检测提取，获取所述目标图像对应的目标轮廓；Hu矩相似性计算：利用Hu矩相似性计算，依次对多个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果从小到大对多个所述参考轮廓依次进行排序，提取位于前序的若干个参考轮廓；形状上下文相似性计算：利用形状上下文相似性计算，依次对若干个所述参考轮廓与所述目标轮廓距离进行度量计算，根据距离计算结果，提取若干个所述参考轮廓中与所述目标轮廓距离最小的参考轮廓；相对姿态估计：确定所述距离最小的参考轮廓对应的仿真投影模型，将所述仿真投影模型对应的相对姿态作为所述目标卫星的相对姿态估计。2.根据权利要求1所述的基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，其特征在于，在所述三维模型的仿真投影处理过程中，设定背景区域灰度值为0，模型区域灰度值大于0。3.根据权利要求2所述的基于轮廓相似性的卫星相对姿态估计方法，其特征在于，所述模型轮廓提取过程中，采用以0为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏宇，曹璐，朱效洲，冉德超，王建，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11