一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法技术

本发明专利技术提供了一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，用于解决现有空间目标位姿信息获取方法存在的目标大、造价高、感知视点及范围有限且对大型目标测量耗时长、任务响应速度慢、易受光照等环境因素影响的技术问题。本方法包括：通过微纳卫星的编队，获得多个视角的目标图像；提取多个视角的目标图像中稳定的特征点，进行高精度立体匹配；根据匹配结果得到立体匹配深度图，再根据视差原理重构特征点位置信息；通过三个特征点构建的空间目标坐标系O

【技术实现步骤摘要】
一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法


[0001]本专利技术涉及航天器领域，尤其涉及一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法。

技术介绍

[0002]随着航天技术的发展，精确测量空间目标之间的相互位置和姿态关系是完成在轨维修等航天任务的关键技术之一，国内外在该领域开展了大量研究工作。然而，现有的研究和技术往往针对单个卫星装载的单一载荷来获取目标航天器的位姿信息。而单个卫星目标大、造价高、感知视点及范围有限、对大型目标测量耗时长、任务响应速度慢，而且易受光照等环境因素影响，可靠性不高，往往无法满足日益复杂环境下空间任务中对空间目标位姿测量的需求。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于解决现有空间目标（目标航天器）位姿信息获取方法存在的目标大、造价高、感知视点及范围有限且对大型目标测量耗时长、任务响应速度慢、易受光照等环境因素影响导致可靠性不高、无法满足日益复杂环境下空间任务中对空间目标位姿测量需求的技术问题，而提供一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1】通过多个位于空间目标不同视角的微纳卫星实现不同空间任务需求，获得多个视角的目标图像；微纳卫星分别装载有红外摄像机、可见光摄像机或微光摄像机；以微纳卫星装载的摄像机为基础，建立微纳卫星运动学模型；依靠微纳卫星提取的多个视角的目标图像实现微纳卫星的编队生成、保持以及重构；2】提取多个视角的目标图像中稳定的特征点，并将多个视角的目标图像中稳定的特征点进行高精度立体匹配，获得视差图；其中，同一视角的目标图像中提取的稳定的特征点至少为三个；3】根据视差图得到立体匹配深度图，再根据视差原理从立体匹配深度图中重构特征点的位置信息；4】位姿解算：4.1】选取三个特征点，分别记作P1、P2、P3，根据P1、P2、P3构建空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
和追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
；所述空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
的原点为P
1，
轴方向为，且P3在平面上；所述追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
与空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
的位置和姿态关系为：
，其中，为特征点P
i
在追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
中的坐标，为特征点P
i
在空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
中的坐标，i=1,2，3，i为特征点的序号；R为姿态变换矩阵；T为空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
相对于追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
的平移矩阵；4.2】根据构建的空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
和追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
计算姿态变换矩阵R，进而获得姿态角；4.3】结合步骤3】获得的特征点的位置信息和步骤4.2】获得的姿态角，解算空间目标的位姿信息。
[0005]进一步地，步骤4.2】中，姿态变换矩阵
[0006]其中，通过下式获得：，上式中，为特征点P3在追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
中的坐标；为特征点P1在追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
中的坐标；，为在轴上的分量，为在轴上的分量，为的单位向量；通过下式获得：，上式中，为特征点P2在追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
中的坐标；，为空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
的轴方向；通过下式获得：。
[0007]进一步地，在步骤1】和步骤2】之间，还包括多源异类信息融合的步骤：微纳卫星编队完成后，将同一时刻红外摄像机获得的目标红外图像、可见光摄像机获得的目标可见光图像以及微光摄像机获得的目标微光图像进行图像融合，获得高质量
目标图像。
[0008]进一步地，步骤2】具体为：2.1】特征点提取：先基于DoP
‑
K滤波和色度归一化对多个视角的目标图像进行预处理，去除光照、噪声因素的影响；再结合SURF描述符来检测多个视角的目标图像中稳定的特征点，并对其进行提取；2.2】使用NCC算法对提取的稳定的特征点进行高精度立体匹配；2.3】完成匹配后，记录其视差，最终得到与原始目标图像尺寸相同的视差图。
[0009]进一步地，步骤2.2】具体为：在待匹配像素位置构建3
×
3邻域匹配窗口，在目标像素位置同样构建3
×
3邻域匹配窗口；通过建立目标函数来对两个邻域匹配窗口进行相关性的度量，以相邻视角图像待测像素同一水平线上相关性最高的像素为最优的立体匹配。
[0010]本专利技术相比于现有技术的有益效果为：1、本专利技术提供的一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，根据不同空间任务需求，将不同的微纳卫星装载的各种载荷（摄像机）进行自由组合和重构，实现空间复杂光照环境下空间目标快速高鲁棒性观测，通过特征点重构获取目标相对位姿信息；该方法具有系统容错率及鲁棒性高、响应速度快、观测效能高、观测范围大的优点，且其应用灵活、适用范围广，具有很高的实用性。
[0011]2、本专利技术提供的一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，微纳卫星集群中的微纳卫星分别装载红外摄像机、可见光摄像机、微光摄像机等小型低成本载荷，大大降低了目标位姿测量的测量成本。
附图说明
[0012]图1为本专利技术一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法的流程图；图2为本专利技术一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法的原理示意图；图3为本专利技术中位姿解算原理示意图。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1】通过多个位于空间目标不同视角的微纳卫星实现不同空间任务需求，获得多个视角的目标图像；微纳卫星分别装载有红外摄像机、可见光摄像机或微光摄像机；以微纳卫星装载的摄像机为基础，建立微纳卫星运动学模型；依靠微纳卫星提取的多个视角的目标图像实现微纳卫星的编队生成、保持以及重构；2】提取多个视角的目标图像中稳定的特征点，并将多个视角的目标图像中稳定的特征点进行立体匹配，获得视差图；其中，同一视角的目标图像中提取的稳定的特征点至少为三个；3】根据视差图得到立体匹配深度图，再根据视差原理从立体匹配深度图中重构特征点的位置信息；4】位姿解算：4.1】选取三个特征点，分别记作P1、P2、P3，根据P1、P2、P3构建空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
和追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
；所述空间目标坐标系O
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‑
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w
Y
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w
的原点为P1，轴方向为，且P3在平面上；所述追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
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与空间目标坐标系O
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w
的位置和姿态关系为：，其中，为特征点P
i
在追踪航天器坐标系O
c
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X
c
Y
c
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c
中的坐标，为特征点P
i
在空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
中的坐标，i=1,2,3,i为特征点的序号；R为姿态变换矩阵；T为空间目标坐标系O
w
‑
X
w
Y
w
Z
w
相对于追踪航天器坐标系O
c
‑
X
c
Y
c
Z
c
的平移矩阵；4.2】根据构建的空间目标坐标系O
w
‑
X
w<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锋，路荣，张高鹏，陈卫宁，曹剑中，张海峰，董森，郭惠楠，梅超，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：