基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法技术

基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，涉及航天器姿态估计方法。本发明专利技术为了解决针对单一的单目视觉测量系统实现基于星箭对接环的姿态估计具有二值性导致的需要额外测量信息来去除虚假解的问题。本发明专利技术采用快速椭圆提取算法对具有星箭对接环的卫星三维模型仿真图片进行椭圆提取，进而根据空间同心圆环的代数约束关系求解出空间圆环法向量，从而确定出空间圆环平面法向量在摄像机坐标系下的方向矢量，实现了基于单目视觉系统，在不依靠额外的测量信息的情况下，独立对圆心未知、半径未知的星箭对接圆环平面法向量进行计算，从而得到目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角。本发明专利技术用于的航天器的姿态估计。

Spacecraft attitude estimation method based on image information of satellite and rocket docking rings

The spacecraft attitude estimation method based on the image information of the satellite-rocket docking ring relates to the spacecraft attitude estimation method. The invention solves the problem that the attitude estimation based on star-arrow docking ring has binarity for a single monocular vision measurement system, which requires additional measurement information to remove false solutions. The invention adopts the fast ellipse extraction algorithm to extract the ellipse of the satellite 3D model simulation picture with the satellite-rocket docking ring, and then solves the normal vector of the space ring according to the algebraic constraint relation of the space concentric ring, thus determines the direction vector of the plane normal vector of the space ring in the camera coordinate system, and realizes the base. In the monocular vision system, the normal vector of the annular plane of the star-rocket docking ring with unknown center and radius is calculated independently without any additional measurement information, and the attitude angle of the target spacecraft relative to the tracking spacecraft is obtained. The present invention is used for attitude estimation of spacecraft.

【技术实现步骤摘要】
基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法
本专利技术属于航天器位姿测量方法领域，涉及航天器姿态估计方法。
技术介绍
空间非合作目标一般不具有可以进行辅助测量的标识，其姿态也未知，并且不能与其他卫星进行直接的星间信息交流，因此对其进行位姿测量具有较大的难度。星箭对接环作为航天器普遍存在的结构，能够提供空间圆形特征，空间圆通过摄像机映射到图像平面后会变成椭圆形，很多学者基于单目视觉利用圆及其投影特征的定姿方法进行了广泛的研究。由于基于单目视觉对单个空间圆定姿具有二值性，且无法正确剔除虚假解，因此在基于星箭对接环的定姿方法中，都需要增加额外信息，不能仅依靠单一的单目视觉测量系统来实现基于星箭对接环的姿态估计。但是在实际卫星系统中，增加测量设备会影响卫星的总体设计，而且测量效果容易受到外部干扰。所以研究在不依靠额外测量信息的单目视觉测姿方法，在工程测量中有着广泛的应用前景，能够为空间非合作目标的姿态估计提供参考。
技术实现思路
本专利技术为了解决针对单一的单目视觉测量系统实现基于星箭对接环的姿态估计具有二值性导致的需要额外测量信息来去除虚假解的问题。进而提出了一种基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法。基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，包括以下步骤：步骤1：星箭对接环椭圆提取：利用快速椭圆检测方法对卫星模型的仿真图像进行处理，将星箭对接环内环与外环提取出来；步骤2：计算相机内参数矩阵：通过摄像机标定计算相机内参数矩阵；步骤3：计算空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系：建立图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系，并计算三个坐标系之间的转换关系；步骤4：计算空间圆投影方程：根据空间同心圆环的代数约束关系计算空间圆投影方程；步骤5：计算单应性矩阵：根据投影同心圆环的代数约束关系计算单应性矩阵；步骤6：计算星箭对接环所在平面的法向量：世界坐标系坐标轴在摄像机坐标系下的方向向量计算星箭对接环所在平面的法向量；步骤7：计算目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角：根据星箭对接环所在平面的法向量计算航天器姿态角。进一步地，步骤1所述的星箭对接环椭圆提取的具体过程包括以下步骤：首先进行圆弧提取，包括边缘检测、圆弧检测和圆弧凸性分类；然后对椭圆进行检测，包括圆弧筛选和参数估计；最后进行后处理操作，包括验证和聚类分析。进一步地，步骤2所述计算相机内参数矩阵的过程如下：相机内参数矩阵K为式中：kx与ky为相机等效焦距；u0与v0为相对于成像平面的主点坐标。进一步地，步骤3所述计算空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系的过程如下：图像坐标系是以图像左上角作为原点，沿像素的u,v轴所建立的直角坐标系；摄像机坐标系是以摄像机光心为原点，Z轴沿光轴方向，X轴与Y轴与图像坐标系的u,v轴相平行所建立的直角坐标系；世界坐标系为环境中的任意点所建立的直角坐标系，用于描述摄像机的位置；世界坐标系建立在目标航天器上，摄像机坐标系建立在追踪航天器上，定义空间点在世界坐标系下表示为Xw＝(Xw,Yw,Zw)T，对应的齐次坐标表示为空间点在摄像机坐标系下表示为Xc＝(Xc,Yc,Zc)T，对应的齐次坐标表示为空间点在图像坐标系下表示为x＝(u,v)T，对应的齐次坐标表示为空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系为：式中：R为世界坐标系向摄像机坐标系转换的旋转矩阵，t为世界坐标系向摄像机坐标系转换的平移向量，[R|t]构成的相机外参数矩阵能够将空间点从世界坐标系转换到摄像机坐标系下进行描述；s是缩放系数且满足s＝Zc；H为单应性矩阵，K为相机内参数矩阵。将目标航天器本体坐标系作为世界坐标系建立在星箭对接环平面上，其中Ow-XwYw平面位于星箭对接环上，Zw轴与星箭对接环平面法向量共线，星箭对接环平面在世界坐标系上表示为Zw＝0，因此(2)化简为式中：r1为世界坐标系Xw轴在摄像机坐标系下的方向向量，r2为世界坐标系Yw轴在摄像机坐标系下的方向向量；由于Zw＝0，式中进一步地，步骤4所述计算空间圆投影方程的过程如下：将同心圆环建立在世界坐标系Ow-XwYw平面上，同心圆环半径分别为ρ1、ρ2，圆心位于世界坐标原点Ow，该对同心圆写成如下形式：通过单应性矩阵H投影后的投影圆A1、A2写成如下形式：式中：γ1、γ2分别为非零实数；圆包络按下式投影成锥包络进一步地，步骤5所述计算单应性矩阵的过程如下：将写成线性组合形式：满足detΔ＝0(7)式中：α1,α2为非零实数。令β＝α1/α2，(7)可通过如下方程进行求解：能够得到两个根：β1＝γ2/γ1,β2＝γ2/γ1(ρ1/ρ2)2(9)Δ为退化锥包络矩阵；将β2带入到(8)中，可得出如下秩为2的矩阵：将Δ视为虚圆点对偶的二次曲线的投影；在无穷远线L∞处包含两个虚圆点：I＝(1,i,0)T及J＝(1,-i,0)T，式中i2＝-1，即：通过对Δ进行奇异值分解求解单应性矩阵H。进一步地，步骤6所述计算星箭对接环所在平面法向量为n(nx,ny,nz)：n＝r1×r2(12)。进一步地，步骤7所述计算目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角：目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角只有俯仰角φ与偏航角θ两个自由度，φ与θ与n关系如下：本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用快速椭圆提取算法能够对具有星箭对接环的卫星三维模型仿真图片进行椭圆提取，进而根据空间同心圆环的代数约束关系求解出空间圆环法向量，从而确定出空间圆环平面法向量在摄像机坐标系下的方向矢量，实现了基于单目视觉系统，在不依靠额外的测量信息的情况下，独立对圆心未知、半径未知的星箭对接圆环平面法向量进行计算，从而得到目标航天器的姿态角。由于本专利技术可以不依靠额外的测量信息去除虚假解，独立对圆心未知、半径未知的星箭对接圆环平面法向量进行计算，相对于利用单圆结构并额外增加激光测距设备的姿态估计系统，本专利技术能够降低系统复杂度，相对于利用单圆结构并结合卫星本体矩形框进行联合定姿的方法，本专利技术能够降低图像处理的运算量，将运行效率提高30％以上。附图说明图1为快速椭圆检测算法流程示意图；图2a和图2b为椭圆提取效果图；图3为视觉测量坐标系关系示意图；图4为建立在航天器对接环平面上的坐标系示意图。具体实施方式具体实施方式一：本专利技术的目的在于提供一种不依靠额外测量信息，能够利用单一的星箭对接环结构，计算出目标航天器姿态的方法。为了实现上述目的，本专利技术所采用的方法是：采用快速椭圆提取算法对具有星箭对接环的卫星三维模型仿真图片进行椭圆提取，进而根据空间同心圆环的代数约束关系求解出空间圆环法向量，从而确定出空间圆环平面法向量在摄像机坐标系下的方向矢量，实现了基于单目视觉系统，在不依靠额外的测量信息的情况下，独立对圆心未知、半径未知的星箭对接圆环平面法向量进行计算，从而得到目标航天器的姿态角。基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法包括以下步骤：步骤1：星箭对接环椭圆提取：利用快速椭圆检测方法对卫星模型的仿真图像进行处理，快速准确的将星箭对接环内环与外环提取出来；步骤2：计算相机内参数矩阵：通过摄像机标定计算相机内参数矩阵；步骤3：计算空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系：建立图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系，并计算三个坐标系之间的转换关系；步骤4：计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：星箭对接环椭圆提取：利用快速椭圆检测方法对卫星模型的仿真图像进行处理，将星箭对接环内环与外环提取出来；步骤2：计算相机内参数矩阵：通过摄像机标定计算相机内参数矩阵；步骤3：计算空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系：建立图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系，并计算三个坐标系之间的转换关系；步骤4：计算空间圆投影方程：根据空间同心圆环的代数约束关系计算空间圆投影方程；步骤5：计算单应性矩阵：根据投影同心圆环的代数约束关系计算单应性矩阵；步骤6：计算星箭对接环所在平面的法向量：世界坐标系坐标轴在摄像机坐标系下的方向向量计算星箭对接环所在平面的法向量；步骤7：计算目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角：根据星箭对接环所在平面的法向量计算航天器姿态角。

【技术特征摘要】
1.基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：星箭对接环椭圆提取：利用快速椭圆检测方法对卫星模型的仿真图像进行处理，将星箭对接环内环与外环提取出来；步骤2：计算相机内参数矩阵：通过摄像机标定计算相机内参数矩阵；步骤3：计算空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系：建立图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系，并计算三个坐标系之间的转换关系；步骤4：计算空间圆投影方程：根据空间同心圆环的代数约束关系计算空间圆投影方程；步骤5：计算单应性矩阵：根据投影同心圆环的代数约束关系计算单应性矩阵；步骤6：计算星箭对接环所在平面的法向量：世界坐标系坐标轴在摄像机坐标系下的方向向量计算星箭对接环所在平面的法向量；步骤7：计算目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角：根据星箭对接环所在平面的法向量计算航天器姿态角。2.根据权利要求1所述的基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，步骤1所述的星箭对接环椭圆提取的具体过程包括以下步骤：首先进行圆弧提取，包括边缘检测、圆弧检测和圆弧凸性分类；然后对椭圆进行检测，包括圆弧筛选和参数估计；最后进行后处理操作，包括验证和聚类分析。3.根据权利要求1或2所述的基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，步骤2所述计算相机内参数矩阵的过程如下：相机内参数矩阵K为式中：kx与ky为相机等效焦距；u0与v0为相对于成像平面的主点坐标。4.根据权利要求3所述的基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，步骤3所述计算空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系的过程如下：图像坐标系是以图像左上角作为原点，沿像素的u,v轴所建立的直角坐标系；摄像机坐标系是以摄像机光心为原点，Z轴沿光轴方向，X轴与Y轴与图像坐标系的u,v轴相平行所建立的直角坐标系；世界坐标系为环境中的任意点所建立的直角坐标系，用于描述摄像机的位置；世界坐标系建立在目标航天器上，摄像机坐标系建立在追踪航天器上，定义空间点在世界坐标系下表示为Xw＝(Xw,Yw,Zw)T，对应的齐次坐标表示为空间点在摄像机坐标系下表示为Xc＝(Xc,Yc,Zc)T，对应的齐次坐标表示为空间点在图像坐标系下表示为x＝(u,v)T，对应的齐次坐标表...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏承，王典军，郭玲华，经姚翔，鄂薇，王萍萍，赵阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23