基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法，涉及航天器姿态测量技术领域，分为数据预处理，视觉惯性初始化和优化三个部分

【技术实现步骤摘要】
基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法


[0001]本专利技术涉及航天器姿态测量
，尤其涉及基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法
。

技术介绍

[0002]高精度的姿态信息是确保航天器完成各种复杂空间任务的前提
。
航天器的姿态主要是利用星载姿态敏感器获得的测量信息，估计其在天球坐标系下的三轴姿态，为姿态控制系统提供精确的输入以便实时准确地调整航天器的姿态
。
[0003]星敏感器是航天器上测量精度最高的单体传感器
。
但其动态性能差，姿态更新频率较低
。
此外，当受到杂散光的干扰，可能会出现空间迷失
(lost
‑
in
‑
space)
无法正常输出
。
陀螺仪因其体积小
、
成本低，被广泛用于测量航天器的三轴角速度
。
陀螺仪具有动态响应快
、
姿态输出频率高等优点
。
但是陀螺仪的输出会发生漂移，长期测量会积累误差
。
因此，常将二者结合进行联合姿态估计
。
目前，绝大多数融合算法采用滤波类方法，由于提供了马尔可夫假设，其计算速度较快，但也容易陷入局部最优估计，且高度依赖于当前时刻的测量，星敏感器如果无法正常输出则会严重影响整体估计精度
。
[0004]综上所述，当前所存在的方法在估计精度
、
姿态输出频率方面存在缺陷，并且忽略了图像信息短期失效的情况
。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法，通过批量优化的思想对一段时间的状态量进行联合估计避免陷入局部最优；利用滑动窗口法控制待估计量的规模确保姿态估计的实时性
。
本专利技术分为数据预处理，视觉惯性初始化和优化三个部分
。
测量前端包括视觉特征的跟踪和存储，惯性陀螺仪利用预积分完成状态量的传播，并建立相邻帧约束
。
初始化通过星敏感器的初始姿态完成视觉惯性对准
。
后端优化则基于关键帧的滑动窗口法，融合陀螺仪预积分和视觉观测，并边缘化最老帧保留约束信息
。
最终优化器包含四项约束：陀螺仪预积分
、
视觉重投影误差
、
边缘化信息和绝对姿态误差
。
本专利技术有效提高航天器三轴测量精度以及抑制陀螺仪漂移，增强星敏感器空间迷失等情况下姿态输出鲁棒性
。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法包括以下步骤：步骤一，获取星敏感器图像帧后，将星敏感器观测星点视为特征点进行质心提取，如果获取的是第一帧图像，则进行全天区星图识别，获取恒星星号
、
赤经赤纬；如果获取的不是第一帧图像，则将上帧识别出的星敏感器观测星点位置与陀螺仪预测星点位置进行匹配，完成恒星识别，并在特征处理器中存储成功识别的星点，将观测到的同一颗恒星由其在星库中的恒星编号作为唯一标识，并记录其赤经赤纬
、
不同星敏感器图像帧中的位置坐标
、
被不同图像帧观测到的次数；
步骤二，获取陀螺仪角速度后，利用陀螺仪预积分进行状态量的估计和传播，并建立相邻帧的惯性约束；利用相机
/
陀螺仪相对位置关系对前一帧图像识别出的星敏感器观测星点在当前帧中进行位置预测；步骤三，当滑动窗口内图像帧第一次达到预设的数量时，将陀螺仪预积分与星敏感器初始姿态对准，完成陀螺仪漂移初值估计；步骤四，获取新的星敏感器图像帧后，通过与滑窗内最新的关键帧进行视差判断，判断是否为新的关键帧，当判断为新的关键帧时，边缘化滑窗内的最老关键帧；当判断为非新的关键帧时，边缘化该星敏感器图像帧；步骤五，在优化器中建立滑窗内所有关键帧之间的视觉重投影误差
、
陀螺仪预积分
、
边缘化信息以及绝对姿态误差
。
[0007]有益效果：首先，本专利技术提出了一种基于视觉惯性紧耦合方法，能有效克服单一传感器测量缺陷，保证航天器全天区全天时姿态测量，并极大提升姿态更新频率
。
其次，利用批量优化的方法对一段时间内航天器的状态量以及陀螺仪的漂移进行估计，能有效解决了滤波方法陷入局部最优的问题，提升姿态估计精度
。
最后，利用滑动窗口法和边缘化技术控制待估计状态量的规模，保证了测量的实时性
。
附图说明
[0008]图1为本专利技术的基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法的整体框架示意图
。
[0009]图2为仿真星图
。
[0010]图3为视觉重投影误差示意图
。
具体实施方式
[0011]为了使本专利技术的目的
、
技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明
。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术
。
此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合
。
[0012]首先分别设置星敏感器和陀螺仪的参数如表1所示：表1，根据上述参数将史密松天文台星表中星等亮度超过
6Mv
的恒星映射到图像中，施加
0.1~0.5
像素的星点位置误差
。
并设置航天器的三轴角速度为，连续生成
300
幅星图，如图2所示
。
[0013]如图1所示，本专利技术实施例的基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法主要包括如下步骤：
步骤一，获取星敏感器图像帧后，对星敏感器观测星点进行质心提取，如果是第一帧图像则进行全天区星图识别，获取恒星星号，赤经赤纬等信息
。
如果不是第一帧图像则将提取的星点位置与陀螺仪预测星点位置进行匹配，完成恒星识别，并在特征处理器中存储成功识别的星点，将观测到的同一颗恒星由其在星库中的恒星编号作为唯一标识，并记录其赤经赤纬
、
不同星敏感器图像帧中的位置坐标
、
被不同图像帧观测到的次数；步骤二，首先利用姿态动力学方程进行状态量的估计和传播，其中待估计的状态量包括绝对姿态和陀螺仪漂移
。
[0014]，其中，和是星敏感器相邻帧
k
和
k+1
时刻航天器在天球坐标系下绝对姿态四元数， 表示四元数的乘法，
t
是
k
和
k+1
之间的任意时刻，表示
t
时刻，航天器相对于坐标系的瞬时姿态四元数
。
表示
t 时刻，陀螺仪测量角速度，是陀螺仪漂移关于时间的导数，是陀螺仪三轴角速度，是陀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，获取星敏感器图像帧后，将星敏感器观测星点视为特征点进行质心提取，如果获取的是第一帧图像，则进行全天区星图识别，获取恒星星号
、
赤经赤纬；如果获取的不是第一帧图像，则将上帧识别出的星敏感器观测星点位置与陀螺仪预测星点位置进行匹配，完成恒星识别，并在特征处理器中存储成功识别的星点，将观测到的同一颗恒星由其在星库中的恒星编号作为唯一标识，并记录其赤经赤纬
、
不同星敏感器图像帧中的位置坐标
、
被不同图像帧观测到的次数；步骤二，获取陀螺仪角速度后，利用陀螺仪预积分进行状态量的估计和传播，并建立相邻帧的惯性约束；利用相机
/
陀螺仪相对位置关系对前一帧图像识别出的星敏感器观测星点在当前帧中进行位置预测；步骤三，当滑动窗口内图像帧第一次达到预设的数量时，将陀螺仪预积分与星敏感器初始姿态对准，完成陀螺仪漂移初值估计；步骤四，获取新的星敏感器图像帧后，通过与滑窗内最新的关键帧进行视差判断，判断是否为新的关键帧，当判断为新的关键帧时，边缘化滑窗内的最老关键帧；当判断为非新的关键帧时，边缘化该星敏感器图像帧；步骤五，在优化器中建立滑窗内所有关键帧之间的视觉重投影误差
、
陀螺仪预积分
、
边缘化信息以及绝对姿态误差
。2.
根据权利要求1所述的基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法，其特征在于，所述步骤一包括：对星敏感器观测星点和陀螺仪预测星点进行匹配完成恒星识别后，在特征处理器中存储滑窗内所有关键帧的信息，其中关键帧定义为：当前后两帧图像中观测星点的平均位移超过设定的阈值或观测星点的个数小于设定的阈值，当前图像帧即为关键帧
。3.
根据权利要求2所述的基于优化的视觉惯性紧耦合航天器姿态测量方法，其特征在于，所述步骤二包括：利用姿态动力学方程进行状态量的估计和传播，定义星敏感器与陀螺仪所在的坐标系为本体坐标系
b
，天球坐标系为世界坐标系
w
；待估计的状态量包括航天器的姿态和陀螺仪三轴漂移：，其中，和是星敏感器相邻帧
k
和
k+1
时刻航天器在天球坐标系下绝对姿态四元数， 表示四元数的乘法，
t
是
k
和
k+1
之间的任意时刻，表示
t
时刻，航天器相对于坐标系的瞬时姿态四元数；表示
t 时刻，陀螺仪测量角速度，是陀螺仪漂移关于时间的导数，是陀螺仪三轴角速度，是陀螺仪漂移高斯白噪声；表示将一个三维矢量映射为4×4矩阵，则表示为：
，利用预积分建立相邻帧相对运动姿态与陀螺仪漂移误差的关系：，其中，是相邻帧相对姿态四元数，表示的逆运算，是陀螺仪漂移误差，是相对姿态相对于漂移的雅各比矩阵，表示为0时的相对姿态四元数；利用相机
/
陀螺仪相对位置关系得到恒星在相机靶面上的递推公式，用于预测所有观测星点的运动轨迹：，其中，和表示陀螺仪连续采样
i
和
i+1
时刻同一颗恒星的图像坐标；表示陀螺仪三轴角速度，表示
i
和
i+1
之间的时间间隔，是星敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵汝进，易晋辉，马跃博，朱自发，龙鸿峰，朱梓健，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：