一种基于小行星序列图像的深空探测器光学导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于小行星序列图像的深空探测器光学导航方法，给出一种深空探测器与小行星快速交会时，基于小行星交会图像序列的光学导航方法。针对深空探测器在无姿态调整、无轨道维持的自由飞行状态下与小行星的近距离交会模式，建立相对匀速直线平动下的多视几何约束关系；将约束关系与多视几何解算模型相结合，计算世界坐标系下探测器成像点与小行星特征点的坐标；根据坐标计算探测器与小行星的最近交会距离、交会角度，以及位置随时间变化关系等空间导航信息。本发明专利技术能够对交会距离、交会角度和运动轨迹进行严格计算，精度比基于地基测量的导航方法有很大的提高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及，给出一种深空探测器与小行星快速交会时，基于小行星交会图像序列的光学导航方法。针对深空探测器在无姿态调整、无轨道维持的自由飞行状态下与小行星的近距离交会模式，建立相对匀速直线平动下的多视几何约束关系；将约束关系与多视几何解算模型相结合，计算世界坐标系下探测器成像点与小行星特征点的坐标；根据坐标计算探测器与小行星的最近交会距离、交会角度，以及位置随时间变化关系等空间导航信息。本专利技术能够对交会距离、交会角度和运动轨迹进行严格计算，精度比基于地基测量的导航方法有很大的提高。【专利说明】
本专利技术属于航天器导航与控制领域，特别是涉及一种基于小行星序列图像的探测器深空光学导航方法。
技术介绍
随着深空探测技术的发展，小行星探测已经成为21世纪深空探测的重要内容之一。小行星探测不仅有助于揭开太阳系和生命的起源、演化之谜，而且可促进地球防护、空间科学和空间技术应用的发展，能为更远的深空探测关键技术提供验证，这个过程中，深空探测器的精确导航是保证小行星探测任务顺利实施的基本条件。早期的探测器深空导航主要采用天文光学导航，其特点是基于星空背景和轮廓图像中心提取导航信息。VoyagerI与VoyagerII是最先尝试天文光学导航的行星际轨道器，1979年VoyagerI与木星相遇的时候测试了天文光学导航技术，其后与土星、天王星、海王星及其卫星的相遇中均进行了应用。喷气推进实验室(JPL)从VoyagerII传回的海王星图像中提取星体轮廓，用椭圆模型进行拟合以确定惯性空间中航行器与目标天体的相对位置，并实现了地面近实时图像导航。De印Spacel (DSl)是首个试图进行自主天文光学导航的轨道器，作为技术试验任务，DSl在探测小行星Braille以及彗星Borrelly的过程中对自主天文光学导航系统进行了成功验证。随着现代光学成像和计算机处理能力的提高，特别是近期MRO、LRO、SELENA及中国的嫦娥卫星搭载的高分辨率相机实现了星体表面高精度成像，使得轨道器在目标天体系中的高精度定位成为可能。虽然公开文献中多数方法目前仍然处于试验验证或者数据后处理阶段，但是这种技术已经受到航天先进国家越来越多的青睐，如美国航空航天局(NASA)已经在火星侦察轨道器(MRO)上成功实现了深空轨道器光学自主导航飞行模式，并在新一轮深空探测计划中将其确立为核心技术。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是给出一种深空探测器与小行星快速交会时，基于小行星交会图像序列的光学导航方法。本专利技术包括如下步骤:I)针对深空探测器在无姿态调整、无轨道维持的自由飞行状态下与小行星的近距离交会模式，当相对运动关系能够用匀速直线平动描述时，则建立基于多视几何理论的三个约束关系:(I)极点约束:所有小行星序列图像的极点坐标(ue, Ve)相同，所有反对称矩阵x，且有:【权利要求】1.，其特征在于包括如下步骤: 1)针对深空探测器在无姿态调整、无轨道维持的自由飞行状态下与小行星的近距离交会模式，当相对运动关系能够用匀速直线平动描述时，则建立基于多视几何理论的三个约束关系: (1)极点约束:所有小行星序列图像的极点坐标相同，所有反对称矩阵x的形式统一表达为x ,且有: 【文档编号】G01C21/24GK103512574SQ201310418426【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日 【专利技术者】唐歌实, 卜彦龙, 刘勇, 曹建峰, 王保丰, 胡松杰, 王镓, 李羿霏, 张强, 党瑞鹏, 李黎 申请人:北京航天飞行控制中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小行星序列图像的深空探测器光学导航方法，其特征在于包括如下步骤：1）针对深空探测器在无姿态调整、无轨道维持的自由飞行状态下与小行星的近距离交会模式，当相对运动关系能够用匀速直线平动描述时，则建立基于多视几何理论的三个约束关系：（1）极点约束：所有小行星序列图像的极点坐标(ue,ve)相同，所有反对称矩阵[en,m]×的形式统一表达为[e]×，且有：[en,m]×=[e]×=0-1ve10-ue-veue0对于小行星图像序列中的任意一对图像Im和In所构成的基础矩阵Fm,n统一表达为F，且有：Fm,n＝F＝[e]×（2）姿态约束：所有成像位置相机与小行星的相对姿态相同，若以首幅图像的相机姿态为单位阵I建立成像坐标系，则其余各图像的相机旋转矩阵Rn统一表达为R，且有：Rn＝R＝I（3）尺度约束：任意两次连续成像之间，相机相对运动距离相同，图像Im和In间相机的相对位移矢量表达为：tm?tn＝(n?m)·vδt其中：tm、tn分别为图像Im、In成像处相对于原点的位移矢量，v为探测器和小行星的相对运动速度矢量，δt为相机曝光的时间间隔；2）按照以下步骤，将约束与多视几何关系相结合，进行世界坐标系下探测器成像点与小行星特征点的空间坐标解算：（1）将探测器相机图像序列中的任意一对图像Im和In进行同名点匹配，第i对匹配点mi和ni的像面齐次坐标分别为xi,m＝(xi,m,yi,m,1)T和xi,n＝(xi,n,yi,n,1)T；（2）根据上述极点约束，通过以下关系式计算两图像Im和In间的基础矩阵Fm,n，并计算其最优值F：xi,nTFm,nxi,m=0其中：Fm,n＝[em,n]×F=Fm,n‾=[em,n‾]×（3）根据本质矩阵与基础矩阵的关系，通过以下公式计算归一化的本质矩阵E：E=K′TFKK′=K=Fx0Cx0FyCy001其中，Fx、Fy为相机成像面x方向y方向的等效焦距，CxCy为相机主点坐标，K、K′均为相机内参数矩阵；（4）设世界坐标系的原点建立在图像Im的成像处，世界坐标系坐标轴与该位置处的相机坐标系的三个坐标轴重合；将上述姿态约束代入本质矩阵的定义关系式，计算世界坐标系下，探测器在In成像处的归一化坐标Tnorm；根据上述姿态约束，计算反对称矩阵[T]×：[T]×＝[T]×R＝E[T]×为由矢量T＝[TX,TY,TZ]T定义的反对称矩阵，表达为:[T]×=0-TzTYTZ0-TX-TYTX0对T进行归一化得到坐标Tnorm：Tnorm=[TX,TY,TZ]/TX2+TY2+TZ2（5）在归一化尺度下，计算两图像Im和In上的同名点在世界坐标系的三维坐标；根据共线方程，解出同名点在世界坐标系的三维坐标；（6）根据上述尺度约束，将探测器与小行星的相对运动速率外测值作为尺度因子，对上述步骤（4）和（5）中所有归一化坐标乘以尺度因子；以探测器成像点坐标代表探测器质心位置坐标，得到与Im、In成像时刻相对应的小行星和探测器空间相对位置关系；3）基于上述相对位置坐标计算探测器与小行星的空间相对导航信息，包括：最近交会距离、交会角度，以及距离随时间的变化关系；具体方法如下：（1）计算探测器与小行星的最近交会距离（i）通过各同名点的世界坐标系坐标，并基于平均加权准则计算小行星形心的世界坐标系坐标XAC，以此作为小行星质心坐标的近似值；（ii）根据上述三个约束关系，在世界坐标系中计算通过图像Im与In成像处坐标Xm与Xn的直线lmn，得到探测器与小行星的相对运动轨迹：(lmn-Xm)⊗(lmn-Xn)=0（iii）按照空间点到直线的距离计算公式，计算小行星质心与探测器相对运动轨迹的距离，得到最近交会距离；（2）计算探测器与小行星的交会角度（i）根据小行星各同名点的世界坐标系坐标，计算正摄投影面上欧式距离最远的两点，以此作为小行星在正摄投影面上的长度LP；（ii）根据已知小行星长度LA，通过以下关系式计算交会角度θ：cosθ=LALP（3）计算探测器与小行星空间位置随时间变化关系（i）固定图像Im，记为I1，随成像时间改变图像In，分别记为I2，I3，…依次构成探测器成像对(I1,I2),(I1,I3),…；（ii）按照前述步骤2）分别计算世界坐标系下小行星、Im成像点、In成像点的空间三维位置坐标，将位置序列相连，形成探测器成像位置轨迹；（iii）按照所需要的时刻对探测器交会轨迹上的成像位置进行插值，得到交会成像期间任意时刻探测器的位置。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：唐歌实，卜彦龙，刘勇，曹建峰，王保丰，胡松杰，王镓，李羿霏，张强，党瑞鹏，李黎，
申请(专利权)人：北京航天飞行控制中心，
类型：发明
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