一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法技术

本发明专利技术涉及一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法，通过计算深空探测器与小行星近距离快速交会时运动规律、相互引力和测控约束，建立两体之间的空间近似无旋转且匀速直线相对运动关系；将相对运动模型与CCD相机中心投影规律相结合，建立符合无调姿、无轨控飞掠交会探测特点的序列图象相对构像关系；本发明专利技术将已知的探测器和被测小行星的轨道、姿态等物理特性与多视成象几何相结合，完整揭示了交会探测过程的构像关系；简化了特征投影关系，减少了投影关系解算的误差耦合影响。

【技术实现步骤摘要】
一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法
本专利技术涉及航天器导航、控制与图像信息处理领域，是一种涉及深空探测器与小行星交汇并进行CCD序列光学成像时构像方法。
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。深空探测器飞掠小行星光学探测过程中，两体运动规律、测控条件和相机成像模式都会对序列光学成像结果造成重要影响，必须针对具体条件进行构像关系建模。光学成像观测系统可以描述为搭载在探测器平台上的光学载荷对深空场景中的运动目标(小行星)成像观测的复杂系统，合理的光学构像关系模型是进一步进行光学导航和物理特性分析等各项科学工程研究的基础。对于采用光学CCD成像的深空探测器，中心投影构象关系式表达了物点与像点之间简单的投影映射关系，但由于中心投影成像关系下，成像系统内、外方位元素耦合在非线性模型中，同时探测器长时间的飞行为光学相机引入了深空环境下不易消除的畸变，这些都使得投影关系的形式非常复杂。基于CCD序列图象的光学构像关系模型是一种描述成像投影关系的有效方法，在合理的假设下，甚至可以简化成像投影关系，这对进一步的相对导航和科学分析非常有利。受到中国深空探测水平的制约，国内前期尚未针对这个问题展开研究，而由于探测模式和成像方式的区别，国外公开文献中也未见到关于深空探测器飞掠小行星时CCD序列图象构像关系建模的相关技术报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提出一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法。本专利技术包括如下步骤：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，通过以下六步建立深空探测器与小行星之间的空间相对运动关系：(1)在质心天球参考系下，基于深空探测器的轨道根数和小行星的轨道根数，按照以下公式分别计算交会成像期间深空探测器和小行星各自的加速度，以及深空探测器和小行星之间的相对加速度；所述加速度和相对加速度均由质心天球参考系中太阳引力产生；其中，as为质心天球参考系中太阳对探测器产生的引力加速度，aa为质心天球参考系中同一时刻太阳对小行星产生的引力加速度；GMSun为太阳的引力常数；和分别为同一时刻探测器和小行星相对于太阳质心的位置矢量。(2)基于小行星已知质量，计算交会成像期间小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量；具体步骤如下：建立相对引力坐标系Oa-xyz，其原点Oa为小行星质心，x方向为相对运动方向，y方向为交会时刻卫星相对位置的反方向，z轴与x，y构成右手系；将交会时刻记为t0，根据坐标系定义，该时刻小行星坐标可记为(0,y0,0)；在Oa-xyz坐标系中，小行星引力产生的速度变化表达如下：其中，μ＝GMA为小行星的引力常数；(3)如果步骤(1)中相对加速度小于0.01m/s2，并且步骤(2)中小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量小于0.1％，则用匀速直线运动来描述深空探测器和小行星相对位置关系：小行星为静止质点，深空探测器相对其作匀速直线运动；或深空探测器为静止质点，小行星相对其作匀速直线运动；(4)在质心天球参考系下，根据以下公式计算交会成像期间小行星的空间姿态变化量Δθ；其中，Ti为小行星绕其第i个旋转轴的旋转周期，t为交会成像时间；(5)在质心天球参考系下，根据交会成像期间深空探测器的姿态遥测数据和已知的星载相机安装矩阵，按照以下公式计算交会成像期间深空探测器相机的空间角度变化量；M(Δαc,Δβc,Δχc)＝Mbp·C(Δα)·C(Δβ)·C(Δχ)其中，Mbp为相机相对本体系的安装矩阵，Δα,Δβ,Δχ分别为遥测得到的深空探测器交会成像期间俯仰、偏航和滚转姿态变化量，C(Δα)、C(Δβ)、C(Δχ)分别为由Δα,Δβ,Δχ生成的旋转矩阵，Δαc,Δβc,Δχc分别为成像期间相机的俯仰、偏航和滚转姿态变化量；(6)如果步骤(4)中小行星的空间姿态变化量小于0.1度，并且步骤(5)中相机的空间角度变化量小于0.1度，则用相对无旋转模式来描述交会成像期间深空探测器和小行星的相对姿态关系：小行星相对深空探测器的姿态角为常值，二者之间不存在相对旋转；2)通过以下三步建立深空探测器相机载荷所拍摄的小行星序列图象的构像关系：(1)对于纯平移运动成像，根据CCD相机中心投影规律，建立平移运动下成像投影关系，具体如下：平移运动物体上任何一对对应点的连线与平移方向平行，所有对应点的连线在空间中相交于无穷远点P∞，该无穷远点P∞表示平移方向；目标在不同位置对应点的成像点连线在图像中交于汇聚点e，该汇聚点e是平移方向P∞在图像平面上的投影；(2)结合深空探测器与小行星相对运动关系，建立交会成像期间相机序列图像上的小行星目标构像描述关系：按照步骤2)中第(1)步所述方法建立深空探测器对小行星的构像关系；所述汇聚点e＝(ue,υe,1)'；其中：ue、υe分别为小行星序列图像中汇聚点的像面坐标；(3)建立小行星序列图象间基础矩阵Fm,n的表达关系：Fm,n＝[en,m]×Fm,n＝F＝[e]×其中，[en,m]×表示由汇聚点e构造的反对称矩阵；本专利技术具有以下特点：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，将已知的探测器和被测小行星的轨道、姿态等物理特性与多视成象几何相结合，完整揭示了交会探测过程的构像关系；2)基于高度接近真实值的无旋转且匀速直线运动假设，简化了特征投影关系，继而减少了投影关系解算的误差耦合影响。附图说明图1深空探测器与小行星交会序列相对构像过程图2交会成像期间探测器与小行星相对位置关系图3交会成像期间探测器与小行星相对姿态关系图4相机固定目标纯平移运动的多视几何关系图5相对坐标系中探测器对固定小行星目标的构像关系图6小行星4179真实图像1与特征点成像关系图7小行星4179真实图像2与特征点成像关系图8图象序列的计算汇聚点统计曲线具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法，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，通过以下六步建立深空探测器与小行星之间的空间相对运动关系：?（1）在质心天球参考系下，基于深空探测器的轨道根数和小行星的轨道根数，按照以下公式分别计算交会成像期间深空探测器和小行星各自的加速度，以及深空探测器和小行星之间的相对加速度；所述加速度和相对加速度均由质心天球参考系中太阳引力产生；?其中，as为质心天球参考系中太阳对探测器产生的引力加速度，aa为质心天球参考系中同一时刻太阳对小行星产生的引力加速度；GMSun为太阳的引力常数；和分别为同一时刻探测器和小行星相对于太阳质心的位置矢量；?（2）基于小行星已知质量，计算交会成像期间小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量；具体步骤如下：建立相对引力坐标系Oa?xyz，其原点Oa为小行星质心，x方向为相对运动方向，y方向为交会时刻卫星相对位置的反方向，z轴与x，y构成右手系；将交会时刻记为t0，根据坐标系定义，该时刻小行星坐标可记为(0,y0,0)；在Oa?xyz坐标系中，小行星引力产生的速度变化表达如下：?其中，μ＝GMA为小行星的引力常数；?（3）如果步骤（1）中相对加速度小于0.01m/s2，并且步骤（2）中小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量小于0.1%，则用匀速直线运动来描述深空探测器?和小行星相对位置关系：小行星为静止质点，深空探测器相对其作匀速直线运动；或深空探测器为静止质点，小行星相对其作匀速直线运动；?（4）在质心天球参考系下，根据以下公式计算交会成像期间小行星的空间姿态变化量Δθ；?其中，Ti为小行星绕其第i个旋转轴的旋转周期，t为交会成像时间；?（5）在质心天球参考系下，根据交会成像期间深空探测器的姿态遥测数据和已知的星载相机安装矩阵，按照以下公式计算交会成像期间深空探测器相机的空间角度变化量；?M(Δαc,Δβc,Δχc)＝Mbp·C(Δα)·C(Δβ)·C(Δχ)?其中，Mbp为相机相对本体系的安装矩阵，Δα,Δβ,Δχ分别为遥测得到的深空探测器交会成像期间俯仰、偏航和滚转姿态变化量，C(Δα)、C(Δβ)、C(Δχ)分别为由Δα,Δβ,Δχ生成的旋转矩阵，Δαc,Δβc,Δχc分别为成像期间相机的俯仰、偏航和滚转姿态变化量；?（6）如果步骤（4）中小行星的空间姿态变化量小于0.1度，并且步骤（5）中相机的空间角度变化量小于0.1度，则用相对无旋转模式来描述交会成像期间深空探测器和小行星的相对姿态关系：小行星相对深空探测器的姿态角为常值，二者之间不存在相对旋转；?2）通过以下三步建立深空探测器相机载荷所拍摄的小行星序列图象的构像关系：?（1）对于纯平移运动成像，根据CCD相机中心投影规律，建立平移运动下成像投影关系，具体如下：平移运动物体上任何一对对应点的连线与平移方向平行，所有对应点的连线在空间中相交于无穷远点P∞，该无穷远点P∞表示平移方向；目标在不同位置对应点的成像点连线在图像中交于汇聚点e，该汇聚点e是平移方向P∞在图像平面上的投影；?（2）结合深空探测器与小行星相对运动关系，建立交会成像期间相机序列图像上的小行星目标构像描述关系：?按照步骤2）中第（1）步所述方法建立深空探测器对小行星的构像关系；所述汇聚点e＝(ue,ve,1)“；其中：ue、ve分别为小行星序列图像中汇聚点的像面坐标；?（3）建立小行星序列图象间基础矩阵Fm,n的表达关系：?Fm,n＝[en,m]×Fm,n＝F＝[e]×其中，[en,m]×表示由汇聚点e构造的反对称矩阵。FDA0000381991330000011.jpg,FDA0000381991330000012.jpg,FDA0000381991330000013.jpg,FDA0000381991330000014.jpg,FDA0000381991330000015.jpg,FDA0000381991330000016.jpg,FDA0000381991330000021.jpg,FDA0000381991330000031.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种深空探测器与小行星交会成像的相对构像方法，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，通过以下六步建立深空探测器与小行星之间的空间相对运动关系：(1)在质心天球参考系下，基于深空探测器的轨道根数和小行星的轨道根数，按照以下公式分别计算交会成像期间深空探测器和小行星各自的引力加速度，以及深空探测器和小行星之间的相对加速度；所述引力加速度和相对加速度均由质心天球参考系中太阳引力产生；其中，as为质心天球参考系中太阳对深空探测器产生的引力加速度，aa为质心天球参考系中同一时刻太阳对小行星产生的引力加速度，Δa为深空探测器和小行星间的相对加速度；GMSun为太阳的引力常数；和分别为同一时刻探测器和小行星相对于太阳质心的位置矢量；(2)基于小行星已知质量，计算交会成像期间小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量；具体步骤如下：建立相对引力坐标系Oa-xyz，其原点Oa为小行星质心，x方向为相对运动方向，y方向为交会时刻卫星相对位置的反方向，z轴与x，y构成右手系；将交会时刻记为t0，根据坐标系定义，该时刻小行星坐标可记为(0,y0,0)；在Oa-xyz坐标系中，小行星引力产生的速度变化表达如下：其中，μ＝GMA为小行星的引力常数，为x坐标方向的速度，Δt为交会时刻到飞掠过后时刻的总时间；(3)如果步骤(1)中相对加速度小于0.01m/s2，并且步骤(2)中小行星和深空探测器之间的万有引力对深空探测器速度的影响量小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜彦龙，唐歌实，曹建峰，胡松杰，杨成，王保丰，刘传凯，许柏，师明，党瑞鹏，
申请(专利权)人：北京航天飞行控制中心，
类型：发明
国别省市：