[发明专利]一种基于小行星序列图像的深空探测器光学导航方法

权利要求书

1.一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(u_e,v_e)相同，所有反对称矩阵[e_n,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I_m和I_n所构成的基础矩阵F_m,n统一表达为F，且有：

F_m,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R_n统一表达为R，且有：

R_n＝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I_m和I_n间相机的相对位移矢量表达为：

t_m-t_n＝(n-m)·vδt

其中：t_m、t_n分别为图像I_m、I_n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I_m和I_n进行同名点匹配，第i对匹配点m_i和n_i的像面齐次坐标分别为x_i,m＝(x_i,m,y_i,m,1)^T和x_i,n＝(x_i,n,y_i,n,1)^T；

（2）根据上述极点约束，通过以下关系式计算两图像I_m和I_n间的基础矩阵F_m,n，并计算其最优值F：

xi,nTFm,nxi,m=0]]>

其中：F_m,n＝[e_m,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′TFK]]>

K′=K=Fx0Cx0FyCy001]]>

其中，F_x、F_y为相机成像面x方向y方向的等效焦距，C_xC_y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I_m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I_n成像处的归一化坐标T_norm；

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＝[T_X,T_Y,T_Z]^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T_norm：

Tnorm=[TX,TY,TZ]/TX2+TY2+TZ2]]>

（5）在归一化尺度下，计算两图像I_m和I_n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I_m、I_n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X_AC，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I_m与I_n成像处坐标X_m与X_n的直线l_mn，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L_P；

（ii）根据已知小行星长度L_A，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I_m，记为I₁，随成像时间改变图像I_n，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、I_m成像点、I_n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。