[发明专利]基于特征向量的天基成像非合作目标旋转状态解算方法

权利要求书

1.一种基于特征向量的天基成像非合作目标旋转状态解算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)选取与目标航天器本体固连的特征向量来代替目标航天器本身，以特征向量旋转状态代替目标旋转状态；选取不同时刻的目标图像，对图像中的特征向量进行提取，得到特征向量的投影矢量；所述的目标图像能够覆盖目标360度视角成像；

2)根据相机投影变换模型和欧拉轴/角旋转矩阵建立特征向量投影变换模型；

3)利用不同时刻的特征向量进行椭圆拟合，计算待求参数初值；

4)利用最小二乘平差方法解算成像目标相对相机坐标系的旋转轴指向与转速。

2.根据权利要求1所述的基于特征向量的天基成像非合作目标旋转状态解算方法，其特征在于，所述的步骤2)以相机的光学中心为坐标原点，x轴和y轴分别与CCD成像平面的两条垂直边平行，z轴与相机的光轴重合，建立相机坐标系；将相机坐标系平移至以目标航天器的旋转中心为原点，建立旋转中心坐标系；根据相似投影关系得到

其中，(x_X,y_X,z_X)为物点P1在相机坐标系下的坐标，(x_C,y_C)为物点投影位置P2在像面坐标系下的物理单位坐标，f为相机的焦距；

设目标旋转中心为O，过旋转中心O的旋转轴在旋转中心坐标系中指向的天球坐标为(α,δ)，特征向量为AB，点A和B在旋转中心坐标系下的初始坐标分别为S_A0和S_B0，特征向量AB在旋转中心坐标系下的坐标S_AB0＝S_B0-S_A0＝[x,y,z]^T，转轴用单位向量表示为其中，α,δ为旋转轴指向的方位角和高度角，目标绕旋转轴e以w的角速度进行转动，经过时间t目标旋转的角度Φ＝wt；

由欧拉轴/角旋转矩阵可得，绕旋转轴e旋转Φ角的旋转矩阵为

则t时刻点A在旋转中心坐标系下的坐标S_A＝R_ZJ^T·S_A0；

设t时刻旋转中心O在相机坐标系下的坐标为S_O,X，t时刻点A在相机坐标系下的坐标S_A,X＝S_A+S_O,X＝R_ZJ^T·S_A0+S_O,X；t时刻点P在像平面上的投影坐标为

式中S_A,X(3)、S_B,X(3)分别表示点A、B在相机坐标系下的z轴坐标；设为常值μ，其中，

特征向量AB在像平面的投影坐标

令则有

t＝0时特征向量AB在像平面上的投影坐标

设待求参数X＝(α,δ,w,z_μ)^T，其中α,δ为旋转轴指向的方位角和高度角，w为旋转速度，z_μ为构造参数，t时刻特征向量AB在像平面的投影坐标观测值为S_AB,O＝(x_AB,O,y_AB,O)^T；

建立误差方程误差方程线性化其中L为自由项，L＝S_AB,O-S_AB,C(X)。

3.根据权利要求1所述的基于特征向量的天基成像非合作目标旋转状态解算方法，其特征在于，所述的步骤3)将不同时刻的特征向量画在同一坐标系下，对这些向量的终点进行椭圆拟合，计算旋转轴指向天球坐标的初值α＝θ，其中，a、b分别为拟合椭圆的半长轴、半短轴，θ为椭圆短轴相对坐标系x轴的转角；用不同时刻特征向量间的夹角除以间隔时间得到转速w的初值，z_μ的初值选为0。

4.根据权利要求1所述的基于特征向量的天基成像非合作目标旋转状态解算方法，其特征在于，所述的步骤4)将待求参数的初值作为估计值X，代入线性化误差方程计算出待求参数改正数ΔX，将改正后的估计值X+ΔX作为新的估计值X再代入线性化误差方程，反复迭代计算，直至ΔX小于设定精度要求，得到待求参数的最优估值。