一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN116026342A(43)申请公布日2023.04.28(21)申请号202310321740.4(22)申请日2023.03.29(71)申请人中国科学院西安光学精密机械研究所地址710119陕西省西安市高新区新型工业园信息大道17号(72)发明人王锋路荣张高鹏陈卫宁曹剑中张海峰董森郭惠楠梅超(74)专利代理机构西安智邦专利商标代理有限公司61211专利代理师王少文(51)Int.Cl.G01C21/24(2006.01)G01C21/00(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法(57)摘要本发明提供了一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，用于解决现有空间目标位姿信息获取方法存在的目标大、造价高、感知视点及范围有限且对大型目标测量耗时长、任务响应速度慢、易受光照等环境因素影响的技术问题。本方法包括：通过微纳卫星的编队，获得多个视角的目标图像；提取多个视角的目标图像中稳定的特征点，进行高精度立体匹配；根据匹配结果得到立体匹配深度图，再根据视差原理重构特征点位置信息；通过三个特征点构建的空间目标坐标系Ow‑XwYwZw和追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc计算姿态变换矩阵，进而获得姿态角；本发明提供的空间目标位姿测量方法具有容错率及鲁棒性高、响应速度快、观测效能高、观测范围大的优点。CN116026342ACN116026342A权利要求书1/2页1.一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1】通过多个位于空间目标不同视角的微纳卫星实现不同空间任务需求，获得多个视角的目标图像；微纳卫星分别装载有红外摄像机、可见光摄像机或微光摄像机；以微纳卫星装载的摄像机为基础，建立微纳卫星运动学模型；依靠微纳卫星提取的多个视角的目标图像实现微纳卫星的编队生成、保持以及重构；2】提取多个视角的目标图像中稳定的特征点，并将多个视角的目标图像中稳定的特征点进行立体匹配，获得视差图；其中，同一视角的目标图像中提取的稳定的特征点至少为三个；3】根据视差图得到立体匹配深度图，再根据视差原理从立体匹配深度图中重构特征点的位置信息；4】位姿解算：4.1】选取三个特征点，分别记作P1、P2、P3，根据P1、P2、P3构建空间目标坐标系Ow‑XwYwZw和追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc；所述空间目标坐标系Ow‑XwYwZw的原点为P1，轴方向为，且P3在平面上；所述追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc与空间目标坐标系Ow‑XwYwZw的位置和姿态关系为：，其中，为特征点Pi在追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc中的坐标，为特征点Pi在空间目标坐标系Ow‑XwYwZw中的坐标，i=1,2,3,i为特征点的序号；R为姿态变换矩阵；T为空间目标坐标系Ow‑XwYwZw相对于追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc的平移矩阵；4.2】根据构建的空间目标坐标系Ow‑XwYwZw和追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc计算姿态变换矩阵R，进而获得姿态角；4.3】结合步骤3】获得的特征点的位置信息和步骤4.2】获得的姿态角，解算空间目标的位姿信息。2.根据权利要求1所述的一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，其特征在于：步骤4.2】中，姿态变换矩阵；其中，通过下式获得：，2CN116026342A权利要求书2/2页上式中，为特征点P3在追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc中的坐标；为特征点P1在追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc中的坐标；，为在轴上的分量，为在轴上的分量，为的单位向量；通过下式获得：，其中，为特征点P2在追踪航天器坐标系Oc‑XcYcZc中的坐标；，为空间目标坐标系Ow‑XwYwZw的轴方向；通过下式获得：。3.根据权利要求2所述的一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，其特征在于：在步骤1】和步骤2】之间，还包括多源异类信息融合的步骤：微纳卫星编队完成后，将同一时刻红外摄像机获得的目标红外图像、可见光摄像机获得的目标可见光图像以及微光摄像机获得的目标微光图像进行图像融合，获得高质量目标图像。4.根据权利要求1‑3任一所述的一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，其特征在于，步骤2】具体为：2.1】特征点提取：先基于DoP‑K滤波和色度归一化对多个视角的目标图像进行预处理，去除光照、噪声因素的影响；再结合SURF描述符来检测多个视角的目标图像中稳定的特征点，并对其进行提取；2.2】使用NCC算法对提取的稳定的特征点进行立体匹配；2.3】完成匹配后，记录其视差，最终得到与原始目标图像尺寸相同的视差图。5.根据权利要求4所述的一种基于集群弹性分散的空间目标位姿测量方法，其特征在于，步骤2.2】具体为