一种基于姿态信息的航天器地标匹配自主位置确定方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111337031A(43)申请公布日2020.06.26(21)申请号202010112676.5(22)申请日2020.02.24(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人吴云华张泽中杨楠华冰陈志明朱翼许心怡(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204代理人徐红梅(51)Int.Cl.G01C21/24(2006.01)权利要求书4页说明书10页附图4页(54)发明名称一种基于姿态信息的航天器地标匹配自主位置确定方法(57)摘要本发明公开了一种基于姿态信息的航天器地标匹配自主位置确定方法，包括航天器对地拍摄，获取遥感图像并与遥感地标模板库中的地标进行匹配；使用星载姿态敏感器所提供的航天器姿态信息对所匹配的地标进行坐标变换；选择三个地标，使用P3P算法解算出地标到航天器位置信息；根据投影点像素坐标和距离量求出向量各个轴分量；使用向量合成原理并进行姿态反变换得到航天器位置信息；使用重投影算法构建损失函数，保留真实航天器位置信息。本发明方法，通过构建过渡坐标系与向量关系实现了对于航天器位置的解算，并结合重投影方法筛选较高精度的解。综合多种干扰信息，该方法对于航天器的定位精度可达几十米量级。CN111337031ACN111337031A权利要求书1/4页1.一种基于姿态信息的航天器地标匹配自主位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)航天器对地拍摄，获取遥感图像并与遥感地标模板库中的地标进行匹配；(2)使用星载姿态敏感器所提供的航天器姿态信息对所匹配的地标进行坐标变换；(3)选择三个地标，使用P3P算法解算出地标到航天器位置信息；(4)根据投影点像素坐标和距离量求出向量各个轴分量；(5)使用向量合成原理并进行姿态反变换得到航天器位置信息；(6)使用重投影算法构建损失函数，保留真实航天器位置信息。2.根据权利要求1所述的一种基于姿态信息的航天器地标匹配自主位置确定方法，其特征在于，步骤(1)具体为：(11)通过星载遥感相机获得对地遥感图像，建立过渡坐标系；地球固连坐标系为Ow-XwYwZw，相机坐标系为Oc-XcYcZc，假设星载遥感相机在航天器上的安装矩阵为单位阵，即相机坐标系与航天器本体坐标系重合，建立一个过渡坐标系Ow-Xw'Yw'Zw'，其原点与地球固连坐标系原点Ow重合，三个轴分别与相机坐标系的三个轴平行；(12)使用图像匹配算法得到对地遥感图像与遥感地标模板库所成功匹配的地标。3.根据权利要求1所述的一种基于姿态信息的航天器地标匹配自主位置确定方法，其特征在于，步骤(2)具体为：(21)选取3个匹配成功的地标，得到这些地标在地球固连坐标系的坐标以及这些地标的投影点在像素坐标系的坐标；其中，被选取的3个地标应是所匹配地标中构成三角形面积最大的三个点，令这三个地TT标分别为P0、P1、P2，在地球固连坐标系Ow-XwYwZw中的坐标分别为[x0y0z0]、[x1y1z1]和T[x2y2z2]，三个点的投影在成像平面上分别为p0、p1、p2；(22)使用航天器姿态信息将这三个地标在地球固连坐标系的坐标转换到过渡坐标系下；T由于航天器姿态已知，则P0在过渡坐标系Ow-Xw'Yw'Zw'中的坐标[x0'y0'z0']由下式计算得到：其中，R3×3就是航天器的本体坐标系相对于地球固连坐标系的姿态旋转矩阵，由航天器的姿态敏感仪器测量得到。4.根据权利要求1所述的一种基于姿态信息的航天器地标匹配自主位置确定方法，其特征在于，步骤(3)具体为：P0、P1和P2分别是三个地标，Oc为投影中心，p0、p1和p2分别为这三点在成像平面上的2维投影；P'0为线段OcP0上的一点，过点P'0做一个平行于三角形P0P1P2的平面，该平面分别与OcP1和OcP2相交于P'1和P'2。由相似三角形理论可知，三角形P0P1P2相似于三角形P'0P'1P'2，并且他们在成像平面上的投影重合；构造PST问题的几何关系，其中，H1和H2分别是直线Ocp1和Ocp2上的两点，并且分别满足关系P'0H1⊥OcH1和P'0H2⊥OcH2；D1、D2和D3分别对应原始三角形中的三个边长|P0P1|、|P0P2|和|P1P2|，而D'1、D'2和D'3分别表示相似三角形中对应的边2CN111337031A权利要求书2/4页长；l0表示投影中心Oc到P'0的距离，由于P'0是任意选取的，为了简化问题难度，令l0＝1；结合PST问题中的几何关系与向量约束，建立一个t1的四阶多项式：432B4t1+B3t1+B2t1+B1t1+B0＝0；其中：通过解上式得到t1的值，三角形P0P1P2和三角形P'0P'1P'2的比例因子λ被表示