[发明专利]一种行星表面导航特征自主提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种行星表面导航特征自主提取方法，行星表面导航特征是指行星表面能够用来进行探测器导航的导航特征，如岩石、陨石坑等地形特征，该发明属于导航技术领域，并应用于航天器深空探测。

背景技术

行星软着陆过程中的自主导航技术是行星探测的关键技术之一，对行星探测起着至关重要的作用。基于行星表面特征(岩石、陨石坑等地形特征)的光学自主导航相比于其他导航方式具有明显的低成本优势，在行星软着陆自主导航方面具有广阔的应用前景。岩石、陨石坑等作为行星表面广泛分布的地表特征，受光照条件变化小，具有明显的形状等特点，易于从背景中提取出来，是行星表面良好的自然导航特征。因此，以岩石、陨石坑等作为路标的行星表面相对导航方法，在行星探测方面得到了广泛的研究和应用。利用行星表面的导航特征进行自主导航，需要从导航图像中提取出行星表面导航特征的相关信息，确定出导航特征的类型、大小、位置等，行星表面导航特征提取是实现自主导航的关键技术。

在已发展的行星表面导航特征提取方法中，在先技术[1](Spigai M.,Clerc S.and Simard-Bilodeau,V.,“An Image Segmentation-Based Crater Detection and Identification Algorithm for Planetary Navigation”,Intelligent Autonomous Vehicles,Lecce,Italy,September 06-08,2010)提出了一种基于导航特征的光亮特征和阴影特征的导航特征检测方法。该方法利用K均值聚类方法对图像进行阈值分割，分别提取出导航特征的光亮特征和阴影特征，然后根据光亮特征与阴影特征区域之间的像素个数差异、在像平面内的距离以及相对太阳光线的方位关系等进行筛选判断，完成光亮区域和阴影区域的匹配，提取出导航特征。该方法要求光照方向已知，并且受太阳高度角变化影响较大。

在先技术[2](于正湜,朱圣英,马冬梅,等.行星表面非规则导航特征检测与识别方法[J].宇航学报,2013,34(3):320-326.)提出了一种行星表面非规则的导航特征的检测与识别方法。该方法首先采用基于背景的Hopfield网络实现导航特征边缘的提取，在对导航特征边缘的多种约束进行分析的基础上，提出了伪边缘剔除方法，并结合线性抗差估计理论与最小误差中值椭圆拟合方法，实现了对非规则导航特征，特别是重叠及不完整导航特征的检测及特征参数的提取。该方法要求光照方向已知，并且只适用于标准椭圆形状导航特征。

在先技术[3](Maass B,Kruger H,Theil S.An edge-free,scale-,pose-and illumination-invariant approach to crater detection for spacecraft navigation[C]//Image and Signal Processing and Analysis(ISPA),2011 7th International Symposium on.IEEE,2011:603-608.)提出了一种基于导航特征的光亮特征和阴影特征的导航特征检测方法。首先基于图像灰度信息的阈值分割方法被引入进来从图像中提取出这两种区域特征，两个大小和形状相似的相邻光亮区域和阴影区域被认为来自同一个导航特征，加上沿太阳光线的方向的方位关系约束实现光亮区域和阴影区域的配对。最后对配对成功的来自同一导航特征的光亮区域和阴影区域进行椭圆拟合，提取出导航特征。该方法要求光照方向已知，并且计算量较大。

在太阳光照条件下，行星表面图像中的导航特征会在内部形成一对阴影区域和光亮区域，如图1。基于导航特征区域信息的导航特征提取方法首先需要利用图像阀值分割原理从图像中提取出导航特征对应的阴影区域和光亮区域。然后需要将这些提取出的阴影区域和光亮区域进行配对，使得来自同一个导航特征的阴影区域和光亮区域配成一对，实现对导航特征的提取。

太阳光照方向对于特征阴影区域和光亮区域的配对来说，是一项非常重要的判断条件，常被当为已知量用来进行特征阴影区域和光亮区域的配对。然而，由于探测器拍摄的行星表面图像中太阳光照的方向与探测器拍照时刻的姿态信息紧密相关，在探测器姿态等导航信息未知的情况下，太阳光照的方向一般是很难获得的。因此，可以利用一些提取出的阴影区域和光亮区域等已知条件，首先求解出太阳光照矢量方向。然后，利用求解出的太阳光照方向作为约束条件，实现导航特征阴影区域和光亮区域的配对，提取出导航特征。

发明内容