[发明专利]一种不规则天体导航视线信息提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种不规则天体导航视线信息提取方法，特别涉及一种小天体探测导航视线信息提取方法，属于小天体探测领域。

背景技术

小天体探测的目标星一般距离地球遥远，与地球通讯的延迟较大，给传统的基于地面“深空网”的导航方式带来很大挑战。尤其在小天体交会、飞越、撞击、着陆等关键任务阶段，基于深空网的导航方式不能满足任务的实时性和精度要求，自主导航已成为不可或缺的导航手段。

光学导航是主要的小天体探测自主导航方式之一。在接近、飞越小天体等过程中，探测器可通过规划和处理目标小天体的光学图像并结合星历等信息，确定探测器的位置和速度。美国“深空一号”任务首先对深空探测自主光学导航技术进行了验证；自主光学导航技术也在“星尘”、“深度撞击”等小天体探测任务中得到了应用。

导航视线信息是自主光学导航的关键测量信息，直接影响光学导航的精度。导航视线信息的获取方法，传统上主要是提取导航图像中目标星的光心，以光心近似目标天体的形心，并转化为导航视线信息。然而，目标小天体的光心受光照、拍摄角度、目标星自旋等多种因素的影响，可能与小天体形心存在较大偏差，导致视线信息精度降低，进而影响自主导航与控制精度。基于预先获取的小天体形状模型对形心偏差进行补偿的方法，需要较精确的小天体形状模型，在目标星形状信息缺乏或偏差较大时无法取得理想的补偿效果。

发明内容

本发明目的是解决现有小天体导航视线信息提取方法中小天体形心偏差的问题，提出一种不规则天体导航视线信息提取方法。

本发明的目的是通过以下方法实现的。

一种不规则天体导航视线信息提取方法，具体步骤如下：

步骤一、提取导航图像中目标小天体的边缘轮廓

针对预处理的目标小天体图像，检测并提取目标小天体的边缘轮廓。检测边缘轮廓的目的是提取图像中目标天体和背景的分界线，以便后续进行椭圆拟合。

步骤二、去除伪边缘信息

受光照影响，目标小天体的部分区域处于阴影之中，而边缘检测算法不能区分光照缺乏导致的阴影区域和图像背景区域，因而步骤一会检测到伪边缘点，需在进行椭圆拟合前去除伪边缘信息。

利用光照方向与边缘点梯度方向的夹角去除伪边缘，目标小天体的真实边缘点应满足

其中g为边缘点的梯度方向，D为光照方向，可由太阳敏感器给出。对步骤一中得到的边缘点进行验证，若某边缘点不满足(1)式的条件，则该点为伪边缘点，将其去除。

步骤三、对去除伪边缘信息的目标小天体边缘轮廓进行椭圆拟合

对步骤二得到的已去除伪边缘的目标小天体边缘轮廓进行椭圆拟合，以拟合椭圆的中心近似目标小天体的形心。基于椭圆拟合的形心提取方法由于已去除了光照等因素的影响，因而能够获得比基于光心方法更高的精度和稳定性。

椭圆方程由椭圆中心点坐标(x₀,y₀)，椭圆半长轴a，半短轴b，半长轴与x轴方向夹角θ共5个参数表示：

各边缘点(x_i,y_i)到椭圆中心点(x₀,y₀)的距离为椭圆上与椭圆中心到各边缘点连线相交的点(x,y)，到椭圆中心的距离为则椭圆上这些点到相应边缘点的距离为△d＝|d_i-d|，反映了拟合椭圆与图像中提取的目标天体边缘点的匹配程度，这些距离之和越小则拟合精度越高。选取椭圆拟合的性能指标为

当(x₀,y₀)，(x_i,y_i)与(x,y)所成直线与x轴平行时，有

于是性能指标(3)式可由各边缘点坐标与椭圆的5个参数表示。当(3)式取最小值时拟合的椭圆为非线性最小二乘意义下的最优解。此时有

即

上式的非线性方程组可采用牛顿迭代法进行求解。求解得到的椭圆中心点(x₀,y₀)即为所求的目标小天体的形心。

步骤四、基于椭圆拟合结果提取目标小天体视线信息

基于步骤三所得的小天体形心求取目标小天体视线信息：

其中f为相机焦距。在惯性系下的导航视线信息表示为

其中为从相机固联坐标系到探测器本体坐标系的转换矩阵，为从探测器本体系到惯性系的转换矩阵。