[发明专利]基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法

权利要求书

1.基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：星箭对接环椭圆提取：利用快速椭圆检测方法对卫星模型的仿真图像进行处理，将星箭对接环内环与外环提取出来；

步骤2：计算相机内参数矩阵：通过摄像机标定计算相机内参数矩阵；

步骤3：计算空间点与其通过摄像机投影到图像上点之间的对应关系：建立图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系，并计算三个坐标系之间的转换关系；

步骤4：计算空间圆投影方程：根据空间同心圆环的代数约束关系计算空间圆投影方程的过程如下：

将同心圆环建立在世界坐标系O_w-X_wY_w平面上，同心圆环半径分别为ρ₁、ρ₂，圆心位于世界坐标原点O_w，该对同心圆写成如下形式：

通过单应性矩阵H投影后的投影圆A₁、A₂写成如下形式：

式中：γ₁、γ₂分别为非零实数；

圆包络按下式投影成锥包络

步骤5：计算单应性矩阵：根据投影同心圆环的代数约束关系计算单应性矩阵的过程如下：

将写成线性组合形式：

式中：α₁,α₂为非零实数；令β＝α₁/α₂，(7)可通过如下方程进行求解：

能够得到两个根：

β₁＝γ₂/γ₁,β₂＝γ₂/γ₁(ρ₁/ρ₂)² (9)

Δ为退化锥包络矩阵；

将β₂带入到(8)中，可得出如下秩为2的矩阵：

将Δ视为虚圆点对偶的二次曲线的投影；在无穷远线L_∞处包含两个虚圆点：I＝(1,i,0)^T及J＝(1,-i,0)^T，式中i²＝-1，即：

通过对Δ进行奇异值分解求解单应性矩阵H；

步骤6：计算星箭对接环所在平面的法向量：世界坐标系坐标轴在摄像机坐标系下的方向向量计算星箭对接环所在平面的法向量；

所述计算星箭对接环所在平面法向量为n(n_x,n_y,n_z)：

n＝r₁×r₂ (12)；

步骤7：计算目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角：根据星箭对接环所在平面的法向量计算航天器姿态角。

2.根据权利要求1所述的基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，步骤1所述的星箭对接环椭圆提取的具体过程包括以下步骤：

首先进行圆弧提取，包括边缘检测、圆弧检测和圆弧凸性分类；然后对椭圆进行检测，包括圆弧筛选和参数估计；最后进行后处理操作，包括验证和聚类分析。

3.根据权利要求1或2所述的基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，其特征在于，步骤2所述计算相机内参数矩阵的过程如下：

相机内参数矩阵K为

式中：k_x与k_y为相机等效焦距；u₀与v₀为相对于成像平面的主点坐标。