[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

说明书

基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，涉及航天器姿态估计方法。本发明为了解决针对单一的单目视觉测量系统实现基于星箭对接环的姿态估计具有二值性导致的需要额外测量信息来去除虚假解的问题。本发明采用快速椭圆提取算法对具有星箭对接环的卫星三维模型仿真图片进行椭圆提取，进而根据空间同心圆环的代数约束关系求解出空间圆环法向量，从而确定出空间圆环平面法向量在摄像机坐标系下的方向矢量，实现了基于单目视觉系统，在不依靠额外的测量信息的情况下，独立对圆心未知、半径未知的星箭对接圆环平面法向量进行计算，从而得到目标航天器相对于跟踪航天器的姿态角。本发明用于的航天器的姿态估计。

技术领域

本发明属于航天器位姿测量方法领域，涉及航天器姿态估计方法。

背景技术

空间非合作目标一般不具有可以进行辅助测量的标识，其姿态也未知，并且不能与其他卫星进行直接的星间信息交流，因此对其进行位姿测量具有较大的难度。星箭对接环作为航天器普遍存在的结构，能够提供空间圆形特征，空间圆通过摄像机映射到图像平面后会变成椭圆形，很多学者基于单目视觉利用圆及其投影特征的定姿方法进行了广泛的研究。由于基于单目视觉对单个空间圆定姿具有二值性，且无法正确剔除虚假解，因此在基于星箭对接环的定姿方法中，都需要增加额外信息，不能仅依靠单一的单目视觉测量系统来实现基于星箭对接环的姿态估计。但是在实际卫星系统中，增加测量设备会影响卫星的总体设计，而且测量效果容易受到外部干扰。所以研究在不依靠额外测量信息的单目视觉测姿方法，在工程测量中有着广泛的应用前景，能够为空间非合作目标的姿态估计提供参考。

发明内容

本发明为了解决针对单一的单目视觉测量系统实现基于星箭对接环的姿态估计具有二值性导致的需要额外测量信息来去除虚假解的问题。进而提出了一种基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法。

基于星箭对接环图像信息的航天器姿态估计方法，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；

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；

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；

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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，步骤3所述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的过程如下：