[发明专利]不依赖模型的非合作卫星相对位姿测量方法

权利要求书

1.一种不依赖模型的非合作卫星位姿测量方法，其特征在于：针对模型未知的完全非合作卫星，利用激光成像雷达获得的点云和深度图构建非合作卫星的目标坐标系，并利用目标坐标系和激光成像雷达坐标系进行解算，计算得到相对位姿值；其中目标坐标系的构建利用卫星上具有的典型单个圆型部件和本体的一条直线边框完成；包括下述步骤：

步骤(1)、利用激光成像雷达获取第k帧的目标点云C_k及其对应的深度图D_k；

步骤(2)、对第k帧深度图进行直线段检测；

步骤(3)、当k＝1时，在第1帧深度图中选取最长的本体边框直线段l_k；当k＞1时，则在第k帧深度图中寻找与直线段l_k-1对应的直线段l_k，由点云和深度图的对应关系找到对应的点云点集p_k，利用随机采样一致性算法，拟合出三维空间的直线段向量L₁；

步骤(4)、对第k帧深度图进行椭圆弧检测；

步骤(5)、当k＝1时，在第1帧深度图中选取非合作卫星圆形特征所构成的椭圆弧r₁；当k＞1时，在第k帧深度图寻找与椭圆弧r_k-1对应的椭圆弧r_k，由点云和深度图的对应关系找到对应的点云点集q_k，利用随机采样一致性算法，求出点集q_k所在的空间平面P，记平面P的法向量为L₂；

步骤(6)、根据椭圆弧r_k的圆心和平面P，求解目标坐标系的原点Q；具体实现方法为：

深度图中任意点可对应空间中的一条射线，Ob为射线OR对平面XOY的投影，α为射线OR和Ob的夹角，β为Ob与Oa之间的夹角；深度图中的任意一点可得到唯一的α和β值，射线的参数方程如下所示

y＝x×tan(β)

平面P为对接环所在平面，R为天线保护环的圆心，P'为深度图，R'为深度图上求得的保护环圆心；在已知深度图上一点R'的像素坐标的情况下，从空间中得到一条从激光成像雷达坐标原点O出发的射线，且点R'对应空间点R位于这条射线上；通过计算对接环所在平面与该射线的交点即为天线保护环三维空间圆的圆心，以该圆心R为目标坐标系的原点Q；

步骤(7)、依据L₁、L₂、Q，建立目标坐标系；

步骤(8)、解算出平移量和旋转量。

2.根据权利要求1所述的不依赖模型的非合作卫星位姿测量方法，其特征在于，实现所述步骤(3)的方法为：

步骤3-1：如果k＝1则在第1帧深度图中找到最长的本体边框直线段l_k；如果k＞1时，则在第k帧深度图中寻找与直线段l_k-1对应的直线段l_k；

步骤3-2：直线段l_k匹配，直线段的匹配根据直线段描述特征的相似度函数来确定，对直线段特征的相似度函数以及直线段的匹配函数分别做如下定义：

直线段长度相似度量函数

直线段梯度幅值相似度量函数

直线段方向相似性度量函数

sm₃(l_k-1,l_k)＝cos(φ(l_k)-φ(l_k-1))

直线段中点位置相似度量函数

其中k代表第k帧，l_k代表第k帧中的某条直线段，len(l_k)表示第k帧直线段的长度，G(l_k)表示第k帧直线的梯度幅值，φ(l_k)表示第k帧直线的方向角，表示第k帧直线段的中点坐标；

最后定义直线段的匹配函数

其中w_i代表权重；

步骤3-3，由点云和深度图的对应关系找到l_k对应的点云点集p_k；

步骤3-4，利用随机采样一致性算法，拟合出三维空间的直线段向量L_k。

3.根据权利要求1所述的不依赖模型的非合作卫星位姿测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，检测椭圆弧的对象选取卫星上的圆形目标，包括对接环、抛物面天线。