[发明专利]行星表面导航特征成像匹配检测方法

说明书

本发明涉及一种行星表面导航特征成像匹配检测方法，属于深空探测器自主导航技术领域。本发明公开的行星表面导航特征成像匹配检测方法，利用深空探测器拍摄的导航图像，通过图像阈值分割提取行星表面导航特征的阴影区和光亮区，根据阴影区域的形状特征，设置配对搜索窗口大小，同时考虑配对距离最小和光照方向一致性，将导航特征的阴影区和光亮区的配对问题转化为求取配对指标最小的问题，构造导航特征暗亮区域成像匹配指标，进行配对搜索，并将正确配对的导航特征进行椭圆拟合，从而为深空探测导航系统提供精确可行的自主检测方法。

技术领域

本发明涉及一种行星表面导航特征成像匹配检测方法，光学导航特征是指行星表面能够用来进行探测器导航的陨石坑、岩石等地形特征，特别适用于利用光学导航特征作为观测信息的深空探测导航系统，该发明属于深空探测器自主导航技术领域。

背景技术

近目标天体飞行将是未来深空探测最核心的任务之一，其中自主导航技术是行星探测的关键技术之一。深空探测航行距离远、时间长，传统的测控方式存在较大的通信延迟。另外，深空动力学环境复杂，采用传统的基于地面遥控的导航模式已无法满足实现高精度探测的需要。随着计算机硬件技术的突破和光学敏感器件的发展，使得基于星载计算机和光学导航相机的自主光学导航方法成为研究热点。其中，基于行星表面特征(陨石坑、岩石)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，应用前景广阔。

行星表面广泛分布着陨石坑等天然导航特征，受光照条件变化小，具有较高的可见性与可分辨性，易于从背景中提取出来，是行星表面良好的自然导航特征。且这些导航特征作为地形路标无需探测器额外携带路标载荷，能有效减少任务复杂度。因此，以陨石坑、岩石等作为导航路标的行星表面导航方法，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。

在已发展的导航特征识别检测方法中，太阳光照方向对于特征阴影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。

在先技术[1](M.Yu,H.Cui,Y.Tian,A new approach based on craterdetection and matching for visual navigation in planetary landing,Advances inSpace Research.53(2014)1810-1821.)，提出一种基于区域配对的陨石坑检测算法，首先通过MSER方法提取到图像特征，基于图像合并的方法将提取的特征分为二值区域，通过设置经验参数的方式找到阴影区和光亮区正确配对的陨石坑，并假设太阳光照方向已知，根据陨石坑暗亮区域连线与光照方向的关系剔除掉错误匹配的陨石坑，从而实现陨石坑的检测。该算法需要大量的先验信息或者经验阈值来保证较高的检测率。

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检测与识别方法。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。