[发明专利]基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法

权利要求书

1.基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、建立导航及投影坐标系；

选取着陆点坐标系作为世界坐标系O_S-X_SY_SZ_S，用于描述导航相机和其载体在空间中的具体位置；并假设探测器本体坐标系与导航相机坐标系O_C-X_CY_CZ_C重合，从着陆点坐标系转换到导航相机坐标系的变换关系记为其中为旋转矩阵，t为平移向量，导航相机成像模型采用理想针孔模型；

导航相机获取图像后，图像点在图像坐标系中的齐次坐标记为：u＝[u v 1]^T；物体点在着陆点坐标系中的齐次坐标为：X_S＝[x y z 1]^T，物体点在导航相机坐标系中的齐次坐标为X_C＝[x_C y_C z_C 1]^T；图像坐标系中图像点在世界坐标系下的坐标为：矩阵K_3×3为已知的导航相机的内参数矩阵；

步骤B、基于导航图像提取的探测器太阳帆板投影信息求取探测器滚动角和俯仰角变化角度；

步骤C、基于步骤B得到的角度变化信息对前一时刻导航图像进行模板校正，得到校正后的模板图像；

步骤D、利用模板匹配得到校正后的模板图像与待匹配图像之间的旋转角度及位置变化，得到探测器的实时位姿信息。

2.根据权利要求1所述的基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法，其特征在于：所述步骤B中，在解算探测器在不同时刻的滚动角和俯仰角信息时，具体采用以下方式：

(1)假设小天体探测器太阳帆板边缘形状为矩形，其中平行于导航相机O_CX_C轴的边长为n米，平行于导航相机O_CY_C轴的边长为m米；设探测器理想姿态Σ₀为滚动角γ＝0，俯仰角即导航相机X_CO_CY_C面和着陆点坐标系X_SO_SY_S面平行，此时探测器太阳帆板于星球表面投影形状、大小已知，|L_m0|＝m、|L_n0|＝n；

(2)将t_i时刻探测器的姿态记为Σ_i，获取导航图像中探测器太阳帆板长边投影长度|l_ni|及两边缘夹角角度θ_i，将|l_ni|及θ_i代入约束方程：中，解算出t_i时刻探测器姿态相对于理想姿态Σ₀的滚动角γ_0,i和俯仰角h_i为探测器距星表高度，f为导航相机焦距；

(3)同理，解算出t_i+1时刻的γ_0,i+1和代入式中，即可得到探测器滚动角和俯仰角从t_i时刻到t_i+1时刻角度变化。

3.根据权利要求2所述的基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法，其特征在于：所述步骤C中，在进行图像校正时，具体采用以下方式：

(1)引入图像校正坐标系对t_i时刻导航图像进行旋转校正，图像校正坐标系与原始图像坐标系之间的转换关系如下：其中，R′为坐标转换旋转矩阵；

(2)将上述转换关系代入由步骤B解算的γ_i,i+1，同时令ψ_i,i+1＝0，可得：

若t_i时刻导航图像上某一点的坐标为(x₀,y₀)，则在校正后的图像其对应该点的坐标为：(x₁,y₁)，进而得到校正后图像上各点的坐标，得到模板图像。