[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

说明书

本发明公开一种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，以解决小天体探测器在下降着陆段位姿估计的问题。首先建立导航及投影坐标系，然后基于导航图像提取的太阳帆板投影信息求取探测器滚动角和俯仰角变化角度，根据所求得的角度信息对前一时刻导航图像进行模板校正，最后利用模板匹配求解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。本方案充分利用了导航相机在小天体表面所拍摄到的探测器太阳帆板投影信息，避免了着陆末端星表特征数目不足以进行导航定位，以及传统导航陆标提取与匹配困难、时间长的问题，提高了导航算法的实时性，保证探测器位姿的精确估计。

技术领域

本发明属于深空探测自主导航领域，应用在小天体探测着陆过程中，具体涉及一种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。

背景技术

近年来，小天体探索已成为一项艰巨但具有科学意义的深空探测任务。然而，相比于行星探测任务，小天体任务具有探测目标远、飞行时间长、所处环境动态多变、地面测控站到探测器的通讯有较长的时间延迟等特点。因此，小天体探测器需要依靠自身所携带的设备自主完成深空探测任务。

随着高性能星载计算机和成像敏感器技术的发展，导航图像分辨率越来越高，基于光学信息的视觉自主导航系统成为了各国学者研究的热点。回顾小天体探测视觉导航算法，其大多是以特征点、陨石坑或自身携带反光球作为导航陆标。

比如，以特征点作为导航陆标，早在1999年，Johnson等研究了基于特征点跟踪与匹配的相对导航算法，通过利用Shi-Tomasi-Kanade算法跟踪图像序列中的特征点，得到探测器帧间相对运动信息(Johnson,Andrew E.,Larry H.Matthies.Precise Image-BasedMotion Estimation for Autonomous Small Body Exploration.Proceedings of the5th International Symposium on Artificial Intelligence,Robotics andAutomation in Space, Noordwijk,Netherlands,1-3June 1999:627-634.)。该算法具有较强的自主性，但容易出现误匹配或无法匹配的情况。后续又发展了如SIFT、SURF、ASIFT、CamShift等诸多具有尺度、旋转不变性的特征点提取匹配算法。但通过实验发现，正确匹配特征点个数的增多也不能明显提高导航精度，反而增加了计算复杂度，仅特征点描述符的存储就需要几百兆的内存空间，而且还需要进行多维数据间的筛选与匹配，现有星载计算机的性能很难满足这些算法对内存和运行速度的要求，实时性也难以保证。可见，特征点提取和匹配数量多、计算量大、运行时间长；且特征点一般不具备绝对坐标，一般只能应用于相对导航。

对于陨石坑作为导航路标，虽然国内外学者对陨石坑作为导航陆标进行提取和匹配方法进行了一些相关研究，但相比月球、火星等大天体而言，小天体由于质量较小，表面分布的陨石坑数量稀少，光照角度变化对其陨石坑提取和匹配影响较大，且先验信息不足，利用陨石坑作为小天体视觉导航陆标难度较大。同样陨石坑作为导航陆标时也存在陨石坑提取和匹配困难，易出现误匹配；而且陨石坑在天梯表面分布不均，当着陆区域没有陨石坑或陨石坑较少时该算法难以估计着陆器位姿。

而自身携带反光球作为导航陆标会增加探测器的自身重量而且投放位置难以精确控制，针对该问题，日本宇航局研发的隼鸟号、隼鸟2号小天体探测器，利用投放反光球作为导航陆标(参见Tsuda Yuichi,Yoshikawa Makoto,Abe Masanao.System Design of theHayabusa 2—Asteroid Sample Return Mission to 1999JU3.Acta Astronautica,2013,91: 356-362.)。该方法简单有效，但增加了探测器的自身重量，探测成本增加；同时，由于小天体引力较小，反光球的投放位置难以控制精确，若其被岩石遮挡或几何构型不佳，会直接影响导航精度。