一種不規(guī)則天體導(dǎo)航視線信息提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種不規(guī)則天體導(dǎo)航視線信息提取方法，特別涉及一種小天體探測(cè)導(dǎo) 航視線信息提取方法，屬于小天體探測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 小天體探測(cè)的目標(biāo)星一般距離地球遙遠(yuǎn)，與地球通訊的延遲較大，給傳統(tǒng)的基于 地面"深空網(wǎng)"的導(dǎo)航方式帶來很大挑戰(zhàn)。尤其在小天體交會(huì)、飛越、撞擊、著陸等關(guān)鍵任務(wù) 階段，基于深空網(wǎng)的導(dǎo)航方式不能滿足任務(wù)的實(shí)時(shí)性和精度要求，自主導(dǎo)航已成為不可或 缺的導(dǎo)航手段。
[0003] 光學(xué)導(dǎo)航是主要的小天體探測(cè)自主導(dǎo)航方式之一。在接近、飛越小天體等過程中， 探測(cè)器可通過規(guī)劃和處理目標(biāo)小天體的光學(xué)圖像并結(jié)合星歷等信息，確定探測(cè)器的位置和 速度。美國"深空一號(hào)"任務(wù)首先對(duì)深空探測(cè)自主光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證；自主光學(xué)導(dǎo)航 技術(shù)也在"星塵"、"深度撞擊"等小天體探測(cè)任務(wù)中得到了應(yīng)用。
[0004] 導(dǎo)航視線信息是自主光學(xué)導(dǎo)航的關(guān)鍵測(cè)量信息，直接影響光學(xué)導(dǎo)航的精度。導(dǎo)航 視線信息的獲取方法，傳統(tǒng)上主要是提取導(dǎo)航圖像中目標(biāo)星的光心，以光心近似目標(biāo)天體 的形心，并轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航視線信息。然而，目標(biāo)小天體的光心受光照、拍攝角度、目標(biāo)星自旋等 多種因素的影響，可能與小天體形心存在較大偏差，導(dǎo)致視線信息精度降低，進(jìn)而影響自主 導(dǎo)航與控制精度?；陬A(yù)先獲取的小天體形狀模型對(duì)形心偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，需要較精 確的小天體形狀模型，在目標(biāo)星形狀信息缺乏或偏差較大時(shí)無法取得理想的補(bǔ)償效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有小天體導(dǎo)航視線信息提取方法中小天體形心偏差的問題， 提出一種不規(guī)則天體導(dǎo)航視線信息提取方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下方法實(shí)現(xiàn)的。
[0007] -種不規(guī)則天體導(dǎo)航視線信息提取方法，具體步驟如下：
[0008] 步驟一、提取導(dǎo)航圖像中目標(biāo)小天體的邊緣輪廓
[0009] 針對(duì)預(yù)處理的目標(biāo)小天體圖像，檢測(cè)并提取目標(biāo)小天體的邊緣輪廓。檢測(cè)邊緣輪 廓的目的是提取圖像中目標(biāo)天體和背景的分界線，以便后續(xù)進(jìn)行橢圓擬合。
[0010]步驟二、去除偽邊緣信息
[0011] 受光照影響，目標(biāo)小天體的部分區(qū)域處于陰影之中，而邊緣檢測(cè)算法不能區(qū)分光 照缺乏導(dǎo)致的陰影區(qū)域和圖像背景區(qū)域，因而步驟一會(huì)檢測(cè)到偽邊緣點(diǎn)，需在進(jìn)行橢圓擬 合前去除偽邊緣信息。
[0012] 利用光照方向與邊緣點(diǎn)梯度方向的夾角去除偽邊緣，目標(biāo)小天體的真實(shí)邊緣點(diǎn)應(yīng) 滿足
[關(guān)]餘。 0)
[0014] 其中g(shù)為邊緣點(diǎn)的梯度方向，D為光照方向，可由太陽敏感器給出。對(duì)步驟一中得到 的邊緣點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，若某邊緣點(diǎn)不滿足(1)式的條件，則該點(diǎn)為偽邊緣點(diǎn)，將其去除。
[0015] 步驟三、對(duì)去除偽邊緣信息的目標(biāo)小天體邊緣輪廓進(jìn)行橢圓擬合
[0016] 對(duì)步驟二得到的已去除偽邊緣的目標(biāo)小天體邊緣輪廓進(jìn)行橢圓擬合，以擬合橢圓 的中心近似目標(biāo)小天體的形心。基于橢圓擬合的形心提取方法由于已去除了光照等因素的 影響，因而能夠獲得比基于光心方法更高的精度和穩(wěn)定性。
[0017] 橢圓方程由橢圓中心點(diǎn)坐標(biāo)(XQ，yo)，橢圓半長軸a，半短軸b，半長軸與X軸方向夾 角Θ共5個(gè)參數(shù)表示：
[0018] ( vsin 0 - vcusi/ - .vl：, sin 0 + ν" cus^)" (.vc(^k0 + vsin 0 - .v,, cos0 - r(1 si>i 〇)" [
[0019] 各邊緣點(diǎn)（Xi, y i)到橢圓中心點(diǎn)（xo, yo)的距離為4 = ^(a, - %.(? - ，橢圓上 與橢圓中心到各邊緣點(diǎn)連線相交的點(diǎn)（x，y)，到橢圓中心的距離為4 = 則橢圓上這些點(diǎn)到相應(yīng)邊緣點(diǎn)的距離為Ad= |cU-d|，反映了擬合橢圓與圖像中提取的目 標(biāo)天體邊緣點(diǎn)的匹配程度，這些距離之和越小則擬合精度越高。選取橢圓擬合的性能指標(biāo) 為
[0020] Ι = Υ^Μι (3) /=1
[0021]當(dāng)（XQ，yo)，（Xi，yi)與(x，y)所成直線與X軸平行時(shí)，有 ^ ctb1
[0022] <(Χ_Λ〇)(4) J->'〇 ）〇(Α·-J0) I -?
[0023]于是性能指標(biāo)(3)式可由各邊緣點(diǎn)坐標(biāo)與橢圓的5個(gè)參數(shù)表示。當(dāng)（3)式取最小值 時(shí)擬合的橢圓為非線性最小二乘意義下的最優(yōu)解。此時(shí)有
[幽 2 = α! = ? 岸=()專=。高=。 (5) oVq oa ab od
[0025] 即
[0026] W = i-^A^A^T=：〇 (6)
[ax-(J ar0 da dh οθ) X '
[0027] 上式的非線性方程組可采用牛頓迭代法進(jìn)行求解。求解得到的橢圓中心點(diǎn)（xQ，y〇) 即為所求的目標(biāo)小天體的形心。
[0028] 步驟四、基于橢圓擬合結(jié)果提取目標(biāo)小天體視線信息 [0029]基于步驟三所得的小天體形心求取目標(biāo)小天體視線信息： 、 ~*〇
[0030] -y0 (7) #6 +y〇 +/ y
[0031] 其中f為相機(jī)焦距。在慣性系下的導(dǎo)航視線信息表示為
[0032] η1 = C^C!S η' (8)
[0033] 其中為從相機(jī)固聯(lián)坐標(biāo)系到探測(cè)器本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，4為從探測(cè)器本 體系到慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0034] 步驟一所述的檢測(cè)邊緣輪廓的方法采用Canny檢測(cè)算法；
[0035] 步驟二所述去除偽邊緣信息的方法為:利用光照方向與邊緣點(diǎn)梯度方向的夾角信 息去除偽邊緣。小天體受光照影響會(huì)產(chǎn)生兩類陰影區(qū)域，一類為星體光照面和背光面的明 暗分界，另一類為小天體凹凸不平的表面地形遮擋所致的許多小范圍陰影區(qū)。步驟二所述 的偽邊緣去除方法能夠去除第一類陰影導(dǎo)致的偽邊緣，但無法有效去除第二類陰影導(dǎo)致的 偽邊緣。本發(fā)明提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)偽邊緣去除方法，能夠同時(shí)去除明暗分界和表面地 形遮擋兩類偽邊緣信息，從而保障橢圓擬合及視線信息提取的精度和可靠性。
[0036] -種自適應(yīng)小天體偽邊緣去除方法，利用后續(xù)橢圓擬合步驟中的殘差信息自適應(yīng) 調(diào)節(jié)算法的步長，具體方法為：
[0037] 設(shè)為步驟一中提取的某邊緣點(diǎn)，光照方向?yàn)镈，可由太陽敏感器給出。設(shè)Pi表示 沿光照或其相反方向距E1點(diǎn)一定距離L內(nèi)的像素點(diǎn)，則這些點(diǎn)可表示為
[0038] Pi(l)=Ei土D1 0〈1<L (9)
[0039 ]其中1為步長參數(shù)。若Ei點(diǎn)為小天體的真實(shí)邊緣點(diǎn)，則應(yīng)滿足
[0040] f/(/-)>d' /?(/)^ + D/ (10) |/(i；.t<d. Pl(i)=E, -D!
[0041] 其中Ι(Ρ〇表示點(diǎn)灰度，d為區(qū)分圖像中目標(biāo)天體與背景的閾值。選取某一步長 1分別對(duì)各邊緣點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，若某邊緣點(diǎn)不滿足（1 〇)式的條件，則該點(diǎn)為偽邊緣點(diǎn)，將其去 除。
[0042] 由于小天體地形遮擋導(dǎo)致的陰影在圖像中的大小有所差異，1的取值會(huì)影響偽邊 緣的去除效果，以及最終形心信息的提取精度。本方法采用一種自適應(yīng)的變步長方法，根據(jù) 后續(xù)步驟中橢圓擬合的殘差信息自適應(yīng)調(diào)節(jié)步長1的取值，以達(dá)到最佳的偽邊緣去除效果。 [0043]對(duì)每個(gè)待驗(yàn)證的邊緣點(diǎn)，在第1步，取1的初值為1〇,進(jìn)行步驟二的偽邊緣去除和后 續(xù)步驟三的橢圓擬合。
[0044] 若在第k(k2 1)步，橢圓擬合的殘差J超過閾值ε，即J>e，則在第k+Ι步，取步長
[0045] l(k+l) = l(k)+l 0<1<L (11)
[0046] 然后重復(fù)第k步的步驟(步驟二、步驟三）。
[0047]若在第k步，橢圓擬合的殘差未超過閾值，或1取值已達(dá)上限，則循環(huán)結(jié)束，以第k步 的結(jié)果為最終的偽邊緣去除結(jié)果；
[0048] 有益效果
[0049] (1)相比于傳統(tǒng)基于光心的視線信息提取方法，本發(fā)明方法能夠克服太陽光照角 度、相機(jī)拍照角度和目標(biāo)小天體自旋對(duì)形心確定的影響。本發(fā)明方法基于可見的目標(biāo)小天 體邊緣信息擬合出小天體的全部輪廓，受光照等因素影響更小，具有更高的視線信息提取 精度和穩(wěn)定性。
[0050] (2)相比于傳統(tǒng)基于邊緣點(diǎn)梯度方向信息的偽邊緣去除方法，本發(fā)明提出的自適 應(yīng)方法不僅能有效去除目標(biāo)小天體光照面和背光面的明暗交界，而且能更有效去除小天體 表面地形遮擋導(dǎo)致的偽邊緣信息，保障橢圓擬合及視線信息提取的精度和可靠性。
[0051] (3)本發(fā)明方法無需精確的小天體形狀模型，先驗(yàn)信息要求少，適用范圍廣，且計(jì) 算量小，適于在線應(yīng)用。
【附圖說明】
[0052]圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0053]圖2為預(yù)處理的目標(biāo)小天體圖像及其光心；
[0054] 圖3為未去除偽邊緣的目標(biāo)小天體邊緣輪廓；
[0055] 圖4為非自適應(yīng)方法的偽邊緣去除效果；
[0056] 圖5為采用非自適應(yīng)方法去除偽邊緣后的橢圓擬合效果；
[0057]圖6為自適應(yīng)方法的偽邊緣去除效果；
[0058]圖7為采用自適應(yīng)方法去除偽邊緣后的橢圓擬合效果。
【具體實(shí)施方式】
[0059] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0060] 實(shí)施例1
[0061] -種不規(guī)則天體導(dǎo)航視線信息提取方法，實(shí)現(xiàn)本實(shí)施方式方法包括以下步驟，如 圖1所示：
[0062] 步驟一、提取導(dǎo)航圖像中目標(biāo)小天體的邊緣輪廓
[0063] 針對(duì)預(yù)處理的目標(biāo)小天體圖像，檢測(cè)并提取目標(biāo)