一种不规则天体导航视线信息提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种不规则天体导航视线信息提取方法，特别涉及一种小天体探测导 航视线信息提取方法，属于小天体探测领域。
【背景技术】
[0002] 小天体探测的目标星一般距离地球遥远，与地球通讯的延迟较大，给传统的基于 地面"深空网"的导航方式带来很大挑战。尤其在小天体交会、飞越、撞击、着陆等关键任务 阶段，基于深空网的导航方式不能满足任务的实时性和精度要求，自主导航已成为不可或 缺的导航手段。
[0003] 光学导航是主要的小天体探测自主导航方式之一。在接近、飞越小天体等过程中， 探测器可通过规划和处理目标小天体的光学图像并结合星历等信息，确定探测器的位置和 速度。美国"深空一号"任务首先对深空探测自主光学导航技术进行了验证；自主光学导航 技术也在"星尘"、"深度撞击"等小天体探测任务中得到了应用。
[0004] 导航视线信息是自主光学导航的关键测量信息，直接影响光学导航的精度。导航 视线信息的获取方法，传统上主要是提取导航图像中目标星的光心，以光心近似目标天体 的形心，并转化为导航视线信息。然而，目标小天体的光心受光照、拍摄角度、目标星自旋等 多种因素的影响，可能与小天体形心存在较大偏差，导致视线信息精度降低，进而影响自主 导航与控制精度。基于预先获取的小天体形状模型对形心偏差进行补偿的方法，需要较精 确的小天体形状模型，在目标星形状信息缺乏或偏差较大时无法取得理想的补偿效果。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是解决现有小天体导航视线信息提取方法中小天体形心偏差的问题， 提出一种不规则天体导航视线信息提取方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下方法实现的。
[0007] -种不规则天体导航视线信息提取方法，具体步骤如下：
[0008] 步骤一、提取导航图像中目标小天体的边缘轮廓
[0009] 针对预处理的目标小天体图像，检测并提取目标小天体的边缘轮廓。检测边缘轮 廓的目的是提取图像中目标天体和背景的分界线，以便后续进行椭圆拟合。
[0010]步骤二、去除伪边缘信息
[0011] 受光照影响，目标小天体的部分区域处于阴影之中，而边缘检测算法不能区分光 照缺乏导致的阴影区域和图像背景区域，因而步骤一会检测到伪边缘点，需在进行椭圆拟 合前去除伪边缘信息。
[0012] 利用光照方向与边缘点梯度方向的夹角去除伪边缘，目标小天体的真实边缘点应 满足
[關]餘。 0)
[0014] 其中g为边缘点的梯度方向，D为光照方向，可由太阳敏感器给出。对步骤一中得到 的边缘点进行验证，若某边缘点不满足(1)式的条件，则该点为伪边缘点，将其去除。
[0015] 步骤三、对去除伪边缘信息的目标小天体边缘轮廓进行椭圆拟合
[0016] 对步骤二得到的已去除伪边缘的目标小天体边缘轮廓进行椭圆拟合，以拟合椭圆 的中心近似目标小天体的形心。基于椭圆拟合的形心提取方法由于已去除了光照等因素的 影响，因而能够获得比基于光心方法更高的精度和稳定性。
[0017] 椭圆方程由椭圆中心点坐标(XQ，yo)，椭圆半长轴a，半短轴b，半长轴与X轴方向夹 角Θ共5个参数表示：
[0018] ( vsin 0 - vcusi/ - .vl：, sin 0 + ν" cus^)" (.vc(^k0 + vsin 0 - .v,, cos0 - r(1 si>i 〇)" [
[0019] 各边缘点（Xi, y i)到椭圆中心点（xo, yo)的距离为4 = ^(a, - %.(? - ，椭圆上 与椭圆中心到各边缘点连线相交的点（x，y)，到椭圆中心的距离为4 = 则椭圆上这些点到相应边缘点的距离为Ad= |cU-d|，反映了拟合椭圆与图像中提取的目 标天体边缘点的匹配程度，这些距离之和越小则拟合精度越高。选取椭圆拟合的性能指标 为
[0020] Ι = Υ^Μι (3) /=1
[0021]当（XQ，yo)，（Xi，yi)与(x，y)所成直线与X轴平行时，有 ^ ctb1
[0022] <(Χ_Λ〇)(4) J->'〇 ）〇(Α·-J0) I -?
[0023]于是性能指标(3)式可由各边缘点坐标与椭圆的5个参数表示。当（3)式取最小值 时拟合的椭圆为非线性最小二乘意义下的最优解。此时有
[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] 上式的非线性方程组可采用牛顿迭代法进行求解。求解得到的椭圆中心点（xQ，y〇) 即为所求的目标小天体的形心。
[0028] 步骤四、基于椭圆拟合结果提取目标小天体视线信息 [0029]基于步骤三所得的小天体形心求取目标小天体视线信息： 、 ~*〇
[0030] -y0 (7) #6 +y〇 +/ y
[0031] 其中f为相机焦距。在惯性系下的导航视线信息表示为
[0032] η1 = C^C!S η' (8)
[0033] 其中为从相机固联坐标系到探测器本体坐标系的转换矩阵，4为从探测器本 体系到惯性系的转换矩阵。
[0034] 步骤一所述的检测边缘轮廓的方法采用Canny检测算法；
[0035] 步骤二所述去除伪边缘信息的方法为:利用光照方向与边缘点梯度方向的夹角信 息去除伪边缘。小天体受光照影响会产生两类阴影区域，一类为星体光照面和背光面的明 暗分界，另一类为小天体凹凸不平的表面地形遮挡所致的许多小范围阴影区。步骤二所述 的伪边缘去除方法能够去除第一类阴影导致的伪边缘，但无法有效去除第二类阴影导致的 伪边缘。本发明提出一种改进的自适应伪边缘去除方法，能够同时去除明暗分界和表面地 形遮挡两类伪边缘信息，从而保障椭圆拟合及视线信息提取的精度和可靠性。
[0036] -种自适应小天体伪边缘去除方法，利用后续椭圆拟合步骤中的残差信息自适应 调节算法的步长，具体方法为：
[0037] 设为步骤一中提取的某边缘点，光照方向为D，可由太阳敏感器给出。设Pi表示 沿光照或其相反方向距E1点一定距离L内的像素点，则这些点可表示为
[0038] Pi(l)=Ei土D1 0〈1<L (9)
[0039 ]其中1为步长参数。若Ei点为小天体的真实边缘点，则应满足
[0040] f/(/-)>d' /?(/)^ + D/ (10) |/(i；.t<d. Pl(i)=E, -D!
[0041] 其中Ι(Ρ〇表示点灰度，d为区分图像中目标天体与背景的阈值。选取某一步长 1分别对各边缘点进行验证，若某边缘点不满足（1 〇)式的条件，则该点为伪边缘点，将其去 除。
[0042] 由于小天体地形遮挡导致的阴影在图像中的大小有所差异，1的取值会影响伪边 缘的去除效果，以及最终形心信息的提取精度。本方法采用一种自适应的变步长方法，根据 后续步骤中椭圆拟合的残差信息自适应调节步长1的取值，以达到最佳的伪边缘去除效果。 [0043]对每个待验证的边缘点，在第1步，取1的初值为1〇,进行步骤二的伪边缘去除和后 续步骤三的椭圆拟合。
[0044] 若在第k(k2 1)步，椭圆拟合的残差J超过阈值ε，即J>e，则在第k+Ι步，取步长
[0045] l(k+l) = l(k)+l 0<1<L (11)
[0046] 然后重复第k步的步骤(步骤二、步骤三）。
[0047]若在第k步，椭圆拟合的残差未超过阈值，或1取值已达上限，则循环结束，以第k步 的结果为最终的伪边缘去除结果；
[0048] 有益效果
[0049] (1)相比于传统基于光心的视线信息提取方法，本发明方法能够克服太阳光照角 度、相机拍照角度和目标小天体自旋对形心确定的影响。本发明方法基于可见的目标小天 体边缘信息拟合出小天体的全部轮廓，受光照等因素影响更小，具有更高的视线信息提取 精度和稳定性。
[0050] (2)相比于传统基于边缘点梯度方向信息的伪边缘去除方法，本发明提出的自适 应方法不仅能有效去除目标小天体光照面和背光面的明暗交界，而且能更有效去除小天体 表面地形遮挡导致的伪边缘信息，保障椭圆拟合及视线信息提取的精度和可靠性。
[0051] (3)本发明方法无需精确的小天体形状模型，先验信息要求少，适用范围广，且计 算量小，适于在线应用。
【附图说明】
[0052]图1为本发明方法的流程图；
[0053]图2为预处理的目标小天体图像及其光心；
[0054] 图3为未去除伪边缘的目标小天体边缘轮廓；
[0055] 图4为非自适应方法的伪边缘去除效果；
[0056] 图5为采用非自适应方法去除伪边缘后的椭圆拟合效果；
[0057]图6为自适应方法的伪边缘去除效果；
[0058]图7为采用自适应方法去除伪边缘后的椭圆拟合效果。
【具体实施方式】
[0059] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0060] 实施例1
[0061] -种不规则天体导航视线信息提取方法，实现本实施方式方法包括以下步骤，如 图1所示：
[0062] 步骤一、提取导航图像中目标小天体的边缘轮廓
[0063] 针对预处理的目标小天体图像，检测并提取目标