專利名稱：基于計算機視覺和vlbi聯(lián)合平差的行星車定位方法
技術領域：
本發(fā)明屬于航天器導航定位方法，特別涉及基于計算機視覺和VLBI (甚長基線干涉測量)聯(lián)合平差的行星車定位方法。
背景技術：
在行星車科學考察過程中，行星車的導航定位是行星車探測的基礎，關系任務成敗。只有在知道了行星車的位置，才能夠精確地實現(xiàn)它在月球表面的路徑規(guī)劃，才能確定科學考察目標與行星車間的相對位置關系。目前行星車的定位方法是同波束VLBI干涉測量對著陸器和行星車進行相對定位。著陸器和行星車進行二維相對精度約為百米級，假定為100米，該指標遠遠不能滿足行星車的導航定位要求。另一種方法是用行星車的立體視覺系統(tǒng)圖像來實現(xiàn)行星車的定位。 視覺定位方法在相鄰停泊點間的相對定位精度較高，通?？蓛?yōu)于2%，但隨著停泊位置的增加行星車的絕對定位誤差將進行累積，當行星車行駛距離足夠長時，如以2%為例則當大于 5000米，它的定位精度將大于VLBI的100米定位誤差，且隨著距離增加誤差繼續(xù)增加。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決視覺定位累積誤差和VLBI干涉測量定位精度較低不能滿足任務需要的問題，本發(fā)明提出了一種基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，目的在于提高行星車定位的可靠性、精度性。基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，包括以下步驟(1)計算機視覺定位建模，對行星車中雙目視覺相鄰停泊位置相機圖像進行特征點提取與匹配，由已知的相機間外方位參數(shù)建立特征點的共線條件方程，建立計算機視覺定位模型。(2) VLBI定位建模，首先通過同波束VLBI觀測得到著陸器和行星車的差分群時延和具有偏倚量的差分相時延，然后用差分群時延的統(tǒng)計均值對差分相時延的偏倚量進行初步估算，剩余的微小偏倚量將在相對定位結(jié)算中與狀態(tài)量共同求解得到，采用同波束VLBI 技術建立行星車的定位建模。(3)聯(lián)合平差建模，對計算機視覺和VLBI建立的觀測方程進行聯(lián)合建模，并根據(jù)設備性能估算出的誤差對各觀測量進行賦權(quán)，實現(xiàn)行星車的聯(lián)合平差?；谟嬎銠C視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，其特征在于所述計算機視覺定位建模步驟中，進行特征提取與匹配，建立視覺定位模型包括以下步驟(1)選取兩相鄰位置圖像的重疊區(qū)域，在&重疊區(qū)域上，先劃分nXm個格網(wǎng)，n，m為大于等于3的正整數(shù)，用FSrstner特征提取算子從每個格網(wǎng)中提取特征點；對位置&的另一幅圖像沿核線方向?qū)μ卣鼽c進行相關系數(shù)匹配，并計算特征點在&坐標系下坐標(Α^, Τ, Τ)。(2)對于未定位的Sn+1行星車位置，先從&匹配上的特征點中，選取4個不共線的且分布較為均勻的完成匹配的特征點，在Sn+1圖像上進行匹配；分別計算選取特征點在兩位置相機坐標系下坐標系，通過公共點轉(zhuǎn)換的方法可計算得到，兩相機坐標系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)；由該參數(shù)可預算剩余未選特征點在位置Sn+1圖像中的概略位置；在概略位置附近，選用匹配算法可實現(xiàn)特征點的匹配實現(xiàn)相鄰位置間的公共特征點的匹配。(3)將相機的內(nèi)參數(shù)焦距f、主點坐標( ，％)、徑向畸變參數(shù)Ic1和外參數(shù)作為已知值，將特征點坐標、設站位置行星車本體坐標系相對于全局坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)為未知數(shù)，組建共線條件方程，按照光束平差對上述未知數(shù)進行求解，即建立了測量坐標系?；谟嬎銠C視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，其特征在于所述VLBI定位建模過程包括以下步驟(1)建立相位時延的模型表達式如下
權(quán)利要求
1.一種基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，其特征是包括以下步驟步驟一.計算機視覺定位建模，對行星車中雙目視覺相鄰停泊位置相機圖像進行特征點提取與匹配，由已知的相機間外方位參數(shù)建立特征點的共線條件方程，建立計算機視覺定位模型；步驟二 . VLBI定位建模，首先通過同波束VLBI觀測得到著陸器和行星車的差分群時延和具有偏倚量的差分相時延，然后用差分群時延的統(tǒng)計均值對差分相時延的偏倚量進行初步估算，剩余的微小偏倚量將在相對定位結(jié)算中與狀態(tài)量共同求解得到，采用同波束VLBI 技術建立行星車的定位建模；步驟三.聯(lián)合平差建模，對計算機視覺和VLBI建立的觀測方程進行聯(lián)合建模，并根據(jù)設備性能估算出的誤差對個觀測量進行賦權(quán)，實現(xiàn)行星車的聯(lián)合平差。
2.如權(quán)利要求1所述的基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，其特征在于所述計算機視覺定位建模步驟中，進行特征提取與匹配，建立計算機視覺定位模型包括以下步驟步驟一.選取兩相鄰位置Sn和Sn+Ι圖像的重疊區(qū)域，在Sn重疊區(qū)域上，先劃分nXm 個格網(wǎng)，n，m為大于等于3的正整數(shù)，用Fdrstner特征提取算子從每個格網(wǎng)中提取特征點； 對位置Sn的另一幅圖像沿核線方向?qū)μ卣鼽c進行相關系數(shù)匹配，并計算特征點在Sn坐標系下坐標(AW);步驟二 .對于未定位的Sn+Ι行星車位置，先從Sn匹配上的特征點中，選取4個不共線的且分布較為均勻的完成匹配的特征點，在S n+1圖像上進行匹配；分別計算選取特征點在兩位置相機坐標系下坐標系，通過公共點轉(zhuǎn)換的方法可計算得到，兩相機坐標系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)；由該參數(shù)可預算剩余未選特征點在位置Sn+Ι圖像中的概略位置；在概略位置附近，選用匹配算法可實現(xiàn)特征點的匹配實現(xiàn)相鄰位置間的公共特征點的匹配；步驟三.將相機的內(nèi)參數(shù)焦距f、主點坐標( ，％)、徑向畸變參數(shù)1^和外參數(shù)作為已知值，將特征點坐標、設站位置行星車本體坐標系相對于全局坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)為未知數(shù)， 組建共線條件方程，按照光束平差對上述未知數(shù)進行求解，即建立了測量坐標系。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，其特征在于所述VLBI定位建模包括以下步驟步驟一.建立相位時延的模型表達式如下phasef -2πΝλ phasedelay =---式中/^m。表示頻率為fi信號的相位，N1為頻率為信號的相位整周模糊度；步驟二 .兩觀測站接收到三對頻率分別為f\，f2, f3的點頻信號，并將每對頻率的相關相位進行差分可得Δ 夠=φ2χ~φη = Inf^rg2l + Ini^Nx + ση1 = Ψιι — cPu = 2τγ/2Δ7-821 + 2πΑΝ2 + ση2 Mh = ^23 - Ψη = 2π·/3Δ^21 + 2πΑΝ3 + σ 3式中，%，i = 1，2表示測站1和測站2 ； j = 1，2，3表示三個發(fā)射頻率，Nij表示測站 i收到第j個頻率相關相位的2 π模糊度的個數(shù)；σ w表示測站收到第j個頻率相關相位的觀測誤差，主要有大氣、電離層、觀測裝置引起的短周期相位抖動及熱噪聲引起；式中 j = l，2，3表示三個發(fā)射頻率的差分相位；Δ Tg21= τ g2-τ gl ； Δ Nj = ^-Nlj表示兩航天器距離差在頻率j的相位整周模糊度；步驟三.首先確定頻率1、2的相位差模糊度(AN2-AN1)，再有(AN3-AN1)可以求出 AN1,同理可以求出Δ N2, Δ N3;步驟四.建立行星車和著陸器間距離差與著陸器和行星車位置間的觀測方程，從而建立VLBI定位建模程。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，其特征在于所述聯(lián)合平差建模包括以下步驟步驟一.根據(jù)視覺和VLBI對應設備的測量誤差w，按照A對觀測量進行賦權(quán)；w步驟二.將計算機視覺與VLBI所建立的觀測方程進行聯(lián)合平差，解算視覺系統(tǒng)第Sn+1 停泊位置的坐標。
5.如權(quán)利要求3所述的基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，其特征在于所述聯(lián)合平差建模包括以下步驟步驟一.根據(jù)視覺和VLBI對應設備的測量誤差w，按照A對觀測量進行賦權(quán)；w步驟二.將計算機視覺與VLBI所建立的觀測方程進行聯(lián)合平差，解算視覺系統(tǒng)第Sn+1 停泊位置的坐標。
全文摘要
基于計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差的行星車定位方法，屬于行星探測器行星表面行進的導航定位方法，目的在于可靠、高精度地進行行星探測器的導航定位；本發(fā)明包括(1)計算機視覺定位建模，(2)VLBI定位建模，(3)計算機視覺和VLBI聯(lián)合平差定位。本發(fā)明可以實現(xiàn)行星探測器行星表面行進的導航定位，具有定位速度快、精度高等優(yōu)點，為我國行星探測器的科學探測提供了技術支撐。
文檔編號G01C21/24GK102519469SQ20111040372
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者唐歌實, 王保豐, 胡松杰, 謝劍鋒, 陳明, 陳略 申請人:北京航天飛行控制中心