一种立方星的立体红外有源靶标及其相对位姿测量方法与流程

本发明属于卫星技术领域，具体涉及一种立方星的立体红外有源靶标及其相对位姿测量方法。

背景技术：

近年来，基于立方星开发周期短，制造成本低，研发费用少等优势，越来越多的科研院所和商业公司将注意力转移到立方星上，除了科研教学和电子产品的验证之外，立方星也被运用在一系列的在轨服务上，例如立方星的编队飞行，空间飞行器的维修和加油以及空间垃圾的清理等。而这一系列的在轨服务都离不开立方星基于视觉的导航技术，由此提出了针对该问题的立体红外有源靶标及其相对位姿测量方法。

现有的用于卫星视觉导航的合作靶标分为平面有源靶标、平面无源靶标、立体有源靶标和立体无源靶标等。无源靶标由于图案的特征信息不明显，使得在图像处理时很难将靶标图案和背景信息分割开，所以它的使用具有很大的局限性，一般在光照区且卫星表面不发生明显反射的情况下使用。平面靶标在单目测量系统中存在深度信息缺失的情况。此外，太阳光照在卫星表面会发生很严重的反射现象，所以一般不在可见光波段对靶标进行成像。查阅各种资料，现有的靶标大多为平面无源靶标，已有的有源靶标基本为平面结构，且大多采用可见光波段的led灯，它们存在光照区图像数据噪声大的缺陷，不利于后面的图像处理和相对位姿的解算。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种立方星的立体红外有源靶标及其相对位姿测量方法，解决了无源靶标图案信息不明显、平面靶标深度不足以及杂散光干扰等技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种立方星的立体红外有源靶标，包括上pcb底板层、上盖板层、下pcb底板层、下盖板层、立柱、四个下圆柱套圈层、一个上圆柱套圈层、一个上修光层、四个下修光层和五个红外光源，所述下pcb底板层上安装有四个红外光源，下盖板层设于下pcb底板层上方且下盖板层上开设有四个圆形通孔，每个通孔内均装有一个下修光层，每个下修光层设于对应的安装于下pcb底板层上的红外光源正上方，每个下圆柱套圈层对应罩设在每个安装于下pcb底板层上的红外光源上，每个下圆柱套圈层下端与下pcb底板层相连、上端与对应的下修光层相连，所述立柱固设在下盖板层中心位置上，上pcb底板层安装在立柱上，所述上pcb底板层上装有一个红外光源，上盖板层设于上pcb底板层上方且上盖板层上开设有一个上盖板层圆形通孔，该上盖板层通孔内装有一个上修光层，所述上修光层设于对应的上pcb底板层红外光源正上方，所述上圆柱套圈层对应罩设在上pcb底板层红外光源上，上圆柱套圈层下端与上pcb底板层相连，上端与对应的上修光层相连。

进一步地，还包括上pcb底板层安装板，所述上pcb底板层安装板设于上pcb底板层下方，所述上pcb底板层底端通过上pcb底板层安装板连接在所述立柱上端。

进一步地，所述下修光层和/或上修光层为圆形薄膜片。

进一步地，所述红外光源为红外led灯。

进一步地，设于下pcb底板层上的四个红外光源均匀分布在以立柱为中心的周围。

进一步地，所述上修光层和下修光层的材料均为聚酰亚胺。

一种根据上述所述的立方星的立体红外有源靶标的相对位姿的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：追踪卫星上装有红外相机，目标卫星上装有所述立体红外有源靶标，当追踪卫星与目标卫星接近到可以实现星间通信后，追踪卫星发出打开立体红外有源靶标的五个红外光源的指令给目标卫星，目标卫星接收到追踪卫星发出的指令后将五个红外光源接通发光，由于相机坐标系和靶标坐标系之间存在相对的姿态角，红外光源产生的圆形图案经相机成像后在相机成像平面上产生一个规则且完整的椭圆形的光斑，利用带有滤镜的红外相机对红外光源产生的椭圆形光斑进行成像，之后对图像中的图案进行滤波处理，进行图案的解码匹配并得到5个图案；

步骤二：得到所述5个图案在图像中的中心点坐标，周围四点表示在图像中的坐标为(ua,va)，(ub,vb)，(uc,vc)，(ud,vd)，中间点在图像中的坐标为(ue,ve)，用(up,vp)表示共面的四个图案在图像中的中心坐标，即

相对俯仰角θpix和相对偏航角ψpix用非共面点偏离共面四点中心的像素数量大小来表示：

相对滚动角用表示，利用光斑成像后的图案中间点(ua,va)和中心点(uc,vc)所连接的直线与图像物理坐标系x轴正方向的夹角表示，设

(1)若wx＝0，wy>0，则

(2)若wx＝0，wy<0，则

(3)若wx>0，wy≥0，则

(4)若wx>0，wy<0，则

(5)若wx<0，则

(6)若wx＝0，wy＝0，则

相对位置利用式(4)进行求解

其中d为追踪卫星与目标卫星在光轴方向确定距离k时，靶标图案上两确定成像点在图像像素坐标系中的像素间距，d为上述靶标图案上两确定成像点在距离r时，在图像像素坐标系中的像素间距，f为相机的焦距，r为相机坐标系原点距离目标卫星上的靶标坐标系原点在光轴方向的实际距离，根据相机坐标系与追踪卫星质心坐标系的坐标转换关系cco_cb，以及靶标坐标系与目标卫星质心坐标系的坐标转换关系cbo_tb，求解出目标卫星和追踪卫星质心坐标系之间的相对位置的具体值：

rco_to＝cbo_tb·r·cco_cb(5)。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)具有结构简单紧凑、质量轻、功耗小等特点，非常适合立方星有限的星载空间和星上资源的情况；

(2)在光源的选择上，选用发出红外光的led灯，可利用带滤镜的红外相机在红外波段对靶标进行成像，去除了太阳光等可见光的干扰，使后面图像处理中的噪声滤波和靶标图案的检测变得简单，提高了系统的鲁棒性；

(3)具有两套靶标信息：一套位置编码信息，一套数值编码信息，提高了后面靶标图案解码的准确性、鲁棒性和可靠性；

(4)针对该立体红外有源靶标的相对位姿求解方法具有计算速度快、精度高等优点。

下面将对上面所描述的目的、特征和优点及本发明的工作原理参照附图进行详细的说明和解释。

附图说明

图1是本发明立方星的立体红外有源靶标的整体结构示意图。

图2是本发明立方星的立体红外有源靶标的爆炸装配示意图。

图3是本发明开关电路和led灯供电电路的电路原理图。

图4是本发明的靶标图案的两种编码方式。

图5是本发明位姿测量方法中的相对姿态求解示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

结合图1-2，一种立方星的立体红外有源靶标，包括上pcb底板层7、上盖板层6、下pcb底板层9、下盖板层1、立柱4、四个下圆柱套圈层8、一个上圆柱套圈层11、一个上修光层5、四个下修光层2和五个红外光源10，所述下pcb底板层9上安装有四个红外光源10，下盖板层1设于下pcb底板层9上方且下盖板层1上开设有四个圆形通孔，每个通孔内均装有一个下修光层2，每个下修光层2设于对应的安装于下pcb底板层9上的红外光源10正上方，每个下圆柱套圈层8对应罩设在每个安装于下pcb底板层9上的红外光源10上，每个下圆柱套圈层8下端与下pcb底板层9相连、上端与对应的下修光层2相连，所述立柱4固设在下盖板层1中心位置上，上pcb底板层7安装在立柱4上，所述上pcb底板层7上装有一个红外光源10，上盖板层6设于上pcb底板层7上方且上盖板层6上开设有一个上盖板层圆形通孔，该上盖板层通孔内装有一个上修光层5，所述上修光层5设于对应的上pcb底板层7红外光源10正上方，所述上圆柱套圈层11对应罩设在上pcb底板层7红外光源10上，上圆柱套圈层11下端与上pcb底板层7相连，上端与对应的上修光层5相连。

进一步地，还包括上pcb底板层安装板3，所述上pcb底板层安装板3设于上pcb底板层7下方，所述上pcb底板层7底端通过上pcb底板层安装板3连接在所述立柱4上端。

进一步地，所述下修光层2和/或上修光层5为圆形薄膜片。

进一步地，所述红外光源为红外led灯。

进一步地，设于下pcb底板层9上的四个红外光源10均匀分布在以立柱4为中心的周围。

进一步地，所述上修光层5和下修光层2的材料均为聚酰亚胺。

如图3所示，为本发明设计的开关电路和led灯供电电路的电路原理图；如图4所示，为本发明的靶标图案的两种编码方式，反映了靶标图案的编码设计上包含了两套编码信息，即位置编码信息和数字编码信息综合一体的设计。如图5所示为该发明中位姿结算方法中的相对姿态求解示意图。

本发明的工作原理为：当追踪卫星与目标卫星接近到可以实现星间通信后，追踪卫星发出打开立体红外有源靶标的红外led灯的指令给目标卫星，目标卫星接收到追踪卫星发出的指令后，通过给图3所示的原理图中，p1接插件的第3个引脚一个使能信号(高电平信号)，npn管q8导通接地，pnp管q6和q7在npn管q8导通接地后也导通，p1接插件的第4个引脚的电流通过pnp管q6和q7使得红外led(10)灯接通发光。红外led灯发出的光经过上圆柱套圈层(11)和下圆柱套圈层(8)，上盖板层(6)和下盖板层(1)，上修光层(5)和下修光层(2)之后，由于相机坐标系和靶标坐标系之间存在相对的姿态角，圆形图案经相机成像后在图像平面上产生一个规则且完整的椭圆形的光斑。利用带有滤镜(只让特定波长的光通过)的红外相机对红外led产生的椭圆形光斑进行成像。之后对图像中的图案进行滤波处理后，进行图案的解码匹配。该靶标在图案的编码设计上包含两套编码信息，即位置编码信息和数字编码信息。下面将对两种编码信息进行分别介绍：

(1)位置编码：位置编码信息是指将图案特征设定在靶标的不同位置处进行编码，该靶标在位置编码方面采用的是圆环编码规则，其中立体图案处在靶标的中央处，其他四个图案分布在直径为特定大小的圆上，每个图案中心与整个靶标中心连线的夹角为90°。另外在立方星的近距离操作中，靶标和相机的相对位姿是不断变化的，因此，在设计靶标图案时，采用的是具有仿射不变形的圆形特征来实现整个靶标图案的编码设计。

(2)数值编码：数值编码是将带有不同数值信息的图案特征设计在靶标上，从而完成整个靶标的编码设计。该靶标在数值编码方面采用的是面积大小的关系进行编码的。如图4所示，5个圆形图案的直径为满足16:8:4:2:1的数值编码关系。

经过解码之后的图案，再进行中心定位后就可以进行后面的位姿结算了。在位姿结算方面，本发明提供了针对该立体红外有源靶标的相对位姿求解方法，它的优点是计算量小、速度快和精度高。具体步骤如下

1)相对姿态求解算法

上面得到了5个图案区域在图像中的中心点坐标，四点表示在图像中的坐标为(ua,va)，(ub,vb)，(uc,vc)，(ud,vd)；立体点在图像中的坐标为(ue,ve)。利用(up,vp)表示共面的四个图案在图像中的中心坐标，即

根据图5，相对俯仰角θpix和相对偏航角ψpix可以用非共面点偏离共面四点中心的像素数量来表示，具体如下

相对滚动角用表示，利用光斑成像后的图案中心点(ua,va)和中心点(uc,vc)所连接的直线与图像物理坐标系x轴正方向的夹角表示，设

(1)若wx＝0，wy>0，则

(2)若wx＝0，wy<0，则

(3)若wx>0，wy≥0，则

(4)若wx>0，wy<0，则

(5)若wx<0，则

(6)若wx＝0，wy＝0，则

2)相对位置求解算法

相对位置利用式(4)进行求解

其中d为追踪卫星与目标卫星在光轴方向确定距离k时，靶标图案上两确定成像点在图像像素坐标系中的像素间距，d为上述靶标图案上两确定成像点在距离r时，在图像像素坐标系中的像素间距，f为相机的焦距。r为相机坐标系原点距离目标卫星上的靶标坐标系原点在光轴方向的实际距离。通过上述相对位置求解算法和相对姿态求解算法，再加上相机坐标系与追踪卫星质心坐标系的坐标转换关系cco_cb，以及靶标坐标系与目标卫星质心坐标系的坐标转换关系cbo_tb，可以求解出目标卫星和追踪卫星质心坐标系之间的相对位置的具体值。即

rco_to＝cbo_tb·r·cco_cb(5)

3)最终的求解结果

综合步骤1)和步骤2)求解得到目标卫星质心坐标系和追踪卫星质心坐标系之间的相对位置具体值为rco_to，相对姿态角为ψpix(相对偏航角)、θpix(相对俯仰角)和(相对滚动角)，即最终得到追踪星与目标星之间的相对位姿。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。