技术特征：
1.一种融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位系统，其特征在于，所述系统包括视觉传感器、视觉slam定位模块、引力场建模模块和轨道优化模块；所述视觉传感器，用于拍摄小行星表面的图像信息；所述视觉slam定位模块，用于接收相机拍摄的小行星表面的图像信息，并对小行星表面的图像特征进行提取匹配与跟踪，通过因子图优化算法估计探测器位姿，通过回环检测修正视觉累积误差；所述引力场建模模块，用于接收相机拍摄的小行星表面的图像信息，并根据绕飞段的图像由sfm算法恢复相机运动并重构行星表面三维模型，通过mvs进行稠密重建，随后对点云进行网格化处理，再基于多面体法对不规则小行星引力场建模；所述轨道优化模块，用于根据所述视觉slam定位模块估计的探测器相对小行星位置姿态和所述引力场建模模块求解的行星不规则引力场来分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，并对视觉定位累计误差进行修正；所述定位系统设计了一种基于轨道动力学的伪相对运动分析精确轨道优化算法，基于定位模块估计的探测器相对小行星位置姿态和引力场建模模块求解的行星不规则引力场，分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，修正视觉定位累计误差，改善初始定位结果。2.一种融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，所述方法包括以下步骤：首先，通过视觉传感器获取小行星表面图像信息；其次，视觉slam定位模块根据获取的图像信息对小行星表面的特征进行提取匹配，通过因子图优化算法估计探测器位姿，并进行回环检测；同时，引力场建模模块根据获取的图像信息重构行星表面三维模型，实现基于多面体法的行星不规则引力场建模；最后，轨道优化模块基于估计的探测器位姿和引力场建模求解行星不规则引力场，分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，修正视觉定位累计误差，实现高精度导航定位。3.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法在探测过程中进行坐标系定义：定义小行星固连坐标系为并以此作为世界坐标系，其中，a为坐标系原点，通常是为小行星质心；定义探测器坐标系为其中，s为探测器本体坐标系原点，在绕飞时轴指向小行星质心，为迹向方向，为及叉乘结果；定义相机坐标系为在设定中相机位于探测器正前方，三轴与探测器坐标系一致；定义像平面坐标系为4.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法采用视觉slam相对定位算法对小行星表面特征进行提取，并根据提取的路标特征实时计算探测器相对于环境的位置和姿态，并建立环境地图；所述视觉slam相对定位算法包括三个线程：追踪、局部建图及回环检测；所述追踪线程主要负责根据输入图像提取特征进行初始位姿估计，并建立关键帧；所述局部建图线程根据关键帧建立局部地图；所述回环检测线程通过词袋模型检测候选帧是否回环，最后优化全局地图并更新。
5.根据权利要求4所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述视觉slam相对定位算法对小行星表面进行特征提取时，使用orb特征提取算法进行特征提取，所述orb特征提取算法使用增强的fast提取关键点，并使用方向归一化的brief描述子对关键点进行描述。6.根据权利要求4所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述追踪线程将输入的序列图像与地图点进行匹配计算相机位姿，具体步骤为：将第一帧图像的相机坐标系作为系统参考坐标系，通过序列图像的帧间匹配可以传递特征点的世界坐标，在帧间进行3d-3d对应估计可以求解参考坐标系与每帧图像对应的位姿关系；在前一帧追踪成功时，采用匀速运动模型或关键帧模型获得初始的位姿矩阵，再基于因子图优化模型最小化3d-2d重投影误差函数，迭代求解得到更优的位姿，其中误差函数为：其中，是系统参考坐标系相对于第i帧相机坐标系的旋转和平移向量，(u
j
,v
j
)为第j个特征点的像素坐标，n为匹配到的特征点总和，ρ()为huber损失函数，project()表示3d-2d重投影误差函数，x
j
为第j个匹配点在参考坐标系中的x坐标，∈为和每个特征点的尺度相关的信息矩阵；在对每帧影像进行以上操作的同时，所述局部建图线程负责在当前地图插入关键帧和筛选、产生新的地图点，实时地优化局部若干帧的位姿及相应3d点的位置，对误差进行修正。7.根据权利要求4所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述回环监测线程使用词袋模型，将每张图像构建为一个词袋向量，通过相似度度量：其中，v
i
和v
j
为对应的两幅图像的词袋向量，来评价两幅图像的相似度得分，判断是否进行回环检测。8.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法通过从运动恢复结构(sfm)结合多视角立体几何(mvs)算法依靠绕飞拍摄的图像数据实现三维重建，具体流程为：在输入小行星表面序列图像之后，先通过sfm算法恢复相机运动信息和内外参，建立行星表面稀疏点云，具体步骤为：利用sift算法进行特征提取和匹配，随后对图像对进行几何验证即求解基础矩阵f并去除外点；在初始化时选择重叠度较高的两张图像，并增量式地依次添加新的图像和其特征点云坐标；使用光束平差法优化相机内外参和特征点云，并将此作为mvs算法的输入；其中，光束平差法通过最小化重投影误差优化相机参数，定义n个空间点p
i
＝[x
i
,y
i
,z
i
]
t
在像素平面的投影坐标为u
i
＝[u
i
,v
i
]
t
，相机的旋转r和平移变换t的李群表示为t，k为相机内参矩阵，构建如下列公式所示的最小二乘问题：
其中，s
i
是距离尺度来求解最优的相机位姿；mvs稠密建图部分通过融合深度图实现，具体步骤为：首先由立体匹配patchmatch算法进行视差估计得到深度图，并对深度图进行融合和滤波处理，并进一步生成点云的法向量，并使用泊松重建方法进行表面重建。9.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法选择多面体法进行引力场重建，所述多面体法计算得到的引力势能和引力加速度分别是：加速度分别是：其中，u(r)表示引力势，g表示万有引力常量，ρ是小行星密度，e是edge，表示棱边，f是face，表示面片，r表示任一点(x,y,z)位置向量，r
e
是该点到多面体上面a和面b棱边上一点(x0,y0,z0)的向量((x
0-x),(y
0-y),(z
0-z))，面a和面b是多面体任意两个面；其中，是面a的单位法向量，是面a的“顶点1到2”边的单位法向量，分别是面b的单位法向量和“顶点2到1”边的单位法向量，其中，|r1|、|r2|表示(x,y,z)到棱边两顶点的距离，e
12
是棱边长度，r
f
表示(x,y,z)到任意面内的任意一点(x1,y1,z1)的向量((x
1-x),(y
1-y),(z
1-z))，其中是任意面的单位法向量，其中，β＝r1·
(r2×
r3)，α＝|r1||r2||r3|+|r1|(r2·
r3)+|r2|(r3·
r1)+|r3|(r1·
r2)，r1、r2、r3是用来计算点到1、2、3顶点的向量，u(r)对r求导获得加速度g(r)。10.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法通过求解目标函数得到相对运动方程中的相关系数，进而反向解算出相对初始位置和速度，最终得到更为精确的探测器轨道估计结果，具体步骤为：定义探测器在绕飞若干个周期之后，通过视觉slam估计的一系列状态结果为其中时刻i＝{1,...,n}，位置rv＝[x,y,z]，旋转四元数qv＝[q0,q
x
,q
y
,q
z
]
t
，速度vv＝[v
x
,v
y
,v
z
]
t
，角速度ωv＝[ω
x
,ω
y
,ω
z
]
t
；取某一时刻i的作为输入，通过动力学方程可数值积分可递推出经过时间t之后的状态及以为初值的一条“预报轨道”；所述“预报轨道”的状态相比于真实轨道该时刻的状态x
(i)
存在误差δu
(i)
，且轨道递推的误差随着时间i逐渐累积，因此δu
(i+t)
＞δu
(i)
，通过不断迭代搜索合适的初值使得减少i+t时刻附近的误差，达到对的进一步优化；通过在真实轨道附近分布w
(i)
～n{0,δ}的视觉定位结果进行曲线拟合，获取符合运动学方程的精确轨道；选取作为递推初值，在区间选取m个递推结果：
与视觉对应状态求得的误差和作为约束，经过不断的误差反演求解最优的使得：则由确定的一条符合真实运动学方程的轨道即为优化后的探测器定位结果。
技术总结
本发明涉及一种融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位系统及方法。所述系统包括视觉传感器、视觉SLAM定位模块、引力场建模模块和轨道优化模块；视觉传感器用于拍摄小行星表面图像；视觉SLAM定位模块进行特征提取匹配与跟踪，并估计探测器位姿、修正视觉累积误差；引力场建模模块重构行星表面三维模型，并进行稠密重建，对点云进行网格化处理，再基于多面体法对小行星引力场建模；轨道优化模块根据估计的探测器位姿和引力场建模来分析反演视觉初始定轨误差并进行修正。本发明所述方法基于估计的探测器位姿和引力场建模求解行星不规则引力场，分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，修正视觉定位累计误差，实现高精度导航定位。现高精度导航定位。现高精度导航定位。
技术研发人员：樊铭瑞 牛文龙 彭晓东 李运 高辰 杨震
受保护的技术使用者：中国科学院国家空间科学中心
技术研发日：2022.01.29
技术公布日：2022/5/17