深空光学敏感器“拖尾图像”的处理方法研究

主要研究深空探测巡航段的光学敏感器拖尾图像的处理方法,通过导航信息预测得到系列特征运动轨迹点,对预测点进行修正并进行特征模板的提取和归一化处理,然后进行交互相关,给出多个轨迹线上匹配的对应点位置,计算偏移量,对轨迹点进行修正,更新模板进行相关,再次迭代,直到结果收敛．最后对多个点的位置进行加权平均,得到准确的相对角矩信息,用于星图识别提供小行星指向信息,文中给出了图像处理的仿真结果．     

小行星形貌测绘与表征技术

小行星表面形貌测绘是深空小行星探测的首要任务。提出了一种适应探测器抵近观测的立体视觉在线测绘小行星形貌的方法,即先由立体相机获得所摄重叠区的三维地形,再用前后立体模型的连接点将各个独立模型连成一个完整地形信息,经整体最小二乘平差,确定小行星的形貌模型及特征;同时提出了一种基于等值线分析的撞击坑特征提取方法,即通过提取、分析地形等值线识别出地形中撞击坑特征。实验结果显示,本文所构建的原型系统能够快速重建出探测区域的三维地形,并识别出地形中撞击坑特征,证明了所提方法具有实用性。     

小行星三维地形模型几何重建方法

DOI： 10.3969/j.issn.1674 1579.2020.01.008小行星三维地形模型几何重建方法刘兴潭，武延鹏，吴奋陟，顾营迎，郑然，梁潇摘要： 小行星全球测绘对深空探测定点着陆具有重要意义.通过对绕飞段光学敏感器拍摄的序列图像进行几何立体重建方法的研究，可以实现探测器位姿信息未知情况下的三维地形建模.综合小行星表面特性、小行星运行特点与探测器飞行需求，首先通过全局的运动恢复结构完成小行星稀疏点云重建，再利用多视角场景重建对点云进行稠密化得到致密均匀的网格.然后采用隼鸟号探测器绕飞阶段实测影像，对小行星糸川(25143 Itokawa)的三维地形进行仿真重建，分辨率为0.36 m；并在光学实验室对3D打印的小行星比例模型进行模拟观测实验，得到重建分辨率为0.67 m.最后通过点云配准，进一步验证方法的有效性.结果表明，本方法稳定性较强，在分辨率要求在米级范围内的情况下，能够较好地针对小行星表面地形进行三维重建.     

小天体软着陆中的地面特征区域提取与跟踪算法

考虑到自主导航过程中的特征区域检测与跟踪问题,提出了一种新的跟踪算法。该算法是基于DIMES框架。首先,对在软着陆过程中拍摄的行星表面图像进行亮度均衡化,对处理后的图像进行二值化;然后,对二值化特征区域进行模板匹配找出高度相关位置点;最后,根据特征区域之间的几何关系确定特征区域的搜索范围,再分别提取这些相关点所代表区域的特征向量,并且与模板的特征向量进行相似性分析从而找到相似性最大的位置点。通过两组小行星表面图片进行分析验证得到了较好的效果。     

一种小行星探测陆标导航方法

针对小行星探测下降着陆段精确相对导航问题,提出了一种基于Stereophotoclinometry (SPC)陆标的相对导航方法.该方法先采用SPC光照模型渲染陆标的预测图像,再利用双线性插值从观测图像中生成陆标的提取图像.通过组合相关匹配实现预测图像与提取图像的高精度匹配,得到陆标中心点对应观测图像位置,即可利用N点透视(PNP)算法进行相机位姿估计.仿真结果表明,该方法在初始相机位姿偏差较大时也能达到亚像素的图像位置确定精度,并且具有较好的实时性.     

探月飞行器软着陆光学自主导航的特征图形匹配方法研究

对基于特征图形匹配的月面精确着陆光学导航方法进行了研究, 包括图像特征点提取、特征图形构建以及特征图形匹配. 利用特征点间相对距离不变的特性, 确立特征点的连通规则, 解决存在平移、旋转和放缩等情况下的图形匹配问题. 利用多幅月面真实图片对算法进行仿真测试, 仿真结果验证了其有效性. 以所提出的特征图形匹配方法为基础, 设计仿真算例对导航方法进行验证, 结果表明, 基于特征图形匹配的光学导航方法可实时确定飞行器的位置和速度信息且精度较高, 是适用于探月飞行器精确着陆导航的有效途径.      

2016HO3探测任务星载光学观测量建模及定轨

以中国首次小行星探测任务为背景，根据星载相机获取的光学影像构造三种观测量，分别为小行星相对于航天器的高度角和方位角、赤经赤纬以及探测器与行星/小行星之间的夹角，分析了其在探测器定轨中的作用。仿真定轨结果表明，观测时长为100 h，探测器三轴位置误差小于50 km，满足工程上对巡航段的轨道精度要求，但x和y方向的位置和速度分量具有较强自相关性。此外还发现，使用单一观测数据类型比联合观测量的定轨精度低3～4个量级，第三类观测量相对于其他两类观测量在定轨精度方面具有显著作用，这表明在2016HO3探测中，利用太阳系大天体的位置信息有助于约束探测器轨道，提高探测器的定轨精度。     

月面模拟环境的SIFT特征提取与匹配方法

为了满足月面巡视探测器的自主导航要求.使用一种新的基于尺度不变的特征点提取和匹配算法.首先根据尺度不变特征变换方法从图像中提取关键点作为特征点,然后进行左右双目图像的特征点匹配和视差的恢复.与传统特征算法相比,可以提高对不同光照环境图像匹配的鲁棒性和匹配精度.在模拟试验场的双目视觉图像匹配中,仿真实验取得较好的效果.     

基于ASIFT的离线签名认证方法

通过分析现有局部不变特征方法及含伪装签名数据集的特点,提出了一种基于具有仿射不变性的尺度不变特征变换(ASIFT)的离线签名认证方法.该方法对签名图像进行预处理(包括灰度化和放缩),对处理后的图像进行ASIFT关键点检测和特征描述符提取,对从查询签名图像和参考签名图像中提取到的描述符进行匹配,对匹配的结果采用随机采样一致性(RANSAC)方法去掉错误匹配,并计算正确匹配点的描述符之间的平均距离;通过比较平均距离及正确匹配点的个数与给定阈值的大小来判断认证是否成功.使用了含伪装签名的数据库对提出的方法进行测试,实验结果表明该方法与现有方法相比等误率降低了5%.      

基于地形匹配的直升机低空飞行前视告警方法

为解决直升机低空飞行时的防撞告警问题,提出一种利用地形匹配来修正直升机与地形之间相对位置误差的前视告警方法。首先,利用直升机飞行动力学模型预测逃逸轨迹,在此基础上生成告警边界。然后,将机载地形数据库与雷达探测的高程数据从空域变换到频域,通过基于互功率谱算法的地形匹配方法计算得到直升机与地形的相对位置误差,以获取二者之间的准确相对位置。由于地形匹配效果受地形起伏程度影响,采用地形熵选择匹配区域方法在进行地形匹配前筛除地形起伏较小的匹配区域,以此提高匹配准确度。最后,基于UH-60直升机飞行动力学模型设置了1 000组对照算例进行告警方法仿真测试。仿真结果表明:采用所提告警方法的测试组相比于常规告警方法,虚警率降低约16%,告警成功率提高近30%。说明所提的前视告警方法能够有效实现直升机低空飞行防撞告警。      

A new approach based on crater detection and matching for visual navigation in planetary landing

This paper provides an approach of crater detection and matching to visual navigation in planetary landing missions. The approach aims to detect craters on the planetary surface and match them to a landmark database during the descent phase of a planetary landing mission. Firstly an image region pairing method is proposed to detect the crater by using an image region feature detector. Then a WTA-rule is adopted to match the detected crater to the crater in database. To further reduce the false matching rate, an efficient method for reducing false matches using parameters of crater in 3-D database is proposed. Real images of planetary terrain and a semi-physical planetary landing simulation platform are utilized to test the performance of the approach, simulation results show the proposed approach is able to match the required number of craters to the database for pin-point planetary landing with a low rate of false detection and false matching, which will lead to an improved planetary landing precision.     

基于下降图像三维地形重建的参数自适应生成

针对基于单应性下降图像着陆区三维地形重建算法中重建参数对重建结果的影响,提出一种参数自适应生成算法计算最优重建参数.首先,根据匹配特征点对应的空间点拟合出地形近似平面,作为系列平行虚拟切分平面的参考平面,从而确定切分平面的法向和基本深度.其次,在地形近似平面两侧,分别计算特征点对对应的空间点到地形拟合平面最大距离,用于估计重建区地形高度差异.最后,根据地形高度差异和相机距地形拟合平面距离,寻找最优切分平面个数.根据这些重建参数即可计算地形重建所需单应矩阵.对比不同重建参数下的重建结果表明该参数设定方法可以达到更优重建效果.      

基于DEM的星载SAR图像模拟以及用于图像精校正

根据星载SAR的距离-多普勒成像原理对DEM的三维位置点进行成像几何位置的计算,然后根据经验公式给出了雷达后向散射系数的模拟方法。针对DEM格网间隔和SAR图像分辨率的不同,以及由于侧视成像雷达的特点而导致山区的迎坡和背坡模拟图像点密度不均匀等问题,采用了基于DEM格网点内插的算法。最后应用模拟的SAR图像和真实图像匹配来实现星载SAR图像的几何精校正处理。通过采用RADARSAT的实际图像进行了图像的模拟和几何校正,证明了方法的可行性。     

基于多源影像的探测器月面着陆点定位与精度验证

探测器月面着陆点高精度定位是探测器着陆的重要技术环节,也是地外天体探测器开展各项工作的重要前提.本文基于多源图像数据,利用图像特征匹配和多重覆盖影像定位技术,设计了探测器月面着陆点高精度定位方法,并使用嫦娥三号任务相关影像进行了定位实验与精度验证.在高精度图像匹配和几何变换的基础上,降落相机序列影像间的匹配精度达到子像素,LRO NAC影像与中分辨率降落图像的匹配精度优于1pixel,最终解算的嫦娥三号探测器着陆点坐标为（44.1196°N,19.5148°W）.本文方法综合利用了多源图像数据,不完全依靠着陆区DOM底图的制图精度,是对影像与DOM底图配准定位结果的进一步精化,在未来的月球着陆探测任务中具有应用价值.      

一种小天体旋转参数估计方法

小天体旋转参数是科学数据，也是小天体测绘，着陆导航的基础数据.研究一种在小天体探测接近段过程中使用的基于图像上特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法.该方法首先建立小天体旋转关系模型，表示小天体在相机坐标系中的姿态变化；然后定义小天体旋转的状态方程，推到了扩展卡尔曼滤波器的计算过程.通过对观测图像序列上的特征点跟踪，利用扩展卡尔曼滤波器方法得到小天体旋转轴指向和自转角速度估计.实验中，在仿真相机与小天体相机100 km距离上，分析了相机坐标系小天体坐标系之间的四元数初值，图像上特征点跟踪精度，相机的观测指向等因素对小天体旋转参数估计精度的影响.实验结果表明，提出的基于图像特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法能够得到具有较高精度的估计结果.     

基于Unity3D的月面复杂地形场景构建及模拟驾驶系统

为了验证未来复杂月面地形操控技术方案,本文基于Unity3D物理引擎对月表模型、月球物理环境以及月面光照环境进行了模拟,设计并开发了一套用于模拟月球自主进行着陆点选址以及在线航天器着陆轨迹规划的模拟系统。模拟系统的工作过程包含了：基于面阵雷达与立体相机信息融合的局部月表重建,基于3D重建结果的月表地形着陆代价的快速评估与自动着陆选址,以及使登陆器能够到达选址目标的最优燃料消耗着陆运动规划,实现了月球着陆器短距离自主选址着陆的模拟系统构建,同时也从仿真的角度初步验证了“地形重建-地形评估-自主选址-软着陆”这一自主着陆过程的可行性。     

一种行星安全着陆点综合评估方法

随着精确着陆技术的发展,探测器在行星表面可到达的地区形貌状况越来越复杂。为了保障着陆的安全性,在下降过程中探测器需要结合敏感器信息对视野范围内的着陆区形貌进行评估分析,从而选取出最适宜着陆的地区。针对这一问题,本文提出一种行星安全着陆点选取思路,并设计出着陆点选取的参考指标,通过对形貌以及燃耗的评估,实时选取安全着陆点。MATLAB仿真结果表明,针对快速选取过程和遍历选取过程,该方法均能够在两种过程中有效选取出满足要求的着陆点,从而提高了任务的成功率与安全性。     

分布仿真中视景数据库的构造

详细介绍了视景数据库的构造过程,讨论了构造过程中等距网格和三角形不规则网格两种地形模型的优缺点,文化特征物与地形的三种整合方法和多种细节层次的表示等关键技术,然后阐述了视景调度的算法及其与构造的关系,最后给出在DVENET中实现的一个例子并就视景数据库现在存在的问题及将来的解决方案进行了讨论.     

月球着陆器着陆安全分析方法

月球着陆器软着陆地点选择及安全着陆实现是探月二期的关键问题.采用不考虑着陆器着陆过程中发动机控制、着陆姿态控制和动力学性能,在计算机上依据低精度月面数据和已有月面典型地形特征分布/形状模型仿真生成高精度着陆区域;根据着陆器的结构尺寸和着陆安全要求对每个安全参数进行计算、比较、判断得到单次着陆安全性,利用蒙特卡洛方法计算多次在仿真地形上的着陆安全概率.试验结果表明:采用这种方法时,着陆器的结构尺寸相同分析结果才有意义.在计算机上仿真生成着陆区域、设置着陆器结构尺寸和安全参数,使其可以用于地面系统的仿真实验,也可在月面软着陆过程中实时分析选定区域的着陆安全概率.     

基于扩展卡尔曼滤波的舰机相对位姿估测

通过将基于扩展卡尔曼滤波的长序列图像分析方法与单目视觉技术相结合,把无人机自主着舰视觉导引中舰机间相对位姿的估测,转化为机载摄像机对着舰靶标平面3D位姿的实时估测问题.首先根据透视投影理论,建立了以摄像机的透镜中心为原点且Z轴与光轴重合的摄像机坐标系和世界坐标系,然后利用机载摄像机连续拍摄的靶标图像序列,选择描述相对运动的3个欧拉角、平移向量及它们的速度作为状态变量;由靶标角点的提取和帧间匹配,建立了反映着舰靶标上特征点的图像坐标和状态变量之间关系的观测方程,带入扩展卡尔曼滤波器,估测出舰机的相对运动参数.计算机数据仿真和基于DSP平台的半实物仿真试验验证了算法的有效性和鲁棒性.