CN112595328A - 视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法 - Google Patents

Abstract

视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，属于空间导航技术领域。本发明提出的导航定位方法可用于月球着陆器、巡视器、月面宇航员等用户的高精度自主位姿确定。该方法简单易行，目前很多月球探测器都搭载了视觉测量设备，只需要在此基础上增加无线电测量终端设备；该方法也具有很强的可扩展性，既可以利用稀少的无线电测量资源联合视觉测量进行导航定位，也可以在月球空间中地球GNSS可用范围内与GNSS联合为月球探测器提供导航定位信息，同时也可以随着未来月球无线电基础设施的逐步建设得到扩展，从而使得导航性能得到进一步提升。

Description

视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法

技术领域

本发明涉及视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，属于空间导航技术领域，主要针对月球空间中着陆器、巡视器、月面宇航员等导航用户的自主实时高精度导航定位问题，提出一种视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，通过将月球空间中有限数量的无线电测量作为视觉测量的绝对定位参考，抑制视觉导航过程中误差的累积，两者的共同解算可以为用户同时提供高精度的位置和姿态信息。

背景技术

月球探测是目前各国深空探测的重要方向之一，而导航技术是保证各种月球探测任务顺利开展的基础技术。长期以来，月球探测主要依赖地面深空测站的无线电跟踪和观测，随着探测任务数量的不断增加、探测任务复杂度的提升以及精准探测对于导航定位精度需求的提升，对地面测站的跟踪观测提出了巨大的考验。其他常用的月球探测器自主导航方法包括天文导航、惯性导航、视觉导航等，天文导航目前主要用于探测器的姿态测定，其定位精度还有待提升，无法满足对于位置信息要求较高的探测任务的需求；惯性导航和视觉导航都存在误差随时间或运行距离累积的问题，难以满足长时间、长距离运行用户的导航定位需求。因此，研究和发展自主高精度的导航定位方法是当前以及未来月球探测的必然趋势。

以无线电测量为基本原理的GNSS导航为地球和近地空间的用户提供了全天时、全天候的高精度导航服务。已有研究表明，在月球空间仍然可以接收到地球GNSS微弱的导航信号，通过高灵敏度接收机可以利用地球GNSS为月球用户提供导航定位信息；但是GNSS在月球极区、背面等区域会因为信号遮挡而无法使用。月球空间虽然短期内无法组建类似地球的GNSS导航星座，但是月球轨道器、中继星、月面着陆器以及无线电信标等都可以搭载无线电测量装置，从而形成月球无线电导航网络。无线电定位要求至少同时接收四颗以上几何分布良好的无线电测量信号，因此月球空间少量的无线电资源难以独立为用户提供实时的导航信息，但是这些无线电测量结果可以为用户提供绝对位置基准。视觉导航可以不依赖外界设备的辅助，仅需对观测环境中信息进行观测和计算就能获得精度较高的导航信息，但是一般仅能获取相对定位结果。因此，通过无线电测量提供的绝对基准，联合视觉导航能够实现用户的高精度绝对位置求解。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，针对月球空间稀疏无线电资源环境下，月球用户的高精度实时导航定位问题，通过将稀疏无线电测量信息与视觉测量信息的融合，解决少量无线电测量无法直接为月球用户提供导航定位信息的问题；同时无线电测量信息可以为视觉导航提供绝对定位参考，从而缓解视觉相对导航过程中存在的测量误差随探测距离增加而累积的问题。

本发明的技术解决方案是：视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，包括如下步骤：

步骤1，探测器发射前，在地面对其携带的无线电测量终端和视觉测量设备进行相对位置标定；

步骤2，对月球空间的探测设备分别配置无线电测量信号发射终端，月球探测器导航用户搭载无线电测量终端和视觉相机；探测设备包括中继星、轨道器以及信标；

步骤3，导航用户在运动过程中以一定频率持续获取视觉测量信息和无线电测量信息，其中前后两站之间获取的视觉影像间具有一定的重叠度，根据该重叠度信息基于视觉特征追踪的方式得到新站点导航用户的位置初值并结合新站点的视觉测量信息和无线电测量信息进行进一步位置和姿态求解，得到新站点的位置和姿态信息；

步骤4，当用户运行一定距离、经过多个站点后，将多个站点的稀疏无线电测量和视觉测量结果组成多站观测方程进行联合求解，新的位姿求解结果作为下一个站点解算的初始值。

进一步地，所述进行进一步位置和姿态求解包括如下步骤：

月球导航用户在每个待定位站点接收月球空间中的稀疏无线电测量信号，通过跟踪解调处理后获取伪距信息并建立无线电观测方程；

在接收无线电测量信号的同时，导航用户利用双目相机对周围环境进行拍摄，建立视觉测量的观测方程；

对无线电观测方程和视觉观测方程分别进行线性化，获得线性误差方程；

对线性误差方程进行迭代求解，直至前后两次迭代获取的待求量改正数差异小于阈值要求，求解得到某一待定位站点用户的位置、姿态和影像特征点对应的物方坐标信息。

进一步地，所述无线电观测方程为

其中，Pr为无线电测量得到的伪距值，c为光速，(X_T,Y_T,Z_T)为月球中继星、轨道器以及信标等无线电测量信号发射设备的绝对位置，(Xr,Yr,Zr)为无线电测量终端天线相位中心所表征的用户位置，t1和t2分别为无线电信号发射时刻和接收时刻，Δt1为发射装置的钟差，Δt2为接收机钟差。

进一步地，所述建立视觉测量的观测方程包括如下步骤：

通过特征提取算法对影像上的特征点和撞击坑等信息进行提取，并根据特征匹配建立左右相机影像上特征间的关系，进而根据特征点物方坐标、像方坐标以及相机位置、姿态信息建立视觉测量的观测方程，每对特征匹配点可以得到两组共四个观测方程。

进一步地，所述观测方程为

其中，(x_cam,y_cam)为特征点在相机坐标系下的像点坐标值，(X,Y,Z)为特征点在物方坐标系下的物方三维坐标，(Xu,Yu,Zu)为相机摄影中心所表征的用户位置，focal为相机焦距，a_i,b_i,c_i,i＝1,2,3为像方坐标系到物方坐标系的旋转矩阵系数，由两个坐标系间的三个旋转角

组成，其中包含了用户的姿态信息。

进一步地，所述线性误差方程为

其中，(x_p,y_p)为反投影像点坐标，(v_x,v_y)为像方残差，

为像方坐标系到物方坐标系间的三个旋转角，Pr₀和Pr分别为当前站点根据用户位置初值估算得到的距离值及实际无线电测量得到的伪距值，v_Pr为距离测量残差。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提出的导航定位方法可用于月球着陆器、巡视器、月面宇航员等用户的高精度自主位姿确定。该方法简单易行，目前很多月球探测器都搭载了视觉测量设备，只需要在此基础上增加无线电测量终端设备；该方法也具有很强的可扩展性，既可以利用稀少的无线电测量资源联合视觉测量进行导航定位，也可以在月球空间中地球GNSS可用范围内与GNSS联合为月球探测器提供导航定位信息，同时也可以随着未来月球无线电基础设施的逐步建设得到扩展，从而使得导航性能得到进一步提升。具体如下：

1)使用月球中继星、轨道器、月面信标等装置提供的稀疏无线电测量资源，通过引入视觉测量信息，解决了导航用户接收到的无线电测量信号数量较少、无法满足实时定位需求的问题；

2)通过有限数量的无线电测量和视觉测量信息的融合，可以同时求解得到用户的高精度位置和姿态结果，该位姿结果可以为基于视觉影像的高精度三维重建提供重要基础；

3)通过一定运行距离范围内多个站点观测结果的联合求解，抑制视觉相对导航过程中误差的逐步累积，可以为长距离运行的月球导航用户提供高精度的导航定位结果；

4)该导航方法具有很强的可扩展性，既可以利用稀少的无线电测量资源联合视觉测量进行导航定位，也可以在月球空间中地球GNSS可用范围内采用与地球GNSS联合的方式为月球探测器提供导航定位信息，同时也可以随着未来月球无线电基础设施的逐步建设得到扩展，从而使得导航性能得到进一步提升。

附图说明

图1是本发明的视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方案示意图；

图2是本发明的基于稀疏无线电与视觉测量的单站位姿求解流程图；

图3是本发明的基于稀疏无线电与视觉测量的多站联合求解示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)

1)月球导航用户无线电测量终端与光学测量相机相对位置的标定

由于无线电测量终端的天线相位中心与光学测量相机的摄影测量中心间一般存在位置偏差，因此在同时利用无线电测量结果和视觉测量结果求解探测器位置时，需要首先建立两个传感器间的位置转换关系。通过发射前的地面标定实现该过程，在地球上分别通过独立无线电测量获取天线相位中心绝对位置，以及通过相机拍摄布设控制点的场景获取相机摄影中心的位置，进而基于两个位置求解结果确定两者间的位置转换关系。

2)月球中继星、轨道器、月面信标等相对于月球导航用户的无线电测量信息获取

月球用户通过装配无线电测量终端，接收月球中继星、轨道器、月面信标等发射的无线电测量信号，获取伪距测量值，进而建立包含用户位置信息的观测方程。在用户端装配高灵敏度原子钟，对测量伪距中的钟差进行解耦。

3)月球导航用户的视觉测量信息获取

在每个待定位站点，月球导航用户在接收到无线电测量信号的同时，通过携带的光学相机对周围环境进行拍摄获取影像数据，建立影像观测到的物方信息与像点坐标间的关系，观测方程中同时包含用户的位置和姿态信息。像点坐标通过对获取的影像进行特征点提取，并进行左右相机立体影像间的特征匹配获取。

4)基于稀疏无线电测量与视觉测量的导航用户位置和姿态求解

通过无线电和视觉测量获取的信息分别建立无线电和影像的观测方程，在对观测方程进行线性化的基础上，基于最小二乘原理通过联合求解，迭代获取用户的位置、姿态以及影像上特征点对应的物方坐标等信息，初始站点的位置和姿态初值由系统通过其他测量方式估计得到。当导航用户发生运动时，在运动后的待测站点同样获取稀疏的无线电测量信息及视觉测量信息，当前站点的位置初值通过前一站点的特征追踪获取，同样可以实时解求到该待测站点的定位和姿态信息。

5)前后多个待测站点间的位姿联合求解

在用户运动过程中以一定间隔进行多站联合位姿解算，从而进一步抑制误差的累积。当用户运行一定距离后，将多个站点的稀疏无线电测量和视觉测量结果组成多站观测方程进行联合求解，前后站点的位置和姿态形成约束，可以进一步精化各个站点的位姿求解结果，新的位姿求解结果作为下一个站点解算的初始值。

在本申请实施例所提供的方案中，本发明实施步骤如下：

步骤1：探测器发射前，在地面对其携带的无线电测量终端和视觉测量设备进行相对位置标定。可以在室内布设无线电发射装置或直接在室外利用GNSS信号，通过同时接收多于四个、几何分布良好的无线电测量信号，求解获取无线电测量终端的天线相位中心位置。保持探测器位置不变的同时，在探测器携带相机的可视范围内布设一些绝对位置已知的控制点，利用相机对布设的控制点进行拍摄，通过解算获得相机摄影中心的位置信息。根据无线电天线相位中心位置和相机摄影中心位置的求解结果，得到两者位置的转换关系[ΔX,ΔY,ΔZ]。以立体相机中左相机的摄影中心位置代表用户的位置[Xu,Yu,Zu]，得到无线电天线相位中心位置[Xr,Yr,Zr]的转换结果如下：

[Xu,Yu,Zu]^T＝[Xr,Yr,Zr]^T+[ΔX,ΔY,ΔZ]^T 1)

步骤2：对月球空间的中继星、轨道器以及信标等探测设备分别配置无线电测量信号发射终端，月球探测器导航用户搭载无线电测量终端和视觉相机；

步骤3：月球导航用户在每个待定位站点接收月球空间中的稀疏无线电测量信号，通过跟踪解调等处理最终获取伪距信息并建立无线电观测方程，导航用户的接收机钟差可以通过携带高灵敏度的原子钟进行消除；

其中，Pr为无线电测量得到的伪距值，c为光速，(X_T,Y_T,Z_T)为月球中继星、轨道器以及信标等无线电测量信号发射设备的绝对位置。t1和t2分别为无线电信号发射时刻和接收时刻，Δt1为发射装置的钟差，可以通过电文播发的时钟校准参数进行改正，Δt2为接收机钟差。

步骤4：在接收无线电测量信号的同时，导航用户利用携带的双目相机对周围环境进行拍摄。通过特征提取算法对获取影像上的特征点和撞击坑等信息进行提取，并根据特征匹配建立左右相机影像上特征间的关系，进而根据特征点物方坐标、像方坐标以及相机位置、姿态等信息建立视觉测量的观测方程，每对特征匹配点可以得到两组如下所示的观测方程；

其中，(x_cam,y_cam)为特征点在相机坐标系下的像点坐标值，(X,Y,Z)为特征点在物方坐标系下的物方三维坐标，focal为相机焦距，(a_i,b_i,c_i,i＝1,2,3)为像方坐标系到物方坐标系的旋转矩阵系数，由两个坐标系间的三个旋转角

组成，其中包含了用户的姿态信息。

步骤5：对上述无线电观测方程和视觉观测方程分别进行线性化。在确定线性化过程中待求参数的初始值时，起始站点的导航用户位置初值可以由其他粗定位测量方式获取，后续站点的位置初值可以根据前一站点解求得到的特征点物方坐标通过视觉特征追踪的方式获得。视觉观测方程中的姿态初值由导航用户携带的姿态测量设备提供。

步骤6：通过最小二乘方法对线性化后的误差方程进行迭代求解，直至前后两次迭代获取的待求量改正数差异小于阈值要求，从而求解得到某一待定位站点用户的位置、姿态和影像特征点对应的物方坐标等信息。

步骤7：导航用户在运动过程中以一定频率持续获取视觉和无线电测量信息，其中前后两站之间获取的视觉影像间需要保证一定的重叠度，根据该重叠信息基于视觉特征追踪的方式可以得到新站点导航用户的位置初值，根据步骤3至步骤6所描述的处理过程，求解得到新站点的位置和姿态信息。

步骤8：当用户运行一定距离后，将多个站点的稀疏无线电测量和视觉测量结果组成多站观测方程进行联合求解，通过前后多个站点的位置和姿态形成的约束，改善视觉导航中误差的累积问题。通过多站的联合求解可以对各个站点的位姿求解结果进行精化，新的位姿求解结果作为下一个站点解算的初始值。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，探测器发射前，在地面对其携带的无线电测量终端和视觉测量设备进行相对位置标定；

步骤2，对月球空间的探测设备分别配置无线电测量信号发射终端，月球探测器导航用户搭载无线电测量终端和视觉相机；探测设备包括中继星、轨道器以及信标；

步骤3，导航用户在运动过程中以一定频率持续获取视觉测量信息和无线电测量信息，其中前后两站之间获取的视觉影像间具有一定的重叠度，根据该重叠度信息基于视觉特征追踪的方式得到新站点导航用户的位置初值并结合新站点的视觉测量信息和无线电测量信息进行进一步位置和姿态求解，得到新站点的位置和姿态信息；

步骤4，当用户运行一定距离、经过多个站点后，将多个站点的稀疏无线电测量和视觉测量结果组成多站观测方程进行联合求解，新的位姿求解结果作为下一个站点解算的初始值。

2.根据权利要求1所述的视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，其特征在于，所述进行进一步位置和姿态求解包括如下步骤：

月球导航用户在每个待定位站点接收月球空间中的稀疏无线电测量信号，通过跟踪解调处理后获取伪距信息并建立无线电观测方程；

在接收无线电测量信号的同时，导航用户利用双目相机对周围环境进行拍摄，建立视觉测量的观测方程；

对无线电观测方程和视觉观测方程分别进行线性化，获得线性误差方程；

对线性误差方程进行迭代求解，直至前后两次迭代获取的待求量改正数差异小于阈值要求，求解得到某一待定位站点用户的位置、姿态和影像特征点对应的物方坐标信息。

3.根据权利要求2所述的视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，其特征在于：所述无线电观测方程为

其中，Pr为无线电测量得到的伪距值，c为光速，(X_T,Y_T,Z_T)为月球中继星、轨道器以及信标等无线电测量信号发射设备的绝对位置，(Xr,Yr,Zr)为无线电测量终端天线相位中心所表征的用户位置，t1和t2分别为无线电信号发射时刻和接收时刻，Δt1为发射装置的钟差，Δt2为接收机钟差。

4.根据权利要求2所述的视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，其特征在于，所述建立视觉测量的观测方程包括如下步骤：

通过特征提取算法对影像上的特征点和撞击坑等信息进行提取，并根据特征匹配建立左右相机影像上特征间的关系，进而根据特征点物方坐标、像方坐标以及相机位置、姿态信息建立视觉测量的观测方程，每对特征匹配点可以得到两组共四个观测方程。

5.根据权利要求4所述的视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，其特征在于：所述观测方程为

其中，(x_cam,y_cam)为特征点在相机坐标系下的像点坐标值，(X,Y,Z)为特征点在物方坐标系下的物方三维坐标，(Xu,Yu,Zu)为相机摄影中心所表征的用户位置，focal为相机焦距，a_i,b_i,c_i,i＝1,2,3为像方坐标系到物方坐标系的旋转矩阵系数，由两个坐标系间的三个旋转角

组成，其中包含了用户的姿态信息。

6.根据权利要求2所述的视觉辅助稀疏无线电测量的月球导航定位方法，其特征在于：所述线性误差方程为

其中，(x_p,y_p)为反投影像点坐标，(v_x,v_y)为像方残差，

为像方坐标系到物方坐标系间的三个旋转角，Pr₀和Pr分别为当前站点根据用户位置初值估算得到的距离值及实际无线电测量得到的伪距值，v_Pr为距离测量残差。

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