DE102014108873A1

DE102014108873A1 - Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Position einer Landeeinrichtung

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Publication number: DE102014108873A1
Application number: DE102014108873.5A
Authority: DE
Inventors: Hannah Kaufmann; Heiko Hirschmüller; Martin Lingenauber
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2015-07-23
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: DE102014108873B4; DE102014108873A8

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Position einer Landeeinrichtung während eines autonomen Landeanflugs mithilfe wenigstens einer ersten Repräsentation zumindest eines Ausschnitts einer Landefläche (106) und wenigstens einer zweiten Repräsentation zumindest eines Ausschnitts der Landefläche (106), wobei aus der wenigstens einen ersten Repräsentation wenigstens ein erstes Vergleichsabbild mit wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmalen und aus der wenigstens einen zweiten Repräsentation wenigstens ein zweites Vergleichsabbild (104) mit wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmalen erzeugt werden, die wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmale und die wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmale korreliert werden und die wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmale und die wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmale auf Schlagschatteninformationen (208) der Landefläche (106) basieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Position einer Landeeinrichtung während eines autonomen Landeanflugs mithilfe wenigstens einer ersten Repräsentation zumindest eines Ausschnitts einer Landefläche und wenigstens einer zweiten Repräsentation zumindest eines Ausschnitts der Landefläche.
Die US 6,167,144 A betrifft ein Gerät zur Bildverarbeitung und ein Bildverarbeitungsverfahren zur Identifizierung eines Landeorts auf dem Mond oder Planeten. Gemäß der US 6,167,144 A wird zur Identifizierung eines sicheren Landeorts auf der Oberfläche des Mondes oder Planeten eine lokale durchschnittliche Helligkeit und eine Helligkeitsvarianz in einer Umgebung jedes Bildpixels auf Grundlage von mit einer Kamera erhaltenen digitalen Bilddaten berechnet und bestimmt, ob jedes Pixel ein Niveau und einen Flachbereich auf Basis der lokalen durchschnittlichen Helligkeit und Helligkeitsvarianz repräsentiert, für jedes Pixel berechnet, um damit einen günstigen Landeort zu ermitteln.
Die US 7,967,255 B2 betrifft ein autonomes Raumfahrtsystem und Planetenlander zum Ausführen einer diskreten Landesequenz, um unbekannte Navigationsfehler zu entfernen, eine Gefahrenvermeidung durchzuführen und den Lander zu verlagern und ein Verfahren. Gemäß der US 7,967,255 B2 führt ein autonomes unbemanntes Raumflugsystem und Planetenlander eine diskrete Landesequenz aus einschließlich der Durchführung eines einleitenden Geschwindigkeits-Bremsmanövers, um die Geschwindigkeit in der Höhe zu reduzieren, Fliegen im Leerlauf, währenddessen die Planetenoberfläche abgebildet und mit Referenzkarten korreliert wird, um Querkurs- und Längskurs-Navigationsfehler abzuschätzen und ein oder mehrere Seiten-Bremsmanöver werden durchgeführt, um einen Querkurs-Navigationsfehler zu reduzieren, und Durchführung eines Endgeschwindigkeits-Bremsmanöver, um das Längskurs-Bremsmanöver zu verringern und die Restgeschwindigkeit unmittelbar vor der Landung abzubauen. Ein Bi-Treibwerk-Antriebssystem weist ein sehr hohes T/M-Verhältnis auf, mindestens 15:1 pro Düsenöffnung. Kurze, hohe T/M-Umleitungsmanöver bieten die Möglichkeit, Querkurs-Navigationsfehler effizient bis zur maximalen Auflösung der Referenzkarten zu entfernen. Kurze, hohe T/M-Endgeschwindigkeits-Bremsmanöver bieten die Möglichkeit, Längskurs-Navigationsfehler mit einer ähnlichen Auflösung zu entfernen und die Restgeschwindigkeit in einem sehr kurzen Zeitfenster, ca. 3–15 Sekunden vor dem Aufsetzen, abzubauen. Die Antriebseffizienz setzt Masse frei, die einem Kraftstoff zugeordnet werden kann, um unbekannte Navigationsfehler zu entfernen, eine Gefahrenvermeidung durchzuführen und/oder den Lander durch fliegen zu einem anderen Standort oder zuordnen einer zusätzlichen Nutzlast zu verlagern.
Die Veröffentlichung „P. A. Brivio, A. Della Ventura, A. Rampini, and R. Schettini. Automatic selection of control-points from shadow structures. International Journal of Remote Sensing, 13(10): 1853–1860, 1992.” betrifft die automatische Auswahl der Kontrollpunkte von Schattenstrukturen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren für die automatische Auswahl der Kontrollpunkte in Fernerkundungsbilder von Hochrelief-Geländen zum Abgleich mit einer Referenzkarte zu beschreiben. Dies kann relevant sein, wenn Fernerkundungsbilder in ein geographisches Informationssystem (GIS) integriert und in Echtzeit verarbeitet werden sollen. Das beschriebene Verfahren basiert auf der Erkennung von Schattenstrukturen und deren Vergleich mit computergenerierten Schatten aus einem digitalen Geländemodell (DGM) einer Region. Der Vergleich der Schattenstrukturen wird durchgeführt mithilfe von Ähnlichkeitsbewertung eines vereinfachten Modells deren Formen mittels Trägheitsellipsenbeschrieben. Jedes Paar von Schattenstrukturen, das als ähnlich erkannt wird und eine gewisse Anzahl von Positionsbedingungen erfüllt, ergibt ein Paar entsprechender Punkte, deren Koordinaten Eingangswerte für die Bestimmung des Parameters in der Transformation des Eingangsbildes in ein planimetrisch korrigiertes bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Insbesondere soll eine präzise, absolute, autonome Lokalisierung der Landeeinrichtung während eines Landeanflugs ermöglicht werden. Insbesondere soll ein Verfahren bereitgestellt werden, das keine gesonderte Navigationsinfrastruktur, wie Satellitennavigationssystem, erfordert. Insbesondere soll ein Verfahren bereitgestellt werden, das keine bekannten und eingemessenen Landmarken auf einer Landefläche erfordert. Insbesondere soll eine Abhängigkeit von Aufnahmebedingungen bei einer Erstellung von Vergleichsabbildern vermieden werden. Insbesondere soll eine Robustheit gegen Unterschiede zwischen Vergleichsabbildern bei einer Korrelation von Vergleichsmerkmalen erhöht werden. Insbesondere soll eine Korrelation von Vergleichsmerkmalen erleichtert werden. Insbesondere soll eine Robustheit gegen falsch zugeordnete Vergleichsmerkmale erhöht werden. Insbesondere soll eine Berechnungszeit reduziert werden. Insbesondere soll ein Speicherbedarf reduziert werden. Insbesondere soll eine Anwendung des Verfahrens bei verschiedenen Arten von Landeflächen ermöglicht werden. Insbesondere soll eine Anwendung des Verfahrens bei Landeflächen mit dynamischer Topografie verbessert bzw. ermöglicht werden. Außerdem soll eine Landeeinrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitgestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Position einer Landeeinrichtung während eines autonomen Landeanflugs mithilfe wenigstens einer ersten Repräsentation zumindest eines Ausschnitts einer Landefläche und wenigstens einer zweiten Repräsentation zumindest eines Ausschnitts der Landefläche, wobei aus der wenigstens einen ersten Repräsentation wenigstens ein erstes Vergleichsabbild mit wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmalen und aus der wenigstens einen zweiten Repräsentation wenigstens ein zweites Vergleichsabbild mit wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmalen erzeugt werden, die wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmale und die wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmale korreliert werden und die wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmale und die wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmale auf einer Schlagschatteninformation der Landefläche basieren.
Ein autonomer Landeanflug kann ein Landeanflug ohne landeeinrichtungsexterne Steuerung sein. Ein Landeanflug kann Flugphasen vom Beginn eines Landeanflugs bis zum Stillstand der Landeeinrichtung umfassen. Ein Landeanflug kann ein Aufsetzen der Landeeinrichtung auf der Landefläche umfassen. Ein Landeanflug kann mehrere Landephasen umfassen. Ein Landeanflug kann als Landephase eine antriebslose Abstiegsphase umfassen. Zu Beginn der antriebslosen Abstiegsphase kann die Landeeinrichtung durch ein Feuern von Triebwerken der Landeeinrichtung aus einem Parkorbit auf einen Abstiegsorbit gebracht werden. Während der antriebslosen Abstiegsphase können die Triebwerke schubfrei sein. Die antriebslose Abstiegsphase kann ca. 30 min dauern und kann die Form eines Orbits mit einem Perizentrumsabstand von ca. 10 km haben. Ein Landeanflug kann eine Abstiegsphase mit Antrieb umfassen. Während einer Abstiegsphase mit Antrieb kann die Abstiegsgeschwindigkeit einer Landeeinrichtung durch Feuern der Triebwerke der Landeeinrichtung verringert werden. Eine Abstiegsphase mit Antrieb kann sich an eine antriebslose Abstiegsphase anschließen. Eine Abstiegsphase mit Antrieb kann durch Feuern der Triebwerke im Perizentrum der antriebslosen Abstiegsphase beginnen und ca. 9 min dauern. Ein Landeanflug kann eine finale Landephase umfassen. Die finale Landephase kann sich an eine Abstiegsphase mit Antrieb anschließen. Die finale Landephase kann ca. 120 s vor dem Aufsetzen der Landeeinrichtung beginnen. Unter der Voraussetzung, dass genug Schlagschatteninformation in einer ersten Repräsentation und einer zweiten Repräsentation während einer der gennannten Flugphasen vorhanden ist, kann das Verfahren in jeder Landephase durchgeführt werden.
Die Landefläche kann eine Oberfläche eines Himmelskörpers sein. Der Himmelskörper kann ein Planet, ein Zwergplanet, ein Kleinkörper oder ein Mond sein. Der Himmelskörper kann atmosphärelos sein. Der Himmelskörper kann von einem Stern, insbesondere von der Sonne, angestrahlt sein. Die Landefläche kann ein Relief aufweisen. Das Relief kann unter Anstrahlung Schlagschatten werfen.
Eine Repräsentation kann Daten umfassen, die die Landefläche oder den Ausschnitt der Landefläche repräsentieren. Die Daten können elektrisch übermittelbar sein. Die Daten können informationstechnisch verarbeitbar sein. Die Daten können mithilfe einer Recheneinrichtung verarbeitbar sein. Die Daten können speicherbar sein. Die Daten können optisch darstellbar sein. Aus den Daten kann wenigsten ein Vergleichsabbild erzeugbar sein. Das wenigstens eine erste Vergleichsabbild und das wenigstens eine zweite Vergleichsabbild können zumindest abschnittsweise überschneidende Informationen aufweisen.
Eine Schlagschatteninformation kann wenigstens einen Schlagschatten beschreiben. Der wenigstens eine Schlagschatten kann eine Kontur aufweisen. Ein Vergleichsmerkmal kann eine Schlagschattenkontur sein. Ein Vergleichsmerkmal kann ein Abschnitt einer Schlagschattenkontur sein. Ein Vergleichsmerkmal kann ein Punkt einer Schlagschattenkontur sein. Ein Vergleichsmerkmal kann wenigstens einen Passpunkt aufweisen.
Die wenigstens eine erste Repräsentation kann vor dem Landeanflug erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann beispielsweise während einer Umrundung eines planetaren Zielkörpers auf einem Orbit vor einem Einleiten eines Landeanflugs erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann vor einem Start der Landeeinrichtung erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann vor einem Start eines Raumfahrzeugs, das die Landeeinrichtung transportiert, erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann in der Landeeinrichtung gespeichert werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann in einem Raumfahrzeug, das die Landeeinrichtung transportiert, gespeichert werden. Es können mehrere erste Repräsentationen gespeichert werden.
Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann während des Landeanflugs erzeugt werden. Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann während eines Landeanflugs erzeugt werden. Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann während einer finalen Landephase erzeugt werden. Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann während eines Überflugs erzeugt werden. Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann verwendet werden. Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann in einem Raumfahrzeug, das die Landeeinrichtung transportiert, zwischengespeichert werden.
Die wenigstens eine erste Repräsentation kann mithilfe einer Recheneinrichtung erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann mithilfe einer Simulationssoftware erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann basierend auf einem digitalen Reliefmodell der Landefläche erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann unter Berücksichtigung einer simulierten Landetrajektorie erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann unter Berücksichtigung einer simulierten Sonnenposition erzeugt werden. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann unter Berücksichtigung einer simulierten Sonnenposition in Bezug auf die modellierte Landefläche erzeugt werden. Das Reliefmodell kann ein 3D-Modell sein. Die wenigstens eine erste Repräsentation kann eine 2D-Repräsentation sein. Es können mehrere erste Repräsentationen für verschiedene modellierter Landeflächen, simulierter Landetrajektorien und/oder simulierter Sonnenposition erzeugt werden. Als wenigstens eines erstes Vergleichsabbild kann eine erste binäre Schattenkarte erzeugt werden.
Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann mithilfe einer realen Kameraeinrichtung der Landeeinrichtung erzeugt werden. Die wenigstens eine zweite Repräsentation kann eine 2D-Repräsentation sein. Es können sequentiell mehrere zweite Repräsentationen an verschiedenen Positionen der Landetrajektorie erzeugt werden. Als wenigstens eines zweites Vergleichsabbild kann eine zweite binäre Schattenkarte erzeugt werden.
Zur Erzeugung der ersten binären Schattenkarte und/oder der zweiten binären Schattenkarte kann eine schwellwertbasierte Reduktion durchgeführt werden. Jedes der wenigstens drei ersten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale und/oder jedes der wenigstens drei zweiten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale kann vor einer Korrelation bezüglich seines geometrischen Schwerpunkts reduziert werden. Die wenigstens drei ersten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale und/oder die wenigstens drei zweiten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale können vor einer Korrelation mithilfe ihrer jeweiligen Umgebung beschrieben werden.
Zur Korrelation der wenigstens drei ersten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale und der wenigstens drei zweiten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale können die geometrischen Schwerpunkt korreliert werden. Bei Korrelation der wenigstens drei ersten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale und der wenigstens drei zweiten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale kann eine Gewichtung möglicher Korrelationsergebnisse durchgeführt werden.
Eine aktuelle Position der Landeeinrichtung kann mithilfe eines Korrelationsergebnisses von wenigstens drei schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmalen bestimmt werden. Durch Korrelation des wenigstens einen ersten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmals und des wenigstens einen zweiten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmals können 3D-Koordinaten der Landefläche den 2D-Koordinaten der zweiten Vergleichsmerkmale zugeordnet werden. Eine aktuelle Position der Landeeinrichtung kann mithilfe einer Projektionsgleichung bestimmt werden. Mithilfe der Projektionsgleichung können eine Kameraposition und/oder eine Kameraorientierung an der Landeeinrichtung bestimmt werden. Die Projektionsgleichung kann mithilfe der Zuordnung von 3D- und 2D-Bildpunkten, welche mithilfe des Korrelationsergebnisses erzeugt wurden, gelöst werden. Bei bekannter innerer Orientierung sind nur sechs Parameter einer äußeren Orientierung einer Kamera zu bestimmen. Zur Lösung werden somit mindestens drei Merkmale benötigt, pro Merkmal zwei bekannte Parameter. Um eine ausreichend genaue Lösung zu erhalten sollte das Gleichungssystem überbestimmt sein, d. h. mehr Merkmale als nötig für die Berechnung genutzt werden. Evtl. werden für eine ausreichend gute Lösung bis zu ca. 70 Merkmale benötigt. Ein Fehler der bestimmten aktuellen Position der Landeeinrichtung kann abgeschätzt werden. Die bestimmte aktuelle Position der Landeeinrichtung und gegebenenfalls der abgeschätzte Fehler können einer Navigationseinrichtung zugeführt werden.
Ein Bestimmen einer aktuellen Position und/oder ein Abschätzen eines Fehlers der bestimmten aktuellen Position der Landeeinrichtung kann mithilfe einer Distanzinformation und/oder einer verfügbaren Positionsinformation und/oder einer verfügbaren Orientierungsinformation durchgeführt werden.
Ein derartiges Verfahren kann mithilfe einer Landeeinrichtung durchgeführt werden, die eine Navigationseinrichtung, eine Recheneinrichtung, eine Speichereinrichtung, eine Schnittstelleneinrichtung, eine Kameraeinrichtung und/oder eine Distanzmesseinrichtung aufweist.
Die Landeeinrichtung kann eine Raumsonde sein. Die Landeeinrichtung kann zum Landen auf einem Himmelskörper, wie Planet, Zwergplanet, Kleinkörper oder Mond, dienen. Die Landeeinrichtung kann dazu dienen, den Himmelskörper zu erforschen. Die Landeeinrichtung kann zu einer harten Landung dienen. Die Landeeinrichtung kann zu einer weichen Landung dienen. Die Landeeinrichtung kann zur späteren Rückkehr dienen. Die Landeeinrichtung kann als Hydrobot, Kryobot, Penetrator oder Rover ausgeführt sein. Die Landeeinrichtung kann eine Thermalkontrolleinrichtung aufweisen. Die Landeeinrichtung kann eine Kommunikationseinrichtung aufweisen. Die Landeeinrichtung kann eine Energieversorgungseinrichtung aufweisen. Die Landeeinrichtung kann eine Lageregelungseinrichtung aufweisen. Die Landeeinrichtung kann eine Einrichtung zur Orientierung im Raum aufweisen. Die Landeeinrichtung kann eine Kreiselplattform aufweisen. Die Landeeinrichtung kann Sternsensoren aufweisen. Die Landeeinrichtung kann ein Hitzeschild aufweisen. Die Landeeinrichtung kann mithilfe eines Raumfahrzeugs transportierbar sein. Die Kameraeinrichtung kann eine monokulare Kamera aufweisen. Die Distanzmesseinrichtung kann eine Lasermesseinrichtung aufweisen.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur absoluten Lokalisierung mittels Bildregistrierung und Positionsschätzung, unter Verwendung von Schatten als Landmarken, während Landungen auf Planeten ohne Atmosphäre oder Planetoiden ohne Atmosphäre.
Um eine Position zu bestimmen, kann eine Bildregistrierung zwischen Bildern einer Oberfläche des Planeten oder Planetoiden, welche während des Landeanflugs aufgenommen wurden, sogenannten Objektbildern, und vorausberechneten Referenzbildern durchgeführt werden. Die Bildregistrierung kann dazu dienen, ein Objektbild und ein Referenzbild in Übereinstimmung zu bringen und hierfür in beiden Bildern sichtbare Merkmale verwenden. Vorliegend können in den Bildern sichtbaren Schatten als Merkmale für die Bildregistrierung dienen. Mit einem Ergebnis der Bildregistrierung kann eine Position einer Landefähre zum Aufnahmezeitpunkt des Objektbildes bestimmt werden. Somit können die auf der Oberfläche des Planeten oder Planetoiden sichtbaren Schatten als Landmarken für die absolute Lokalisierung während des Landeanflugs dienen.
Durch die Verwendung von Schatten als Merkmale können Referenzdaten für die Bildregistrierung bereitgestellt werden, die invariant gegenüber Unterschieden zwischen Objekt- und Referenzbild sind. Hierdurch kann eine robust Bildregistrierung unter verschiedensten Umgebungsbedingungen und bei unterschiedlichem Terrain erreicht werden.
Für die Bildregistrierung im Rahmen der absoluten Lokalisierung bei planetaren Landungen können Schatten als Merkmale verwendet werden. Verschiedene Methoden aus verschiedenen Bereichen können verknüpft werden. Insbesondere können die Verarbeitungsschritte zur Generierung und Verarbeitung von binären Schattenkarten verknüpft werden.
Zur genaueren Information über die Merkmale der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik” verwiesen. Die Lehre dieser Veröffentlichung ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieser Veröffentlichung sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Insbesondere wird zur genaueren Information über das Verfahren auf Kapitel 3 sowie die Unterkapitel 3.1 bis 3.8 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik" verwiesen. Die Lehre dieser Kapitel ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieser Kapitel sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Insbesondere wird zur genaueren Information über das Verfahren auf Kapitel 3.8 sowie Bild 18 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik" verwiesen. Die Lehre dieses Kapitels ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieses Kapitels sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Insbesondere wird zur genaueren Information über eine Beschreibung der schatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale auf Kapitel 3.3 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik" verwiesen. Die Lehre dieses Kapitels ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieses Kapitels sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Insbesondere wird zur genaueren Information über eine Registrierung der schatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale auf Kapitel 3.4 sowie die Unterkapitel 3.4.1 und 3.4.2 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik" verwiesen. Die Lehre dieser Kapitel ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieser Kapitel sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Insbesondere wird zur genaueren Information über die Robustheit des Verfahrens, die erhöhte Geschwindigkeit des Verfahrens und den minimierten Speicherbedarf auf die Kapitel 5.4, 5.5 und 5.6 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik" verwiesen. Die Lehre dieser Kapitel ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieser Kapitel sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Insbesondere wird zur genaueren Information über die Vorteile des Verfahrens auf Kapitel 6 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik" verwiesen. Die Lehre dieses Kapitels ist als Bestandteil des vorliegenden Dokuments anzusehen. Merkmale dieses Kapitels sind Merkmale des vorliegenden Dokuments.
Mit „kann” sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
Mit der Erfindung wird eine präzise, absolute, autonome Lokalisierung der Landeeinrichtung während eines Landeanflugs ermöglicht. Es wird ein Verfahren bereitgestellt, das keine gesonderte Navigationsinfrastruktur, wie Satellitennavigationssystem, erfordert. Es wird ein Verfahren bereitgestellt, das keine bekannten und eingemessenen Landmarken auf einer Landefläche erfordert. Eine Abhängigkeit von Aufnahmebedingungen bei einer Erstellung von Vergleichsabbildern wird vermieden. Eine Robustheit gegen Unterschiede zwischen Vergleichsabbildern bei einer Korrelation von Vergleichsmerkmalen wird erhöht. Eine Korrelation von Vergleichsmerkmalen wird erleichtert werden. Eine Robustheit gegen falsch zugeordnete Vergleichsmerkmale wird erhöht. Eine Berechnungszeit wird reduziert. Ein Speicherbedarf wird reduziert. Es wird eine Anwendung des Verfahrens bei verschiedenen Arten von Landeflächen ermöglicht. Es wird eine Anwendung des Verfahrens bei Landeflächen mit dynamischer Topografie verbessert bzw. ermöglicht.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:
1 ein Konzept für eine monokulare sichtbasierte Navigation zur robusten Lokalisation einer Landeeinrichtung während einer Landung,
2 eine Erzeugung einer binären Schattenkarte aus einer Repräsentation einer Landfläche und
3 ein Diagramm zu einer Korrelation binäre Schattenkarten zum Bestimmen einer aktuellen Position einer Landeeinrichtung.
1 zeigt ein Konzept für eine monokulare sichtbasierte Navigation zur robusten Lokalisation einer Landeeinrichtung während einer Landung. Die Landeeinrichtung ist eine Raumsonde und dient zum Landen auf einem Himmelskörper, wie Planet, Zwergplanet, Kleinkörper oder Mond, um diesen zu erforschen. Die Landeeinrichtung weist eine Energieversorgungseinrichtung, eine Navigationseinrichtung und eine Kameraeinrichtung mit einer monokularen realen Kamera 100 auf.
Während der Landung, insbesondere während einer finalen Landephase, werden ein erstes Vergleichsabbild 102 mit ersten Vergleichsmerkmalen x₁, x₂, x₃, das einer ersten Position einer Landetrajektorie der Landeeinrichtung zugeordnet ist, und ein zweites Vergleichsabbild 104 mit zweiten Vergleichsmerkmalen x₁', x₂', x₃', das einer von der selben ersten Position evtl. fehlerbehafteten zweiten Position der Landetrajektorie zugeordnet ist, miteinander korreliert, um eine Beziehung zwischen 2D-Koordinaten der zweiten Vergleichsmerkmale x₁', x₂', x₃' des zweiten Vergleichsabbilds 104 und korrespondierenden 3D-Koordinaten X₁, X₂, X₃ einer Landefläche 106 zu ermitteln. Mit wenigstens drei Korrelationen kann eine aktuelle Position der Kamera 100 und somit auch der Landeeinrichtung, an der die Kamera 100 angeordnet ist, geschätzt werden.
Das erste Vergleichsabbild 102 mit den ersten Vergleichsmerkmalen x₁, x₂, x₃ wird mithilfe eines Computers und einer Simulationssoftware erzeugt. Basierend auf einem digitalen Reliefmodell der Landefläche werden Repräsentationen der Landefläche unter Berücksichtigung einer simulierten Landetrajektorie und einer simulierten Sonnenposition aus einem Blickwinkel einer simulierten Kamera 108 erzeugt. Aus diesen Repräsentationen werden erste Vergleichsabbilder, wie 102, mit ersten Vergleichsmerkmalen x₁, x₂, x₃ als Schattenkarten erzeugt und in der Landeeinrichtung gespeichert. Das zweite Vergleichsabbild 104 mit den zweiten Vergleichsmerkmalen x₁', x₂', x₃' wird während der Landung, insbesondere während einer finalen Landephase, mithilfe der realen Kamera 100 aufgenommen. Als Vergleichsabbilder 102, 104 dienen binäre Schattenkarten, als Vergleichsmerkmale x₁, x₂, x₃, x₁', x₂', x₃' dienen Schlagschatteninformationen.
2 zeigt eine Erzeugung einer binären Schattenkarte 200 aus einer Repräsentation 202 einer Landefläche. Die Repräsentation 202 wird mithilfe eines Computers und einer Simulationssoftware oder mithilfe einer realen Kamera erzeugt. Die Landefläche weist ein Relief, vorliegend mit Kratern, wie 204, auf und ist von der Sonne angestrahlt, sodass Schlagschatten, wie 206, vorhanden sind. Die Schlagschatten 206 dienen als Vergleichsmerkmale. Um aus der Repräsentation 202 die binäre Schattenkarte 200 zu erzeugen, wird die Repräsentation 202 zunächst in Schlagschatteninformation, wie 208, und Hintergrundinformation segmentiert. Dies erfolgt schwellwertbasiert oder mithilfe einer Clusteranalyse. Nachfolgend werden Vergleichsmerkmale extrahiert und beschrieben. Dabei werden bevorzugt Vergleichsmerkmale extrahiert, die eine hohe Entdeckungswahrscheinlichkeit bei einer Korrelation aufweisen. Die Schlagschatteninformationen 208 können auf Ihre jeweiligen Schwerpunkte reduziert werden. Als Vergleichsmerkmal kann die Nachbarschaft, d. h. die Anordnung der benachbarten Schattenschwerpunkte dienen. Die Nachbarschaft kann auf ein Grid projiziert werden. Jede Nachbarschaft kann auf mehrere Grids mit verschiedener Auflösung projiziert werden. Die Grids können in einer Pyramidenstruktur gespeichert werden. Dies kann die Robustheit des Vergleichs und die Geschwindigkeit des Vergleichs der Schattenmerkmale erhöhen. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
3 zeigt ein Diagramm 300 zu einer Korrelation binäre Schattenkarten zum Bestimmen einer aktuellen Position einer Landeeinrichtung.
Das Verfahren ist in ein erstes Teilverfahren 302, das vor einer Landung durchgeführt wird, und ein zweites Teilverfahren 304, das während einer Landung durchgeführt wird, unterteilt. Das erste Teilverfahren 302 wird vor einem Start der Landeeinrichtung auf der Erde durchgeführt. Das zweite Teilverfahren 304 wird erdfern während einer Landung auf einem Himmelskörper durchgeführt. Das zweite Teilverfahren kann auch während eines Überflugs des Himmelskörpers durchgeführt werden.
In dem ersten Teilverfahren 302 werden basierend auf einem digitalen Reliefmodell 306 einer Landefläche, unter Berücksichtigung einer simulierten Landetrajektorie 308 und unter Berücksichtigung einer simulierten Sonnenposition 310 erste Repräsentationen 312 der Landefläche erzeugt. Aus den ersten Repräsentationen 312 werden in einem folgenden Schritt 314 erste binäre Schattenkarten 316 zur späteren Verwendung in dem zweiten Teilverfahren 304 erzeugt.
In dem zweiten Teilverfahren 304 werden mithilfe einer Kamera 318 zweite Repräsentationen 320 der Landefläche erzeugt. Aus den zweiten Repräsentationen 320 werden in einem folgenden Schritt 322 zweite binäre Schattenkarten 324 erzeugt. Aus den ersten binären Schattenkarten 316 werden in einem folgenden Schritt 330 erste schlagschattenbasierte Vergleichsmerkmale 328 extrahiert und beschrieben. Aus den zweiten binären Schattenkarten 324 werden in einem folgenden Schritt 326 zweite schlagschattenbasierte Vergleichsmerkmale 332 extrahiert und beschrieben.
Nachfolgend erfolgt eine Korrelation 334 der ersten schlagschattenbasierten Vergleichsmerkmale 328 und der zweiten schlagschattenbasierten Vergleichsmerkmale 332 korreliert, um eine aktuelle Position 336 der Landeeinrichtung zu bestimmen.
Mithilfe einer Navigationseinrichtung 338 kann eine Position und Fluglage 340 bestimmt werden. Die Navigationseinrichtung 338 weist einen laserbasierten Höhenmesser 342 auf. Informationen über die Position und/oder Fluglage 340 und/oder Informationen des Höhenmessers 342 werden zur Abschätzung einer Verlässlichkeit der bestimmten aktuellen Position 336 verwendet. Es folgt eine korrigierte absolute Positionsschätzung mit Fehlerabschätzung 344. Die Positionsschätzung mit Fehlerabschätzung 344 steht der Navigationseinrichtung 338 zur Verfügung.
Das Diagramm 300 zeigt eine Eingabephase 346, eine Phase 348, in der eine Korrelation binärer Schatten erfolgt, eine Positionsabschätzungsphase 350 und eine Ausgabephase 352. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und 2 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Bezugszeichenliste

100: reale Kamera
102: erstes Vergleichsabbild
104: zweites Vergleichsabbild
106: Landefläche
108: simulierte Kamera
200: binäre Schattenkarte
202: Repräsentation einer Landefläche
204: Krater
206: Schlagschatten
208: Schlagschatteninformation
300: Diagramm
302: erstes Teilverfahren
304: zweites Teilverfahren
306: digitales Reliefmodell
308: simulierte Landetrajektorie
310: simulierte Sonnenposition
312: erste Repräsentationen
314: Schritt
316: erste binäre Schattenkarten
318: Kamera
320: zweite Repräsentationen
322: Schritt
324: zweite binäre Schattenkarten
326: Schritt
328: erste schlagschattenbasierte Vergleichsmerkmale
330: Schritt
332: zweite schlagschattenbasierte Vergleichsmerkmale
334: Korrelation
336: aktuelle Position
338: Navigationseinrichtung
340: letzte Schätzung der Position und Fluglage
342: laserbasierter Höhenmesser
344: geschätzte Position mit geschätztem Fehler
346: Eingabephase
348: Phase
350: Positionsabschätzungsphase
352: Ausgabephase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6167144 A [0002, 0002]
US 7967255 B2 [0003, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. A. Brivio, A. Della Ventura, A. Rampini, and R. Schettini. Automatic selection of control-points from shadow structures. International Journal of Remote Sensing, 13(10): 1853–1860, 1992. [0004]
Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik [0025]
Kapitel 3 sowie die Unterkapitel 3.1 bis 3.8 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik” [0026]
Kapitel 3.8 sowie Bild 18 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik” [0027]
Kapitel 3.3 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik” [0028]
Kapitel 3.4 sowie die Unterkapitel 3.4.1 und 3.4.2 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik” [0029]
Kapitel 5.4, 5.5 und 5.6 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik” [0030]
Kapitel 6 der Veröffentlichung „Kaufmann, Hannah (2014): Shadow-based matching for robust absolute localization during lunar landings, Master thesis, Technische Universität Berlin, Fakultät VI Planen Bauen Umwelt, Institut für Geodäsie und Geoinformationstechnik” [0031]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer aktuellen Position einer Landeeinrichtung während eines autonomen Landeanflugs mithilfe wenigstens einer ersten Repräsentation (202, 312) zumindest eines Ausschnitts einer Landefläche (106) und wenigstens einer zweiten Repräsentation (202, 320) zumindest eines Ausschnitts der Landefläche (106), dadurch gekennzeichnet, dass aus der wenigstens einen ersten Repräsentation (202, 312) wenigstens ein erstes Vergleichsabbild (102) mit wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmalen (328) und aus der wenigstens einen zweiten Repräsentation (202, 320) wenigstens ein zweites Vergleichsabbild (104) mit wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmalen (332) erzeugt werden, die wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmale (328) und die wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmale (332) korreliert werden und die wenigstens drei ersten Vergleichsmerkmale (328) und die wenigstens drei zweiten Vergleichsmerkmale (332) auf Schlagschatteninformationen (208) der Landefläche (106) basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Repräsentation (202, 312) vor dem Landeanflug (302) und die wenigstens eine zweite Repräsentation (202, 320) während des Landeanflugs (304) oder während eines Überflugs erzeugt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Repräsentation (202, 312) mithilfe einer Recheneinrichtung basierend auf einem digitalen Reliefmodell (306) der Landefläche (106) unter Berücksichtigung einer simulierten Landetrajektorie (308) und einer simulierten Sonnenposition (310) in Bezug auf die modellierte Landefläche erzeugt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Repräsentation (202, 320) mithilfe einer realen Kameraeinrichtung (100, 318) der Landeeinrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens eines erstes Vergleichsabbild (102) eine erste binäre Schattenkarte (200, 316) und als wenigstens eines zweites Vergleichsabbild (104) eine zweite binäre Schattenkarte (200, 324) erzeugt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der wenigstens drei ersten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale (328) und/oder jedes der wenigstens drei zweiten schlagschatteninformationsbasierten Vergleichsmerkmale (332) vor einer Korrelation (334) bezüglich seines geometrischen Schwerpunkts reduziert und mithilfe seiner Umgebung beschrieben wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Position (344) der Landeeinrichtung mithilfe eines Korrelationsergebnisses von wenigstens drei Vergleichsmerkmalen bestimmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler der bestimmten aktuellen Position der Landeeinrichtung abgeschätzt wird (344).
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bestimmen einer aktuellen Position und/oder ein Abschätzen eines Fehlers der bestimmten aktuellen Position der Landeeinrichtung mithilfe einer Distanzinformation (342) und einer verfügbaren Positionsinformation (340) durchgeführt wird.