一種基于序列圖像的跟蹤精度反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天衛(wèi)星在軌實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于序列圖像的跟蹤精度 反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天領(lǐng)域中，對(duì)于衛(wèi)星在軌實(shí)時(shí)跟蹤領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)研究集中在跟蹤系統(tǒng)的基本原理、 結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及跟蹤過(guò)程，而對(duì)于跟蹤精度方向也主要集中在誤差產(chǎn)生原因、誤差在成像 鏈路各個(gè)環(huán)節(jié)的定量分析與計(jì)算及誤差補(bǔ)償系統(tǒng)的研究，而對(duì)于基于圖像進(jìn)行反演得到跟 蹤精度的定量計(jì)算研究較少，且這是近年來(lái)剛剛提出的方向，可以查閱的資料較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于序列圖像的跟蹤精度反演方法，使用所拍攝連續(xù) 的圖像序列，反演追蹤觀測(cè)衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的指向誤差，該方法能夠涵蓋懸停、接近和繞飛 三種情況。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -、基于現(xiàn)已知的觀測(cè)衛(wèi)星的軌/姿數(shù)據(jù)、目標(biāo)衛(wèi)星的軌/姿數(shù)據(jù)、連續(xù)的圖像序 列，采用坐標(biāo)變換方法求得選取目標(biāo)點(diǎn)的理想位置；
[0006] 二、基于同面特征點(diǎn)搜索獲取基礎(chǔ)變換矩陣方法獲取目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際位置；
[0007] 三、求得目標(biāo)點(diǎn)的理想位置和實(shí)際位置之差，結(jié)合給定相機(jī)參數(shù)，可得到以角度形 式表不的反演誤差。
[0008] 本發(fā)明可以較快速的反演出目標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的距離之差，并且誤差精度在可接受 的范圍之內(nèi)，為后續(xù)的整個(gè)衛(wèi)星鏈路的反演提供數(shù)據(jù)支撐，并為將來(lái)發(fā)射衛(wèi)星做一些先驗(yàn) 經(jīng)驗(yàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為坐標(biāo)系；
[0010] 圖2為焦平面像元在相機(jī)本體系下的坐標(biāo)；
[0011] 圖3為單幅圖像的處理過(guò)程；
[0012] 圖4為基于同面配準(zhǔn)特征點(diǎn)獲取基礎(chǔ)變換矩陣流程；
[0013] 圖5為SIFT算法獲取特征點(diǎn)過(guò)程；
[0014] 圖6為像平面上的角度表示方法。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本 發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0016] 本發(fā)明提供了一種基于序列圖像的跟蹤精度反演方法，具體包括以下內(nèi)容：
[0017] 1、問(wèn)題的提出和假設(shè)條件
[0018] 本問(wèn)題的提出在于：使用所拍攝連續(xù)的圖像序列，反演追蹤觀測(cè)衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星 的指向誤差，能夠涵蓋懸停、接近和繞飛二種情況。
[0019] 本問(wèn)題的前提包括：
[0020] 1)目標(biāo)衛(wèi)星為非合作目標(biāo)，其形貌和內(nèi)在參數(shù)均未知。
[0021] 2)目標(biāo)衛(wèi)星在觀測(cè)期間，其星載部件可能發(fā)生改變。
[0022] 3)可獲取的參數(shù)主要為拍攝的連續(xù)圖像序列，并有觀測(cè)衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)及 目標(biāo)衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0023] 2、指向誤差反演研究思路
[0024] 2. 1指向誤差反演分析
[0025] 懸停工況：懸停狀態(tài)包括無(wú)需主動(dòng)控制的同軌追蹤懸停以及需要主動(dòng)控制的正向 懸停和側(cè)向懸停。衛(wèi)星懸停狀態(tài)下，當(dāng)相對(duì)指向不發(fā)生改變時(shí)，如果目標(biāo)衛(wèi)星維持姿態(tài)不 變，則在觀測(cè)衛(wèi)星的視場(chǎng)中，目標(biāo)衛(wèi)星的圖像基本維持不變，僅受到定軌誤差的影響，發(fā)生 小幅的漂移。當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星的姿態(tài)改變或所載部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，在觀測(cè)衛(wèi)星的視場(chǎng)中，目標(biāo)衛(wèi)星的 成像形狀隨姿態(tài)的變化或部件運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變。
[0026] 接近工況：觀測(cè)衛(wèi)星向目標(biāo)衛(wèi)星接近的情況下，即使觀測(cè)衛(wèi)星視線始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo) 衛(wèi)星，由于觀測(cè)衛(wèi)星軌道與目標(biāo)衛(wèi)星的軌道角均變化，在觀測(cè)衛(wèi)星的視場(chǎng)中，目標(biāo)由小及 大，在圖中的位置和角度也隨之變化。當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星的姿態(tài)改變或所載部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，在觀測(cè)衛(wèi) 星的視場(chǎng)中，目標(biāo)衛(wèi)星的成像形狀隨姿態(tài)的變化或部件運(yùn)動(dòng)發(fā)生改變。
[0027] 繞飛工況：觀測(cè)衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星處于相近軌道，典型的周期型繞飛有橢圓繞飛、擺 型繞飛、空間圓繞飛等。在繞飛工況下，目標(biāo)衛(wèi)星在視場(chǎng)內(nèi)成像形狀隨繞飛的狀態(tài)發(fā)生改 變，當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星的姿態(tài)改變或所載部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，將進(jìn)一步增加成像形狀變化的復(fù)雜性。
[0028] 對(duì)象無(wú)論是懸停、接近或者繞飛工況下，目標(biāo)的成像形狀均可能發(fā)生變化，還存在 成像大小變化的耦合情況。由上述分析可知，在進(jìn)行指向誤差反演時(shí)，需考慮的是通用性算 法，同時(shí)涵蓋目標(biāo)在成像面上的縮放、三維旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
[0029] 2.2指向誤差反演思路
[0030] 基于現(xiàn)已知的觀測(cè)衛(wèi)星的軌/姿數(shù)據(jù)、目標(biāo)衛(wèi)星的軌/姿數(shù)據(jù)、連續(xù)的圖像序列， 擬采用坐標(biāo)變換方法求得選取目標(biāo)點(diǎn)的理想位置，再通過(guò)圖像匹配的方法找到目標(biāo)點(diǎn)的實(shí) 際位置，求得兩者之差（ΔΧ，ΔΥ)，結(jié)合給定相機(jī)參數(shù)，轉(zhuǎn)化成為角度誤差，當(dāng)圖像序列的每 一幅圖均獲取了該角度誤差后，則會(huì)形成指向誤差的變化序列。
[0031] 該問(wèn)題進(jìn)一步分解為三個(gè)問(wèn)題：
[0032] 1)目標(biāo)點(diǎn)如何選??？
[0033] 2)如何確定圖像中目標(biāo)點(diǎn)的理想位置？
[0034] 3)如何確定圖像中目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際位置？
[0035] 對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)的確定問(wèn)題，與觀測(cè)衛(wèi)星的指向?qū)?zhǔn)策略相關(guān)。理論上來(lái)說(shuō)，有幾種預(yù) 期目標(biāo)點(diǎn)：
[0036] 1)質(zhì)心點(diǎn)：目標(biāo)衛(wèi)星的質(zhì)心位置作為預(yù)期對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)具有最佳的唯一性和不變性，但 是由于目標(biāo)形貌、內(nèi)部參數(shù)等信息未知，因此質(zhì)心位置僅理論存在，但無(wú)法獲知。
[0037] 2)幾何中心：幾何中心對(duì)于無(wú)大部件移動(dòng)的對(duì)象而言，也具有較好的唯一性和不 變性，但建立和獲取幾何中心至少需要在前期對(duì)對(duì)象的外形形狀和尺寸開(kāi)展深入的分析， 以確定不同角度下的幾何中心位置，顯然本問(wèn)題中無(wú)達(dá)成該條件。
[0038] 3)某個(gè)典型形貌：基于典型形貌的對(duì)準(zhǔn)廣泛用于光學(xué)指向任務(wù)中，但其有兩個(gè)前 提，第一，典型形貌需要提前預(yù)知；第二典型形貌需要在始終存在于視場(chǎng)中；顯然對(duì)于本問(wèn) 題，該方法所需的前提均不成立，既沒(méi)有對(duì)象的外形，更不用提典型形貌，而且由于姿態(tài)改 變或繞飛使得觀測(cè)角度的變化，也不能保證典型形貌始終存在于視場(chǎng)中。
[0039] 4)光學(xué)中心：從工程實(shí)現(xiàn)角度來(lái)看，光學(xué)中心的可實(shí)現(xiàn)性最高，然而光學(xué)中心隨 成像的形狀改變而變化，不存在唯一性，不變性也較差，這對(duì)反演指向誤差是不利的。對(duì)于 紅外成像，由于目標(biāo)的細(xì)節(jié)難以準(zhǔn)確反映，除了光學(xué)中心外，也沒(méi)有更好的方法。
[0040] 對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)的確定，本發(fā)明給出的方法是在光學(xué)中心及其衍生中心為基礎(chǔ)下，發(fā) 展由人介入進(jìn)行標(biāo)記的方法。所述的光學(xué)衍生中心，包括如下幾種：
[0041] 1)目標(biāo)輪廓中心：即以目標(biāo)邊緣輪廓為像集的光學(xué)中心。
[0042] 2)目標(biāo)邊框中心：即以包括目標(biāo)邊緣的矩形框的幾何中心。
[0043] 3)有效配準(zhǔn)中心：即前幀圖像與當(dāng)幀圖像的有效配準(zhǔn)點(diǎn)為像集的光學(xué)中心。
[0044] 上述光學(xué)中心及其衍生中心均可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理獲得，但由于這類(lèi)中心不存在 物理意義，均無(wú)不變性，由此引入人介入進(jìn)行標(biāo)記。人的介入是必要也是有可實(shí)現(xiàn)性的，首 先，由于誤差反演是獲取圖像序列數(shù)據(jù)后的后處理，因此具備人處理的條件，人可以通過(guò)小 部件的認(rèn)知，主體的認(rèn)知對(duì)質(zhì)心點(diǎn)、幾何中心點(diǎn)或者是表面的特征部件進(jìn)行先期學(xué)習(xí)和基 本標(biāo)記。
[0045] 對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)在各幅圖像中的位置確定問(wèn)題，人難以做到的是對(duì)每幀圖像均進(jìn)行標(biāo) 記和分析，因此本發(fā)明的方法是人首先對(duì)序列圖像進(jìn)行按時(shí)序分組，對(duì)于每一組的首幀圖 像，選取目標(biāo)點(diǎn)，該目標(biāo)點(diǎn)可以任意選取，而該組的其他幀圖像，以第一幀為基準(zhǔn)，通過(guò)坐標(biāo) 變換確定第一幀的目標(biāo)點(diǎn)在后續(xù)各幀的位置，再找到目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際位置，以實(shí)現(xiàn)序列圖的 誤差反演。
[0046] 3、指向誤差反演算法
[0047] 3. 1基于坐標(biāo)變換方法確定目標(biāo)點(diǎn)的理論位置
[0048] 3. I. 1軌道要素：衛(wèi)星在空間軌道上的位置，可用6個(gè)參數(shù)描述。這些參數(shù)分別 為：
[0049] (1)升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω :軌道升交點(diǎn)與地球慣性坐標(biāo)系指向春分點(diǎn)軸的夾角。