地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星跟蹤方法
2023-05-05 07:19:56 1
地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星跟蹤方法
【專利摘要】地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星穩定跟蹤方法屬於利用圖像處理技術的目標衛星跟蹤方法領域，該跟蹤方法通過增加目標衛星的識別方法，從而可以隨時監控和判斷跟蹤窗口中的所有光斑，進而有效篩選和識別出目標衛星，排除幹擾源，確保地基光測設備能夠始終唯一的跟蹤目標衛星。該方法快速、準確、簡單、可靠，具有推廣應用的潛在價值。
【專利說明】地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星跟蹤方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於利用圖像處理技術的目標衛星跟蹤方法領域，具體涉及一種地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星穩定跟蹤方法。
【背景技術】
[0002]地球軌道被大量衛星環繞，為了掌握各個衛星在空間的運行軌道以及對各個衛星空間位置精確定位，地面大量光學測量設備對衛星進行實時跟蹤監測，不斷更新衛星空間位置，及時修正衛星軌道數據。
[0003]傳統的地基光測設備衛星跟蹤方法通常都採用邊緣檢測法、重心法等圖像處理技術。例如，利用邊緣檢測法對地基光測望遠鏡所跟蹤拍攝到的目標衛星照片進行邊緣檢測，將照片處理為灰度圖像，同時取得目標衛星在跟蹤窗口中的像素坐標值。目標衛星在跟蹤窗口中呈現為一個單一的白色光斑，而沒有任何幹擾目標的深空背景呈現為單一的灰色。
[0004]目標衛星在跟蹤窗口中的像素坐標值與跟蹤窗口自身的中心點像素坐標之間的矢量差通常稱為目標衛星的脫靶量。光測設備將以脫靶量為依據驅動跟蹤窗口向消除脫靶量的方向移動，以此實現對衛星標靶的連續可靠的追蹤。
[0005]然而，隨著光測設備探測能力不斷提升，其所能探測到空間目標越來越多，宇宙的深空背景中不同亮度的恆星可能突然進入並穿過跟蹤窗口，成為目標幹擾源。
[0006]除目標衛星以外，還存在一個目標幹擾源。幹擾源是深空背景中的恆星在灰度圖像中產生的光斑。在包含有幹擾源的灰度圖像中，幹擾源同樣呈現為白色光斑，傳統的圖像處理方法無法對其二者進行有效識別，由於目標幹擾源的能量經常超過目標衛星的能量，因此利用傳統的圖像處理技術跟蹤衛星，容易出現跟蹤能量更高的恆星的現象，導致目標衛星跟丟，跟蹤任務失敗。
【發明內容】
[0007]為了解決重心、邊緣檢測等常規圖像處理算法在處理地基光測設備衛星跟蹤任務時，當深空背景中的恆星作為幹擾源進入並穿過跟蹤窗口時，在包含有幹擾源的灰度圖像中，幹擾源和目標衛星均呈現為白色光斑，傳統的圖像處理方法無法對其二者進行有效識另IJ，可能造成跟蹤窗口轉而跟蹤能量更高的恆星，導致目標衛星跟丟，跟蹤任務失敗的技術問題，本發明提供一種地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星跟蹤方法。
[0008]本發明解決技術問題所採取的技術方案如下:
[0009]地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星跟蹤方法包括以下步驟:
[0010]步驟一:採集圖像，利用常規的衛星跟蹤方法計算每一幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的脫靶量；
[0011]步驟二:求取步驟一所述灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值作為目標衛星光斑能量值的亮度參考量，其具體包含如下子步驟:
[0012]步驟2.1:計算求取步驟一所述最新的六幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值Εη，(η=0，1……5)，其中，最新的當前幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值計作Etl,當前幀之前的連續五幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值分別計作E1, E2, E3, E4和E5 ；
[0013]步驟2.2:計算步驟2.1所述E1, E2, E3, E4和E5的平均值Eto ；
[0014]步驟2.3:利用公式Diffis = IEiptt-EciI計算當前幀灰度值與當前幀之前的連續五幀的平均值E平均之間的差值Diffis ；
[0015]步驟三:求取步驟一所述灰度圖像的灰度值總和，作為跟蹤窗口中能量總和的亮度參考量，其具體包含如下子步驟:
[0016]步驟3.1:分別通過計算求出步驟一所述最新六幀灰度圖像各自的跟蹤窗口總灰度值Gn，(n=0,1……5)，其中，最新的當前幀跟蹤窗口灰度圖像的灰度值總和計作Gtl,當前幀之前的連續五幀跟蹤窗口灰度圖像各自的灰度值總和分別計作G1, G2, G3, G4和G5:
[0017]步驟3.2:計算步驟3.1所述G1, G2, G3, G4和G5的平均值Gto ；
[0018]步驟3.3:利用公式Diffem = | Giftt-Gci I計算當前幀灰度值與當前幀之前的連續五幀的平均值之間的差值DifTs口的絕對值；
[0019]步驟四:判定當前幀灰度圖像中是否存在幹擾源:
[0020]根據步驟一所採用的邊緣檢測算法對圖像灰度值的解析度，分別給出兩個誤差容錯閾值T1和T2,並對邏 輯式Diff IS< T^Diff *p< T2進行邏輯計算，若邏輯式結果的值為真，則順序執行步驟五；若邏輯式結果的值為假，則跳過步驟五直接執行步驟六；
[0021]步驟五:按照步驟一所述的脫靶量的矢量負值作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1並按照順延的方式更新歷史數據，然後進入步驟七；
[0022]步驟六:按照衛星跟蹤軌跡預測法計算下一幀的衛星軌跡矢量，其具體包括如下子步驟:
[0023]步驟6.1:調取當前幀之前的十四幀包含脫靶量的各連續衛星像素坐標歷史數據，將這十四個衛星在像素坐標系中絕對位置的坐標點作為預測基準點，以便通過直線方程計算得出目標衛星的預測軌跡；
[0024]步驟6.2:採用最小二乘直線擬合法對步驟6.1所述的十四個連續的衛星像素坐標預測基準點運算處理，得出一條近似的衛星軌跡直線方程M ;同時得到衛星沿該方程的運動矢量方向K ；
[0025]步驟6.3:將步驟6.1所述各幀之間的時間間隔計作M步長，作為衛星運動矢量在時間橫軸t上的移動步長預測值；
[0026]步驟6.4:分別將步驟6.3所述M步長以步驟6.2所述矢量方向K代入衛星軌跡直線方程M，即可得出衛星的預測幀坐標值；
[0027]再將最後一幀衛星照片中的衛星坐標和各幀之間的步長分別代入直線軌跡方程，即可計算得出衛星在下一幀灰度圖像中的預測坐標點位置；
[0028]步驟6.5:以步驟6.1所述當前幀的上一幀衛星在像素坐標系中絕對坐標點為起點，並以步驟6.4所述的衛星的預測幀坐標值為終點，求解出一個步長Miwi下的衛星預測位置矢量A ；
[0029]步驟6.6:以步驟6.5所述衛星預測位置矢量A作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1並按照順延的方式更新歷史數據，然後進入步驟五；[0030]步驟七:以步驟五或步驟六所給出的跟蹤窗口的位移量驅動跟蹤窗口，改變其瞄準方位；
[0031]步驟八:重新返回步驟一，循環執行步驟一至步驟七的衛星跟蹤過程。
[0032]本發明的有益效果是:該跟蹤方法通過增加目標衛星的識別方法，從而可以隨時監控和判斷跟蹤窗口中的所有光斑，進而有效篩選和識別出目標衛星，排除幹擾源，確保地基光測設備能夠始終唯一的跟蹤目標衛星。該方法快速、準確、簡單、可靠，具有推廣應用的潛在價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是本發明一種地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星穩定跟蹤方法的總體流程圖；
[0034]圖2是本發明中步驟六的子流程圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0036]如圖1至圖2所示，本發明的地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星跟蹤方法包括如下步驟:
[0037]步驟一:採集圖 像，利用常規的衛星跟蹤方法計算每一幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的脫靶量，並將該脫靶量的矢量負值作為跟蹤窗口對目標衛星進行下一幀跟蹤拍攝前調整方向的依據。
[0038]步驟二:求取步驟一所述灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值作為目標衛星光斑能量值的亮度參考量，其具體包含如下子步驟:
[0039]步驟2.1:計算求取步驟一所述最新的六幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值Εη，(η=0，1……5)，其中，光斑的中心點通常採用重心算法或者形心算法計算，同時將最新的當前幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值計作Etl,當前幀之前的連續五幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值分別計作E1, E2, E3, E4和E5。
[0040]步驟2.2:計算步驟2.1所述E1, E2, E3, E4和E5的平均值ETO。
[0041]步驟2.3:利用公式Diffis = IEiptt-EciI計算當前幀灰度值與當前幀之前的連續五幀的平均值Eto之間的差值Diff衛星。
[0042]步驟三:求取步驟一所述灰度圖像的灰度值總和，作為跟蹤窗口中能量總和的亮度參考量，其具體包含如下子步驟:
[0043]步驟3.1:分別通過計算求出步驟一所述最新六幀灰度圖像各自的跟蹤窗口總灰度值Gn，(n=0,1……5)，其中，最新的當前幀跟蹤窗口灰度圖像的灰度值總和計作Gtl,當前幀之前的連續五幀跟蹤窗口灰度圖像各自的灰度值總和分別計作G1, G2, G3, G4和G5:
[0044]步驟3.2:計算步驟3.1所述G1, G2, G3, G4和G5的平均值Gto。
[0045]步驟3.3:利用公式Diffem = | Giftt-Gci I計算當前幀灰度值與當前幀之前的連續五幀的平均值之間的差值DifTs口的絕對值。
[0046]步驟四:判定當前幀灰度圖像中是否存在幹擾源:
[0047]根據步驟一所採用的邊緣檢測算法對圖像灰度值的解析度，分別給出兩個誤差容錯閾值T1和T2，並對邏輯式Diff M< T^Diff *p< T2進行邏輯計算，若邏輯式結果的值為真，則順序執行步驟五。若邏輯式結果的值為假，則跳過步驟五直接執行步驟六。
[0048]步驟五:判定結果表示跟蹤窗口中僅存在目標衛星，並不存在幹擾源，按照步驟一所述的脫靶量的矢量負值作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1並按照順延的方式更新歷史數據，然後進入步驟七。
[0049]步驟六:判定結果表示跟蹤窗口中除了目標衛星以外，還同時存在其他幹擾源，按照衛星跟蹤軌跡預測法計算下一幀的衛星軌跡矢量，其具體包括如下子步驟:
[0050]步驟6.1:調取當前幀之前的十四幀包含脫靶量的各連續衛星像素坐標歷史數據，將這十四個衛星在像素坐標系中絕對位置的坐標點作為預測基準點，以便通過直線方程計算得出目標衛星的預測軌跡。
[0051]步驟6.2:採用最小二乘直線擬合法對步驟6.1所述的十四個連續的衛星像素坐標預測基準點運算處理，得出一條近似的衛星軌跡直線方程Μ。同時得到衛星沿該方程的運動矢量方向K。
[0052]步驟6.3:將步驟6.1所述各幀之間的時間間隔計作M步長，作為衛星運動矢量在時間橫軸t上的移動步長預測值。
[0053]步驟6.4:分別將步驟6.3所述M步長以步驟6.2所述矢量方向K代入衛星軌跡直線方程M，即可得出衛星的預測幀坐標值。
[0054]再將最後一幀衛星照片中的衛星坐標和各幀之間的步長分別代入直線軌跡方程，即可計 算得出衛星在下一幀灰度圖像中的預測坐標點位置。
[0055]步驟6.5:以步驟6.1所述當前幀的上一幀衛星在像素坐標系中絕對坐標點為起點，並以步驟6.4所述的衛星的預測幀坐標值為終點，求解出一個步長Miwi下的衛星預測位置矢量A0
[0056]步驟6.6:以步驟6.5所述衛星預測位置矢量A作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1並按照順延的方式更新歷史數據，然後進入步驟五。
[0057]步驟七:以步驟五或步驟六所給出的跟蹤窗口的位移量驅動跟蹤窗口，改變其瞄準方位。
[0058]步驟八:重新返回步驟一，循環執行步驟一至步驟七的衛星跟蹤過程。
[0059]該跟蹤方法通過增加目標衛星的識別方法，從而可以隨時監控和判斷跟蹤窗口中的所有光斑，進而有效篩選和識別出目標衛星，排除幹擾源，確保地基光測設備能夠始終唯一的跟蹤目標衛星。該方法快速、準確、簡單、可靠，具有推廣應用的潛在價值。
【權利要求】
1.地基光測設備克服恆星穿越探測窗口乾擾的衛星跟蹤方法，其特徵在於， 該方法包括如下步驟: 步驟一:採集圖像，利用常規的衛星跟蹤方法計算每一幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的脫靶量； 步驟二:求取步驟一所述灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值作為目標衛星光斑能量值的亮度參考量，其具體包含如下子步驟: 步驟2.1:計算求取步驟一所述最新的六幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值En, (n=0,1......5),其中,最新的當前幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值計作Etl,當前幀之前的連續五幀灰度圖像中目標衛星所形成的光斑中心的灰度值分別計作 E1, E2, E3, E4 和 E5 ； 步驟2.2:計算步驟2.1所述E1, E2, E3, E4和E5的平均值Eto ； 步驟2.3:利用公式Diffis= I Eiftt-Eci I計算當前幀灰度值與當前幀之前的連續五幀的平均值E平均之間的差值Diffis ； 步驟三:求取步驟一所述灰度圖像的灰度值總和，作為跟蹤窗口中能量總和的亮度參考量，其具體包含如下子步驟: 步驟3.1:分別通過計算求出步驟一所述最新六幀灰度圖像各自的跟蹤窗口總灰度值Gn，( n=0，I……5 )，其中，最新的當前幀跟蹤窗口灰度圖像的灰度值總和計作Gtl，當前幀之前的連續五幀跟蹤窗口灰度圖像各自的灰度值總和分別計作G1, G2, G3, G4和G5: 步驟3.2:計算步驟3.1所述G1, G2, G3, G4和G5的平均值Gto ； 步驟3.3:利用公式Diffem = | Giftt-Gci I計算當前幀灰度值與當前幀之前的連續五幀的平均值G平均之間的差值Di f f s 口的絕對值； 步驟四:判定當前幀灰度圖像中是否存在幹擾源: 根據步驟一所採用的邊緣檢測算法對圖像灰度值的解析度，分別給出兩個誤差容錯閾值T1和T2,並對邏輯式Diff IS< T1&Diffep< T2進行邏輯計算，若邏輯式結果的值為真，則順序執行步驟五；若邏輯式結果的值為假，則跳過步驟五直接執行步驟六； 步驟五:按照步驟一所述的脫靶量的矢量負值作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1並按照順延的方式更新歷史數據，然後進入步驟七； 步驟六:按照衛星跟蹤軌跡預測法計算下一幀的衛星軌跡矢量，其具體包括如下子步驟: 步驟6.1:調取當前幀之前的十四幀包含脫靶量的各連續衛星像素坐標歷史數據，將這十四個衛星在像素坐標系中絕對位置的坐標點作為預測基準點，以便通過直線方程計算得出目標衛星的預測軌跡； 步驟6.2:採用最小二乘直線擬合法對步驟6.1所述的十四個連續的衛星像素坐標預測基準點運算處理，得出一條近似的衛星軌跡直線方程M ;同時得到衛星沿該方程的運動矢量方向K ； 步驟6.3:將步驟6.1所述各幀之間的時間間隔計作Miwi，作為衛星運動矢量在時間橫軸t上的移動步長預測值； 步驟6.4:分別將步驟6.3所述M以步驟6.2所述矢量方向K代入衛星軌跡直線方程M，即可得出衛星的預測 幀坐標值；再將最後一幀衛星照片中的衛星坐標和各幀之間的步長Miwi分別代入直線軌跡方程，即可計算得出衛星在下一幀灰度圖像中的預測坐標點位置； 步驟6.5:以步驟6.1所述當前幀的上一幀衛星在像素坐標系中絕對坐標點為起點，並以步驟6.4所述的衛星的預測幀坐標值為終點，求解出一個步長下的衛星預測位置矢量A ； 步驟6.6:以步驟6.5所述衛星預測位置矢量A作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1並按照順延的方式更新歷史數據，然後進入步驟五； 步驟七:以步驟五或步驟六所給出的跟蹤窗口的位移量驅動跟蹤窗口，改變其瞄準方位； 步驟八:重新返回步驟一，循環執行步驟一至步驟七的衛星跟蹤過程。
【文檔編號】B64G3/00GK103729644SQ201310671423
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】王明佳, 武治國, 王宇慶 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所