一種基于紫外輻射模型的地心矢量方向提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星相對導(dǎo)航技術(shù)，具體涉及一種基于紫外輻射模型的快速高精度地 心矢量方向提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器的自主導(dǎo)航能力至關(guān)重要，其導(dǎo)航的抗干擾性能和高可靠性能是至關(guān)重要 的需求，地球紫外輻射特性在地球邊緣處具有極度穩(wěn)定的特征，并且不受到地貌和大氣的 影響，可觀測到明顯的臨邊特征，基于紫外輻射模型的自主導(dǎo)航方法具有可靠性高、精度高 等的特點(diǎn)。通過對地球紫外成像，提取地球的在像平面的地心坐標(biāo)和半徑，為后續(xù)的自主導(dǎo) 航提供基礎(chǔ)。
[0003] 地球的像平面地心坐標(biāo)和半徑的估計(jì)精度是影響自主導(dǎo)航精度的關(guān)鍵因素，由于 敏感器軌道高度的不同，視場的不同，以及不同時(shí)間上地球紫外輻射分布上的差異等因素， 如何對圖像進(jìn)行有效的信息處理以得到亞像素級的地心坐標(biāo)和半徑，解算出單位地心矢量 方向，是紫外敏感器自主導(dǎo)航中關(guān)鍵問題。
[0004] 國內(nèi)中紫外敏感器的應(yīng)用主要在探月工程中，嫦娥系列中利用月球的紫外敏感器 成像，通過對其大視場成像敏感器的環(huán)形8個(gè)不連續(xù)子視場得到的邊緣信息進(jìn)行有效整 合，得到200km軌道高度的月心矢量和導(dǎo)航信息，并且在此類敏感器基礎(chǔ)上，研究了相關(guān)的 算法以補(bǔ)償導(dǎo)航精度。
[0005] 針對地球軌道的敏感器研究集中在導(dǎo)航算法上，導(dǎo)航誤差取決于地心方向的測量 誤差，需要從地球紫外特性圖像中準(zhǔn)確地估計(jì)地心方向是需要研究的重點(diǎn)。目前形心確定 方法包括重心法和擬合法，采用重心法較多，并且這些算法并沒有考慮星載計(jì)算機(jī)的運(yùn)算 能力和內(nèi)部存儲(chǔ)能力，不適用于在軌實(shí)時(shí)運(yùn)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明基于地球完整一次成像的紫外導(dǎo)航敏感器為基礎(chǔ)，提出了一種基于梯度統(tǒng) 計(jì)的邊緣提取方法，在中低軌和高軌自主導(dǎo)航過程中通過最小二乘擬合算法解算出地心圓 盤中心，能夠得到亞像素級的地心位置精度估計(jì)。
[0007] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于紫外輻射模型的地心矢量方向 提取方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1 :通過紫外波段相機(jī)在軌道上采集地球圖像，得到地球的紫外譜段圖像，從 原始采集圖像、右圖像沿X方向和Y方向分別計(jì)算像素梯度值，對圖像進(jìn)行梯度圖計(jì)算，包 括Sobel算子梯度計(jì)算，并依照梯度值的排序選取邊緣候選點(diǎn)；
[0009] 步驟2 :對處理得到的梯度圖像的逐邊緣候選點(diǎn)進(jìn)行LBP統(tǒng)計(jì)量計(jì)算，并對邊緣候 選點(diǎn)梯度統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析，提取得到的符合地球紫外輻射特性的地球圓盤邊緣點(diǎn)；具體步 驟為：
[0010] S21、選擇5X5的鄰域尺寸計(jì)算步驟1中得到的4匕y)邊緣候選點(diǎn)幾何中所有像 素的梯度統(tǒng)計(jì)量特征，包括 10000000,01000000,00100000,00010000,00001000,00000100， 00000010,00000001 的八個(gè)單方向的特征量，以及 10001000,01000100,00100010， 00010001的連續(xù)性4個(gè)特征量；
[0011] S22、通過上述十二個(gè)特征量篩選Ge(x，y)得到圖像上的地球圓盤邊緣點(diǎn)。
[0012] 步驟3 :構(gòu)建基于地球圓盤橢球模型的誤差函數(shù)，將步驟2得到的邊緣點(diǎn)在探測器 坐標(biāo)系下的坐標(biāo)帶入函數(shù)，進(jìn)行最小二乘迭代擬合，求解得到亞像素級地心矢量；
[0013] 其中，所述亞像素級地心矢量通過以下步驟計(jì)算所得：
[0014] 當(dāng)軌道為地球靜止軌道時(shí)：
[0015] A.在地球靜止軌道上估計(jì)地心矢量時(shí)，由于軌道高度與地球半徑變化之間的比例 可以忽略，建立不考慮地球扁率的圓球模型的誤差函數(shù)，考慮紫外波段相機(jī)的三軸姿態(tài)分 別為：滾轉(zhuǎn)角Φ，偏航角為Φ，俯仰角Θ，誤差函數(shù)為：
[0017] 式中，i表示邊緣點(diǎn)的數(shù)量，取值范圍是[1，n]，x# y i是邊緣點(diǎn)在敏感器坐標(biāo)系 下的坐標(biāo)，X。與y。是地心在敏感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，z 實(shí)際焦距值，L表示地球半徑在 敏感器坐標(biāo)系的大小，上標(biāo)2表示算數(shù)平方，符號Σ表示求和；
[0018] 其中，系數(shù)A，B，C，D，E，F(xiàn)分別為：
[0025] 其中，k為視角半徑，計(jì)算公式為：
[0027] 式中，R是地球半徑，r是地心距，符號V表示算數(shù)開方，符號tan表示正切三角運(yùn) 算；
[0028] 當(dāng)軌道高度屬于中低地球軌道時(shí)：
[0029] B.在中低軌上，建立考慮地球扁率的橢球模型的誤差函數(shù)，建立誤差函數(shù)五廣為：
[0030] 范圍是[1，n]，x# y ;是邊緣點(diǎn)在敏感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，X。與y。是地心在敏感 器坐標(biāo)系下
[0031] 式中，i表示邊緣點(diǎn)的數(shù)量，取值的坐標(biāo)，ZiS實(shí)際焦距值，Rf3表示地球半徑在敏感 器坐標(biāo)系的大小，上標(biāo)2表示算數(shù)平方，符號Σ表示求和；
[0032] 其中，系數(shù)A，B，C，D，E，F(xiàn)分別為：
[0039] 其中，61與e 2分別為地心慣性坐標(biāo)系下經(jīng)度方向扁率與煒度方向扁率，上標(biāo)2表 示算數(shù)平方，L的計(jì)算公式為：
[0041] 式中，Φ、Φ與Θ分別為敏感器坐標(biāo)系與軌道坐標(biāo)系間的三軸姿態(tài)角度的滾轉(zhuǎn) 角、偏航角與俯仰角，Ω、1與U分別為軌道坐標(biāo)系與地心慣性坐標(biāo)系間的升交點(diǎn)赤經(jīng)、軌道 傾角與真近點(diǎn)角，cos與sin分別表示三角余弦和正弦函數(shù)運(yùn)算，符號X表示算數(shù)乘積；
[0042] 將步驟3中得到的邊緣帶入誤差函數(shù)<或者if，采用最小二乘擬合進(jìn)行迭代求 解，當(dāng)誤差函數(shù)最小收斂的閾值取2. 2204X 10 16,當(dāng)不高于此閾值時(shí)得到最優(yōu)解X。、y。與 艮，構(gòu)建地心矢量；
[0043] 地心單位矢量R的計(jì)算公式為：
[0045] 式中，x。、y。為解算得到的地心坐標(biāo)最優(yōu)解，f為敏感器焦距，符號X表示算數(shù)乘 積，符號V表示算數(shù)開方。
[0046] 地心距計(jì)算公式為：
[0048] 式中，R_th為地球半徑，Re為解算得到的像平面上地球半徑，IFOV為敏感器設(shè)計(jì) 的瞬時(shí)視場，符號sin表示正弦三角運(yùn)算，符號X表示算數(shù)乘積。
[0049] 其中，所述步驟1中Sobel算子梯度計(jì)算公式為：
[0051] 式中，G(x, y)表示圖像坐標(biāo)為（X，y)的像素的梯度值，Gx(x, y)表示該點(diǎn)的X方向 梯度分量，Gy (X，y)表示該點(diǎn)的Y方向梯度分量，X，y為圖像坐標(biāo)系下像素坐標(biāo)，符號V表示 算數(shù)開方。
[0052] 其中，所述步驟1中依照梯度值的排序選取邊緣候選點(diǎn)的具體步驟為：
[0053] 1)將梯度體上逐像素點(diǎn)的梯度特征值按照大小排列，取最大值的0. 75-0. 85倍為 閾值；
[0054] 2)通過以下公式計(jì)算候選邊緣點(diǎn)：
[0055] Ge (X，y)彡（0· 75 ~0· 85) X Gniax (X，y)
[0056] 式中，Gmax(X，y)為梯度圖最大值，Ge(X，y)為步驟1篩選得到的候選邊緣點(diǎn)集合， 符號X表不乘積。
[0057] 其中，所述步驟2中的梯度統(tǒng)計(jì)量LBP的計(jì)算公式為：
[0059] 式中，
gp為鄰域像素灰度值，g。為中心像素灰度值，（X。，y。）為 中心像素坐標(biāo)，P為模板采樣數(shù)，R為模板像素半徑，gl為兩像素灰度值的差值，符號Σ表 示求和，R取值為5個(gè)像素。
[0060] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0061] 在中低軌和高軌自主導(dǎo)航過程中通過最小二乘擬合算法解算出地心圓盤中心，能 夠得到亞像素級的地心位置精度估計(jì)。
【附圖說明】
[0062]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種基于紫外輻射模型的快速高精度地心矢量方向提取方 法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0063] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0064] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于紫外輻射模型的快速高精度地心矢量 方向提取方法，包括如下步驟：
[0065]步驟 1 :
[0066] 紫外波段相機(jī)在軌道上采集地球圖像，得到地球的紫外譜段圖像，從原始采集圖 像、右圖像沿X方向和Y方向分別計(jì)算像素梯度值，對圖像進(jìn)行梯度圖計(jì)算，包括Sobel算 子梯度計(jì)算，計(jì)算公式為：
[0068] 其中，G(x, y)表示圖像坐標(biāo)為（X，y)的像素的梯度值，Gx(x, y)表示該點(diǎn)的X方向 梯度分量，Gy (X，y)表示該點(diǎn)的Y方向梯度分量，X，y為圖像坐標(biāo)系下像素坐標(biāo)，符號V表示 算數(shù)開方。
[0069] 將梯度體上逐像素點(diǎn)的梯度特征值按照大小排列，取最大值的0. 75-0. 85倍為閾 值，候選邊緣點(diǎn)計(jì)算方法為：
[0070] Ge (X，y)彡（0· 75 ~0· 85) X Gniax (X，y)
[0071] 其中，Gniax(X，y)為梯度圖最大值，Ge(X，y)為步驟1篩選得到的候選邊緣點(diǎn)集合， 符號X表不乘積。
[0072] 舉例說明如表1 :
[0074] 步驟2 :對原始圖像的梯度圖上提取的候選特征點(diǎn)進(jìn)行梯度統(tǒng)計(jì)量計(jì)算，LBP的計(jì) 算公式為：
[0076] 其中：
gp為鄰域像素灰度值，g。為中心像素灰度值，（X。，y。）為 中心像素坐標(biāo)，P為模板采樣數(shù)，R為模板像素半徑，gl為兩像素灰度值的差值，符號Σ表 示求和，R取值為5個(gè)像素。
[0077] 步