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)星在軌實時跟蹤技術(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，對于衛(wèi)星在軌實時跟蹤領(lǐng)域，國內(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)及跟蹤過程，而對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 鏈路各個環(huán)節(jié)的定量分析與計算及誤差補償系統(tǒng)的研究，而對于基于圖像進行反演得到跟 蹤精度的定量計算研究較少，且這是近年來剛剛提出的方向，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，反演追蹤觀測衛(wèi)星對目標(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)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0005] -、基于現(xiàn)已知的觀測衛(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)點的理想位置；
[0006] 二、基于同面特征點搜索獲取基礎(chǔ)變換矩陣方法獲取目標(biāo)點的實際位置；
[0007] 三、求得目標(biāo)點的理想位置和實際位置之差，結(jié)合給定相機參數(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)點與實際點的距離之差，并且誤差精度在可接受 的范圍之內(nèi)，為后續(xù)的整個衛(wèi)星鏈路的反演提供數(shù)據(jù)支撐，并為將來發(fā)射衛(wèi)星做一些先驗 經(jīng)驗。
【附圖說明】
[0009] 圖1為坐標(biāo)系；
[0010] 圖2為焦平面像元在相機本體系下的坐標(biāo)；
[0011] 圖3為單幅圖像的處理過程；
[0012] 圖4為基于同面配準(zhǔn)特征點獲取基礎(chǔ)變換矩陣流程；
[0013] 圖5為SIFT算法獲取特征點過程；
[0014] 圖6為像平面上的角度表示方法。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進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、問題的提出和假設(shè)條件
[0018] 本問題的提出在于：使用所拍攝連續(xù)的圖像序列，反演追蹤觀測衛(wèi)星對目標(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)包括無需主動控制的同軌追蹤懸停以及需要主動控制的正向 懸停和側(cè)向懸停。衛(wèi)星懸停狀態(tài)下，當(dāng)相對指向不發(fā)生改變時，如果目標(biāo)衛(wèi)星維持姿態(tài)不 變，則在觀測衛(wèi)星的視場中，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)改變或所載部件運動時，在觀測衛(wèi)星的視場中，目標(biāo)衛(wèi)星的 成像形狀隨姿態(tài)的變化或部件運動發(fā)生改變。
[0026] 接近工況：觀測衛(wèi)星向目標(biāo)衛(wèi)星接近的情況下，即使觀測衛(wèi)星視線始終對準(zhǔn)目標(biāo) 衛(wèi)星，由于觀測衛(wèi)星軌道與目標(biāo)衛(wèi)星的軌道角均變化，在觀測衛(wèi)星的視場中，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)改變或所載部件運動時，在觀測衛(wèi) 星的視場中，目標(biāo)衛(wèi)星的成像形狀隨姿態(tài)的變化或部件運動發(fā)生改變。
[0027] 繞飛工況：觀測衛(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)改變或所載部件運動時，將進一步增加成像形狀變化的復(fù)雜性。
[0028] 對象無論是懸停、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，在進行指向誤差反演時，需考慮的是通用性算 法，同時涵蓋目標(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)點的理想位置，再通過圖像匹配的方法找到目標(biāo)點的實 際位置，求得兩者之差（ΔΧ，ΔΥ)，結(jié)合給定相機參數(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，則會形成指向誤差的變化序列。
[0031] 該問題進一步分解為三個問題：
[0032] 1)目標(biāo)點如何選??？
[0033] 2)如何確定圖像中目標(biāo)點的理想位置？
[0034] 3)如何確定圖像中目標(biāo)點的實際位置？
[0035] 對于目標(biāo)點的確定問題，與觀測衛(wèi)星的指向?qū)?zhǔn)策略相關(guān)。理論上來說，有幾種預(yù) 期目標(biāo)點：
[0036] 1)質(zhì)心點：目標(biāo)衛(wèi)星的質(zhì)心位置作為預(yù)期對準(zhǔn)點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，但無法獲知。
[0037] 2)幾何中心：幾何中心對于無大部件移動的對象而言，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對象的外形形狀和尺寸開展深入的分析， 以確定不同角度下的幾何中心位置，顯然本問題中無達成該條件。
[0038] 3)某個典型形貌：基于典型形貌的對準(zhǔn)廣泛用于光學(xué)指向任務(wù)中，但其有兩個前 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中；顯然對于本問 題，該方法所需的前提均不成立，既沒有對象的外形，更不用提典型形貌，而且由于姿態(tài)改 變或繞飛使得觀測角度的變化，也不能保證典型形貌始終存在于視場中。
[0039] 4)光學(xué)中心：從工程實現(xiàn)角度來看，光學(xué)中心的可實現(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，這對反演指向誤差是不利的。對于 紅外成像，由于目標(biāo)的細節(jié)難以準(zhǔn)確反映，除了光學(xué)中心外，也沒有更好的方法。
[0040] 對于目標(biāo)點的確定，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算機自動處理獲得，但由于這類中心不存在 物理意義，均無不變性，由此引入人介入進行標(biāo)記。人的介入是必要也是有可實現(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，人可以通過小 部件的認知，主體的認知對質(zhì)心點、幾何中心點或者是表面的特征部件進行先期學(xué)習(xí)和基 本標(biāo)記。
[0045] 對于目標(biāo)點在各幅圖像中的位置確定問題，人難以做到的是對每幀圖像均進行標(biāo) 記和分析，因此本發(fā)明的方法是人首先對序列圖像進行按時序分組，對于每一組的首幀圖 像，選取目標(biāo)點，該目標(biāo)點可以任意選取，而該組的其他幀圖像，以第一幀為基準(zhǔn)，通過坐標(biāo) 變換確定第一幀的目標(biāo)點在后續(xù)各幀的位置，再找到目標(biāo)點的實際位置，以實現(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個參數(shù)描述。這些參數(shù)分別 為：
[0049] (1)升交點赤經(jīng)Ω :軌道升交點與地球慣性坐標(biāo)系指向春分點軸的夾角。