地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星跟蹤方法
【專利摘要】地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星穩(wěn)定跟蹤方法屬于利用圖像處理技術(shù)的目標(biāo)衛(wèi)星跟蹤方法領(lǐng)域，該跟蹤方法通過增加目標(biāo)衛(wèi)星的識別方法，從而可以隨時監(jiān)控和判斷跟蹤窗口中的所有光斑，進(jìn)而有效篩選和識別出目標(biāo)衛(wèi)星，排除干擾源，確保地基光測設(shè)備能夠始終唯一的跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星。該方法快速、準(zhǔn)確、簡單、可靠，具有推廣應(yīng)用的潛在價值。
【專利說明】地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于利用圖像處理技術(shù)的目標(biāo)衛(wèi)星跟蹤方法領(lǐng)域，具體涉及一種地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星穩(wěn)定跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地球軌道被大量衛(wèi)星環(huán)繞，為了掌握各個衛(wèi)星在空間的運(yùn)行軌道以及對各個衛(wèi)星空間位置精確定位，地面大量光學(xué)測量設(shè)備對衛(wèi)星進(jìn)行實時跟蹤監(jiān)測，不斷更新衛(wèi)星空間位置，及時修正衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。
[0003]傳統(tǒng)的地基光測設(shè)備衛(wèi)星跟蹤方法通常都采用邊緣檢測法、重心法等圖像處理技術(shù)。例如，利用邊緣檢測法對地基光測望遠(yuǎn)鏡所跟蹤拍攝到的目標(biāo)衛(wèi)星照片進(jìn)行邊緣檢測，將照片處理為灰度圖像，同時取得目標(biāo)衛(wèi)星在跟蹤窗口中的像素坐標(biāo)值。目標(biāo)衛(wèi)星在跟蹤窗口中呈現(xiàn)為一個單一的白色光斑，而沒有任何干擾目標(biāo)的深空背景呈現(xiàn)為單一的灰色。
[0004]目標(biāo)衛(wèi)星在跟蹤窗口中的像素坐標(biāo)值與跟蹤窗口自身的中心點(diǎn)像素坐標(biāo)之間的矢量差通常稱為目標(biāo)衛(wèi)星的脫靶量。光測設(shè)備將以脫靶量為依據(jù)驅(qū)動跟蹤窗口向消除脫靶量的方向移動，以此實現(xiàn)對衛(wèi)星標(biāo)靶的連續(xù)可靠的追蹤。
[0005]然而，隨著光測設(shè)備探測能力不斷提升，其所能探測到空間目標(biāo)越來越多，宇宙的深空背景中不同亮度的恒星可能突然進(jìn)入并穿過跟蹤窗口，成為目標(biāo)干擾源。
[0006]除目標(biāo)衛(wèi)星以外，還存在一個目標(biāo)干擾源。干擾源是深空背景中的恒星在灰度圖像中產(chǎn)生的光斑。在包含有干擾源的灰度圖像中，干擾源同樣呈現(xiàn)為白色光斑，傳統(tǒng)的圖像處理方法無法對其二者進(jìn)行有效識別，由于目標(biāo)干擾源的能量經(jīng)常超過目標(biāo)衛(wèi)星的能量，因此利用傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)跟蹤衛(wèi)星，容易出現(xiàn)跟蹤能量更高的恒星的現(xiàn)象，導(dǎo)致目標(biāo)衛(wèi)星跟丟，跟蹤任務(wù)失敗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決重心、邊緣檢測等常規(guī)圖像處理算法在處理地基光測設(shè)備衛(wèi)星跟蹤任務(wù)時，當(dāng)深空背景中的恒星作為干擾源進(jìn)入并穿過跟蹤窗口時，在包含有干擾源的灰度圖像中，干擾源和目標(biāo)衛(wèi)星均呈現(xiàn)為白色光斑，傳統(tǒng)的圖像處理方法無法對其二者進(jìn)行有效識另IJ，可能造成跟蹤窗口轉(zhuǎn)而跟蹤能量更高的恒星，導(dǎo)致目標(biāo)衛(wèi)星跟丟，跟蹤任務(wù)失敗的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星跟蹤方法。
[0008]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下:
[0009]地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星跟蹤方法包括以下步驟:
[0010]步驟一:采集圖像，利用常規(guī)的衛(wèi)星跟蹤方法計算每一幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)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(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值作為目標(biāo)衛(wèi)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(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值Εη，(η=0，1……5)，其中，最新的當(dāng)前幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值計作Etl,當(dāng)前幀之前的連續(xù)五幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)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(dāng)前幀灰度值與當(dāng)前幀之前的連續(xù)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(dāng)前幀跟蹤窗口灰度圖像的灰度值總和計作Gtl,當(dāng)前幀之前的連續(xù)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(dāng)前幀灰度值與當(dāng)前幀之前的連續(xù)五幀的平均值之間的差值DifTs口的絕對值；
[0019]步驟四:判定當(dāng)前幀灰度圖像中是否存在干擾源:
[0020]根據(jù)步驟一所采用的邊緣檢測算法對圖像灰度值的分辨率，分別給出兩個誤差容錯閾值T1和T2,并對邏 輯式Diff IS< T^Diff *p< T2進(jìn)行邏輯計算，若邏輯式結(jié)果的值為真，則順序執(zhí)行步驟五；若邏輯式結(jié)果的值為假，則跳過步驟五直接執(zhí)行步驟六；
[0021]步驟五:按照步驟一所述的脫靶量的矢量負(fù)值作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1并按照順延的方式更新歷史數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入步驟七；
[0022]步驟六:按照衛(wèi)星跟蹤軌跡預(yù)測法計算下一幀的衛(wèi)星軌跡矢量，其具體包括如下子步驟:
[0023]步驟6.1:調(diào)取當(dāng)前幀之前的十四幀包含脫靶量的各連續(xù)衛(wèi)星像素坐標(biāo)歷史數(shù)據(jù)，將這十四個衛(wèi)星在像素坐標(biāo)系中絕對位置的坐標(biāo)點(diǎn)作為預(yù)測基準(zhǔn)點(diǎn)，以便通過直線方程計算得出目標(biāo)衛(wèi)星的預(yù)測軌跡；
[0024]步驟6.2:采用最小二乘直線擬合法對步驟6.1所述的十四個連續(xù)的衛(wèi)星像素坐標(biāo)預(yù)測基準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)算處理，得出一條近似的衛(wèi)星軌跡直線方程M ;同時得到衛(wèi)星沿該方程的運(yùn)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(wèi)星運(yùn)動矢量在時間橫軸t上的移動步長預(yù)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(wèi)星軌跡直線方程M，即可得出衛(wèi)星的預(yù)測幀坐標(biāo)值；
[0027]再將最后一幀衛(wèi)星照片中的衛(wèi)星坐標(biāo)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(wèi)星在下一幀灰度圖像中的預(yù)測坐標(biāo)點(diǎn)位置；
[0028]步驟6.5:以步驟6.1所述當(dāng)前幀的上一幀衛(wèi)星在像素坐標(biāo)系中絕對坐標(biāo)點(diǎn)為起點(diǎn)，并以步驟6.4所述的衛(wèi)星的預(yù)測幀坐標(biāo)值為終點(diǎn)，求解出一個步長Miwi下的衛(wèi)星預(yù)測位置矢量A ；
[0029]步驟6.6:以步驟6.5所述衛(wèi)星預(yù)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并按照順延的方式更新歷史數(shù)據(jù)，然后進(jìn)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(qū)動跟蹤窗口，改變其瞄準(zhǔn)方位；
[0031]步驟八:重新返回步驟一，循環(huán)執(zhí)行步驟一至步驟七的衛(wèi)星跟蹤過程。
[0032]本發(fā)明的有益效果是:該跟蹤方法通過增加目標(biāo)衛(wèi)星的識別方法，從而可以隨時監(jiān)控和判斷跟蹤窗口中的所有光斑，進(jìn)而有效篩選和識別出目標(biāo)衛(wèi)星，排除干擾源，確保地基光測設(shè)備能夠始終唯一的跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星。該方法快速、準(zhǔn)確、簡單、可靠，具有推廣應(yīng)用的潛在價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明一種地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星穩(wěn)定跟蹤方法的總體流程圖；
[0034]圖2是本發(fā)明中步驟六的子流程圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0036]如圖1至圖2所示，本發(fā)明的地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星跟蹤方法包括如下步驟:
[0037]步驟一:采集圖 像，利用常規(guī)的衛(wèi)星跟蹤方法計算每一幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的脫靶量，并將該脫靶量的矢量負(fù)值作為跟蹤窗口對目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行下一幀跟蹤拍攝前調(diào)整方向的依據(jù)。
[0038]步驟二:求取步驟一所述灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值作為目標(biāo)衛(wèi)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(biāo)衛(wèi)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(diǎn)通常采用重心算法或者形心算法計算，同時將最新的當(dāng)前幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值計作Etl,當(dāng)前幀之前的連續(xù)五幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)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(dāng)前幀灰度值與當(dāng)前幀之前的連續(xù)五幀的平均值Eto之間的差值Diff衛(wèi)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(dāng)前幀跟蹤窗口灰度圖像的灰度值總和計作Gtl,當(dāng)前幀之前的連續(xù)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(dāng)前幀灰度值與當(dāng)前幀之前的連續(xù)五幀的平均值之間的差值DifTs口的絕對值。
[0046]步驟四:判定當(dāng)前幀灰度圖像中是否存在干擾源:
[0047]根據(jù)步驟一所采用的邊緣檢測算法對圖像灰度值的分辨率，分別給出兩個誤差容錯閾值T1和T2，并對邏輯式Diff M< T^Diff *p< T2進(jìn)行邏輯計算，若邏輯式結(jié)果的值為真，則順序執(zhí)行步驟五。若邏輯式結(jié)果的值為假，則跳過步驟五直接執(zhí)行步驟六。
[0048]步驟五:判定結(jié)果表示跟蹤窗口中僅存在目標(biāo)衛(wèi)星，并不存在干擾源，按照步驟一所述的脫靶量的矢量負(fù)值作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1并按照順延的方式更新歷史數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入步驟七。
[0049]步驟六:判定結(jié)果表示跟蹤窗口中除了目標(biāo)衛(wèi)星以外，還同時存在其他干擾源，按照衛(wèi)星跟蹤軌跡預(yù)測法計算下一幀的衛(wèi)星軌跡矢量，其具體包括如下子步驟:
[0050]步驟6.1:調(diào)取當(dāng)前幀之前的十四幀包含脫靶量的各連續(xù)衛(wèi)星像素坐標(biāo)歷史數(shù)據(jù)，將這十四個衛(wèi)星在像素坐標(biāo)系中絕對位置的坐標(biāo)點(diǎn)作為預(yù)測基準(zhǔn)點(diǎn)，以便通過直線方程計算得出目標(biāo)衛(wèi)星的預(yù)測軌跡。
[0051]步驟6.2:采用最小二乘直線擬合法對步驟6.1所述的十四個連續(xù)的衛(wèi)星像素坐標(biāo)預(yù)測基準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)算處理，得出一條近似的衛(wèi)星軌跡直線方程Μ。同時得到衛(wèi)星沿該方程的運(yùn)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(wèi)星運(yùn)動矢量在時間橫軸t上的移動步長預(yù)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(wèi)星軌跡直線方程M，即可得出衛(wèi)星的預(yù)測幀坐標(biāo)值。
[0054]再將最后一幀衛(wèi)星照片中的衛(wèi)星坐標(biāo)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(wèi)星在下一幀灰度圖像中的預(yù)測坐標(biāo)點(diǎn)位置。
[0055]步驟6.5:以步驟6.1所述當(dāng)前幀的上一幀衛(wèi)星在像素坐標(biāo)系中絕對坐標(biāo)點(diǎn)為起點(diǎn)，并以步驟6.4所述的衛(wèi)星的預(yù)測幀坐標(biāo)值為終點(diǎn)，求解出一個步長Miwi下的衛(wèi)星預(yù)測位置矢量A0
[0056]步驟6.6:以步驟6.5所述衛(wèi)星預(yù)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并按照順延的方式更新歷史數(shù)據(jù)，然后進(jìn)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(qū)動跟蹤窗口，改變其瞄準(zhǔn)方位。
[0058]步驟八:重新返回步驟一，循環(huán)執(zhí)行步驟一至步驟七的衛(wèi)星跟蹤過程。
[0059]該跟蹤方法通過增加目標(biāo)衛(wèi)星的識別方法，從而可以隨時監(jiān)控和判斷跟蹤窗口中的所有光斑，進(jìn)而有效篩選和識別出目標(biāo)衛(wèi)星，排除干擾源，確保地基光測設(shè)備能夠始終唯一的跟蹤目標(biāo)衛(wèi)星。該方法快速、準(zhǔn)確、簡單、可靠，具有推廣應(yīng)用的潛在價值。
【權(quán)利要求】
1.地基光測設(shè)備克服恒星穿越探測窗口干擾的衛(wèi)星跟蹤方法，其特征在于， 該方法包括如下步驟: 步驟一:采集圖像，利用常規(guī)的衛(wèi)星跟蹤方法計算每一幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)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(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值作為目標(biāo)衛(wèi)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(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值En, (n=0,1......5),其中,最新的當(dāng)前幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)星所形成的光斑中心的灰度值計作Etl,當(dāng)前幀之前的連續(xù)五幀灰度圖像中目標(biāo)衛(wèi)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(dāng)前幀灰度值與當(dāng)前幀之前的連續(xù)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(dāng)前幀跟蹤窗口灰度圖像的灰度值總和計作Gtl，當(dāng)前幀之前的連續(xù)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(dāng)前幀灰度值與當(dāng)前幀之前的連續(xù)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(dāng)前幀灰度圖像中是否存在干擾源: 根據(jù)步驟一所采用的邊緣檢測算法對圖像灰度值的分辨率，分別給出兩個誤差容錯閾值T1和T2,并對邏輯式Diff IS< T1&Diffep< T2進(jìn)行邏輯計算，若邏輯式結(jié)果的值為真，則順序執(zhí)行步驟五；若邏輯式結(jié)果的值為假，則跳過步驟五直接執(zhí)行步驟六； 步驟五:按照步驟一所述的脫靶量的矢量負(fù)值作為跟蹤窗口的位移量，同時將Etl計作E1，將Gtl計作G1并按照順延的方式更新歷史數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入步驟七； 步驟六:按照衛(wèi)星跟蹤軌跡預(yù)測法計算下一幀的衛(wèi)星軌跡矢量，其具體包括如下子步驟: 步驟6.1:調(diào)取當(dāng)前幀之前的十四幀包含脫靶量的各連續(xù)衛(wèi)星像素坐標(biāo)歷史數(shù)據(jù)，將這十四個衛(wèi)星在像素坐標(biāo)系中絕對位置的坐標(biāo)點(diǎn)作為預(yù)測基準(zhǔn)點(diǎn)，以便通過直線方程計算得出目標(biāo)衛(wèi)星的預(yù)測軌跡； 步驟6.2:采用最小二乘直線擬合法對步驟6.1所述的十四個連續(xù)的衛(wèi)星像素坐標(biāo)預(yù)測基準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)算處理，得出一條近似的衛(wèi)星軌跡直線方程M ;同時得到衛(wèi)星沿該方程的運(yùn)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(wèi)星運(yùn)動矢量在時間橫軸t上的移動步長預(yù)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(wèi)星軌跡直線方程M，即可得出衛(wèi)星的預(yù)測 幀坐標(biāo)值；再將最后一幀衛(wèi)星照片中的衛(wèi)星坐標(biāo)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(wèi)星在下一幀灰度圖像中的預(yù)測坐標(biāo)點(diǎn)位置； 步驟6.5:以步驟6.1所述當(dāng)前幀的上一幀衛(wèi)星在像素坐標(biāo)系中絕對坐標(biāo)點(diǎn)為起點(diǎn)，并以步驟6.4所述的衛(wèi)星的預(yù)測幀坐標(biāo)值為終點(diǎn)，求解出一個步長下的衛(wèi)星預(yù)測位置矢量A ； 步驟6.6:以步驟6.5所述衛(wèi)星預(yù)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并按照順延的方式更新歷史數(shù)據(jù)，然后進(jìn)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(qū)動跟蹤窗口，改變其瞄準(zhǔn)方位； 步驟八:重新返回步驟一，循環(huán)執(zhí)行步驟一至步驟七的衛(wèi)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(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】王明佳, 武治國, 王宇慶 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所