專利名稱：一種用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，屬于空間光學成像敏感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在奔火、環(huán)火弧段均需要對火星等其他深空探測目標進行拍照并確定火星矢量指向。由于太陽光照、軌道位置等制約火星圖像將出現(xiàn)類似月球的晨昏線，此時用于火星中心矢量擬合的點若使用了晨昏線點將直接影響到定位精度，必須在擬合過程中判斷出晨昏線點并且進行排除，因此必須設(shè)計晨昏線判斷方法。文獻1，李正，晨昏線的判定，中學政史地教學指導版，2011 (5)，對晨昏線的概念、特點、分類、運動規(guī)律進行了描述和說明，但未對晨昏線成像模型及識別方法進行研究；文獻2，楊艷華，巧用晨昏線判斷太陽直射點，新課程(中學版)，2010(3)，針對地球晨昏線的位置特點，研究了太陽直射地球緯度的確定方法。上述文獻均未解決從成像角度進行晨昏線的識別與判斷問題，無法用于深空探測成像敏感器目標天體中心矢量的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，解決了深空探測目標天體中心矢量高精度測量問題。本發(fā)明技術(shù)方案一種用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，實現(xiàn)步驟為(I)目標天體圖像的邊緣提取，使用傳統(tǒng)邊緣算子法進行邊緣點提??；(2)計算天體圖像360°所有邊緣點的梯度大小；(3)從0°開始以90°弧段為單位，每間隔30°進行一次弧段選擇，并計算該90°弧段內(nèi)所含有邊緣點梯度大小的均值，對所有弧段進行梯度均值排序，選擇均值最小的弧段作為晨昏線候選弧段，同時將晨昏候選弧段正的90°弧段選擇為邊緣候選弧段；(4)對上述晨昏候選弧段、邊緣候選弧段分別進行圓擬合，若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差小于等于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個像元)，則說明目標天體成像中沒有晨昏線，將目標天體圖像360°所有邊緣點進行重新擬合得到最終的目標天體圖像中心位置；若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差大于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個像元)，則進行所述圓擬合誤差比較，若晨昏線候選弧段圓擬合誤差大于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則說明目標天體圖像存在晨昏線且位置在候選弧段附近，此時將邊緣候選弧段在起始端點、終止端點分別延伸30°將原來90°弧段延長形成150°的邊緣點重新進行擬合得到最終的目標天體圖像中心位置；若晨昏線候選弧段圓擬合誤差小于等于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則轉(zhuǎn)入步驟(5)進行晨昏線補充判斷；(5)晨昏線補充判斷，按照步驟(3)的弧段劃分方法，以90°弧段為單位，進行所有弧段進行圓擬合并記錄擬合誤差，擬合輸出中心位置點坐標(Xi,Yi)，對XY坐標分別進行排序選擇中間值(Xm，Ym)設(shè)為O點，距離O點最遠的輸出中心位置點(Xp γρ對應的擬合弧段為晨昏候選弧段，選擇其正對的弧段為邊緣候選弧段，將邊緣候選弧段在起始端、終止端分別擴張30°形成150°的邊緣點重新進行擬合得到最終的目標天體圖像中心位置。所述步驟(2)中計算天體圖像360°所有邊緣點的梯度大小如下Gradx (x, y) = f (χ+λ，y)+f (χ+λ-1，y) + …+f (χ, y) - [f (χ-l, y)+f (χ-2, y)+…+f (x- λ , y)]Grady (χ, y) = f (χ, y+λ )+f (χ, y+λ-I) + …+f (χ, y) - [f (χ, y-1)+f (χ, y-2)+...+f (χ, y-λ)] Grad = sqrt (Gradx2+Grady2)其中Gradx代表X方向梯度,Grady代表Y方向梯度,Grad代表總梯度大小，f (X，y)代表圖像中(x，y)像素灰度，χ為天體圖像橫坐標、y為天體圖像縱坐標，上述λ代表梯度計算長度取值為3 5，sqrt為求均方符號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點為(I)空間目標的晨昏線若不進行判斷并剔除則將直接影響目標天體圖像中心位置的擬合精度，本發(fā)明解決了行星際探測中目標天體晨昏線判斷的問題，通過晨昏線判斷找到真正的邊緣點進行目標天體中心位置擬合，提升了天體圖像目標中心的定位精度(由1°誤差提聞提升到O. 05° )。(2)本發(fā)明為高魯棒性(適用于不同星相)、高刷新率(優(yōu)于O. 5Hz)、高精度(優(yōu)于O. 05° )導航天體敏感器的研制具有重要工程使用價值。


圖I為深空天體目標圖像的示意圖；圖2為本發(fā)明步驟(3)的弧段選擇圖；圖3為本發(fā)明實現(xiàn)流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖I所示為輸入的目標天體圖像，因為太陽照射及敏感器拍攝位置引起的目標天體圖像(a，b均存在晨昏線c不存在晨昏線)，存在晨昏線的目標天體圖像顯然無法直接由其360°的邊緣點擬合出中心位置。如圖3所示，本發(fā)明具體實施步驟如下(I)目標天體圖像的邊緣提取，使用閾值法對目標天體圖像進行分割，然后使用切線法提取天體圖像的邊緣點；(2)計算邊緣點梯度大小，計算目標天體圖像360°所有邊緣點的梯度大小如下Gradx (x, y) = f (χ+λ，y)+f (χ+λ-1，y) + …+f (χ, y) - [f (χ-l, y)+f (χ-2, y)+…+f (x- λ , y)]
Grady (x, y) = f (x, y+λ )+f (χ, y+λ-I) + …+f (χ, y) - [f (χ, y-1)+f (χ, y-2)+...+f (χ, y-λ)]Grad = sqrt (Gradx2+Grady2)其中Gradx代表X方向梯度,Grady代表Y方向梯度,Grad代表總梯度大小，f (X，y)代表圖像中(x，y)像素灰度，χ為天體圖像橫坐標、y為天體圖像縱坐標，上述λ代表梯度計算長度取值為3 5，sqrt為求均方符號。(3)候選弧段選擇，如圖2所示從0°開始以90°弧段為單位，每間隔30°進行一次弧段選擇，逆時針第I個弧段為
，第2弧段為[30° 120° ]以此類推共12個弧段，其中第12個弧段為[330° 420° ]，正對關(guān)系為I弧段對7弧段，2弧段對8弧段，3弧段對9弧段，4弧段對10弧段，5弧段對11弧段，6弧段對12弧段。
計算該90°弧段內(nèi)所含有邊緣點梯度大小的均值，對所有弧段進行梯度均值排序，選擇均值最小的弧段作為晨昏線候選弧段，同時將晨昏候選弧段正對的90°弧段選擇為邊緣候選弧段；(4)擬合判斷對上述晨昏候選弧段、邊緣候選弧段分別進行圓擬合，若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差小于等于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個像元)，則說明目標天體成像中沒有晨昏線，將目標天體圖像360°所有邊緣點進行重新擬合得到最終的目標天體圖像中心位置；若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差大于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個像元)，則進行所述圓擬合誤差比較，若晨昏線候選弧段圓擬合誤差大于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則說明目標天體圖像存在晨昏線且位置在候選弧段附近，此時將邊緣候選弧段在起始端點、終止端點分別延伸30°將原來90°弧段延長形成150°的邊緣點重新進行擬合得到最終的目標天體圖像中心位置；若晨昏線候選弧段圓擬合誤差小于等于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則轉(zhuǎn)入步驟(5)進行晨昏線補充判斷；(5)晨昏線補充判斷按照步驟(3)的弧段劃分方法，以90°弧段為單位，進行所有弧段進行圓擬合并記錄擬合誤差，擬合輸出中心位置點坐標(Xi, Yi),對XY坐標分別進行排序選擇中間值(xm，Yffl)設(shè)為O點，距離O點最遠的輸出中心位置點(Xj，Yj)對應的擬合弧段為晨昏候選弧段，選擇其正對的弧段為邊緣候選弧段，將邊緣候選弧段在起始端、終止端分別擴張30°形成150°的邊緣點重新進行擬合得到最終的目標天體圖像中心位置。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于實現(xiàn)步驟為 (1)目標天體圖像的邊緣提取，使用傳統(tǒng)邊緣算子法進行邊緣點提??； (2)計算天體圖像360°所有邊緣點的梯度大小； (3)從0°開始以90°弧段為單位，每間隔30°進行一次弧段選擇，并計算該90°弧段內(nèi)所含有邊緣點梯度大小的均值，對所有弧段進行梯度均值排序，選擇均值最小的弧段作為晨昏線候選弧段，同時將晨昏候選弧段正對的90°弧段選擇為邊緣候選弧段； (4)對上述晨昏候選弧段、邊緣候選弧段分別進行圓擬合，若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差小于等于設(shè)定閾值，則說明目標天體成像中沒有晨昏線，將目標天體圖像360°所有邊緣點進行重新擬合得到最終的目標天體圖像中心位置；若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差大于設(shè)定閾值，則進行所述圓擬合誤差比較，若晨昏線候選弧段圓擬合誤差大于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則說明目標天體圖像存在晨昏線且位置在候選弧段附近，此時將邊緣候選弧段在起始端點、終止端點分別延伸30°將原來90°弧段延長形成150°的邊緣點重新進行擬合得到最終的目標天體圖像中心位置；若晨昏線候選弧段圓擬合誤差小于等于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則轉(zhuǎn)入步驟(5)進行晨昏線補充判斷； (5)晨昏線補充判斷，按照步驟(3)的弧段劃分方法，以90°弧段為單位，進行所有弧段進行圓擬合并記錄擬合誤差，擬合輸出中心位置點坐標(Xi, Yi)，對XY坐標分別進行排序選擇中間值(Xm，Ym)設(shè)為O點，距離O點最遠的輸出中心位置點(Xp Yp對應的擬合弧段為晨昏候選弧段，選擇其正對的弧段為邊緣候選弧段，將邊緣候選弧段在起始端、終止端分別擴張30°形成150°的邊緣點重新進行擬合得到最終的目標天體圖像中心位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于所述步驟(2)中計算天體圖像360°所有邊緣點的梯度大小如下 Gradx (x, y) = f (χ+ λ , y) +f (χ+ λ -I, y) + …+f (χ, y) -[f (χ-1, y) +f (χ-2, y) +...+f (χ- λ , y)]Grady (χ, y) = f (χ, y+ λ ) +f (χ, y+λ - I)+…+f (χ, y) -[f (χ, y-1) +f (χ, y_2)+...+f (χ, y-λ)]Grad = sqrt (Gradx2+Grady2) 其中Gradx代表X方向梯度,Grady代表Y方向梯度,Grad代表總梯度大小,f (x, y)代表圖像中(x，y)像素灰度，χ為天體圖像橫坐標、y為天體圖像縱坐標，λ為梯度計算長度，sqrt為求均方符號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于所述步驟(4)中的設(shè)定閾值為O. 2 3個像元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于λ取值為3 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于所述步驟(I)中的橫向、縱向的間隔為I 5像元。
全文摘要
一種用于深空探測自主導航的目標天體圖像晨昏線判斷方法，目標天體圖像的邊緣提取，使用傳統(tǒng)邊緣算子法進行邊緣點提??；候選弧段選擇；擬合判斷；晨昏線補充判斷；本發(fā)明中的空間目標的晨昏線若不進行判斷并剔除則將直接影響目標天體圖像中心位置的擬合精度，本發(fā)明解決了行星際探測中目標天體晨昏線判斷的問題，通過晨昏線判斷找到真正的邊緣點進行目標天體中心位置擬合，提升了天體圖像目標中心的定位精度；具有高魯棒性、高刷新率、高精度導航天體敏感器的研制具有重要工程使用價值。
文檔編號G06T7/00GK102944239SQ20121040905
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者王立, 周建濤, 余成武, 王大軼, 黃翔宇 申請人:北京控制工程研究所