本發(fā)明涉及一種適用于外太空場景的基于開環(huán)計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)及方法，屬于外太空聯(lián)合空間傳感與通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、衛(wèi)星通信能夠與傳統(tǒng)的地面無線通信相結(jié)合，實現(xiàn)無縫的全球覆蓋。例如，三顆地球靜止軌道衛(wèi)星可以為客戶和地面站提供連續(xù)、固定的服務(wù)。最近，運行速度可達25,000公里/小時的非地球靜止軌道衛(wèi)星數(shù)量也大幅增加，導致外層空間變得越來越擁擠和危險。因此，很難在如此復雜多變的外層空間與目標用戶進行有效通信。另一方面，由于傳統(tǒng)的射頻技術(shù)在傳輸大數(shù)據(jù)量方面受到限制，最近，衛(wèi)星通信采用太赫茲波段和自由空間光學技術(shù)來滿足先進的寬帶互聯(lián)網(wǎng)巨型星群中衛(wèi)星間和衛(wèi)星與地面鏈路日益增長的高速傳輸需求。因此，這種高帶寬、高頻率的衛(wèi)星鏈路對高方向性有著嚴格的要求。

2、在這種高動態(tài)外太空場景中，頻率通信技術(shù)是一個不可避免的巨大挑戰(zhàn)。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，受針對傳統(tǒng)地面通信提出的聯(lián)合感知和通信概念的啟發(fā)，將聯(lián)合感知和通信概念擴展到外太空可幫助衛(wèi)星探測周圍環(huán)境、識別目標用戶并對其進行跟蹤，從而實現(xiàn)高頻譜效率和低資源成本。然而，由于兩個主要原因，現(xiàn)有的聯(lián)合空間通信技術(shù)并不適合天基通信系統(tǒng)。首先，通常用于探測環(huán)境的被動雷達由于難以探測信號的波動而無法用于外太空環(huán)境。其次，主動雷達探測技術(shù)會帶來額外的問題，如延遲時間長和安全問題。在傳統(tǒng)的聯(lián)合空間站系統(tǒng)中，閉環(huán)程序檢測當前情況，并為通信提供反饋信息。然而，由于衛(wèi)星之間的距離和相對速度相當大，這一過程會大大延遲外太空場景。此外，安全問題也無法避免，因為衛(wèi)星數(shù)量的增加使得空間變得擁擠，容易受到攻擊者竊聽主動雷達先導信號的影響。

3、受針對傳統(tǒng)地面通信提出的聯(lián)合感知和通信(jsc)概念的啟發(fā)，將jsc概念擴展到外太空可幫助衛(wèi)星探測周圍環(huán)境、識別目標用戶并對其進行跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻譜效率和低資源成本。

4、現(xiàn)有的聯(lián)合空間通信技術(shù)并不直接適用于天基通信系統(tǒng)，這主要源于兩個關(guān)鍵因素。首先，傳統(tǒng)的被動雷達技術(shù)，盡管常用于環(huán)境探測，但因其難以應(yīng)對外太空信號波動，而不適宜直接應(yīng)用。其次，主動雷達探測技術(shù)雖然有其優(yōu)點，但其引入的延遲問題和潛在的安全隱患，如易受到攻擊者竊聽主動雷達先導信號，成為了其在外太空應(yīng)用的障礙。

5、在傳統(tǒng)的聯(lián)合空間站系統(tǒng)中，采用閉環(huán)程序檢測當前情況，并為通信提供反饋信息。然而，由于衛(wèi)星之間的距離和相對速度相當大，這一過程會大大延遲外太空場景。此外，隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加，空間擁擠度上升，安全問題也日益凸顯，主動雷達先導信號更容易受到攻擊者的竊聽。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的是提供一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)及方法，構(gòu)建融合計算機視覺cv(computervision)決策方法的開環(huán)聯(lián)合空間傳感和通信jssc方法。將cv技術(shù)與通信處理相結(jié)合，基于cv技術(shù)實現(xiàn)對目標位置的精確定位，將聯(lián)合感知和通信擴展到外太空用于衛(wèi)星探測周圍環(huán)境、識別目標用戶，并用于對目標用戶進行跟蹤，從而實現(xiàn)空間傳感與通信的高頻譜效率和低資源成本。

2、本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

3、本發(fā)明公開的一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)，包括光學相機、計算機視覺單元、信息處理單元和通信組件。

4、光學相機用于收集覆蓋預(yù)設(shè)區(qū)域的外太空場景的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)外太空場景的空間監(jiān)測和態(tài)勢感知。光學相機將采集的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)輸入計算機視覺單元。

5、計算機視覺單元針對收集到的圖像進行預(yù)處理，預(yù)處理包括去噪、歸一化和圖像大小調(diào)整；計算機視覺單元利用計算機視覺算法對圖像進行分析，獲得目標信息，具體實現(xiàn)實現(xiàn)方法為：利用積分圖像技術(shù)快速計算圖像中任意區(qū)域的像素和，顯著提高圖像處理的效率。通過特征選擇算法從圖像中篩選出最具代表性的特征點，通過最具代表性的特征點準確反映目標物體的本質(zhì)屬性。采用檢測級聯(lián)的方法，將多個簡單的檢測器組合成一個級聯(lián)檢測器，通過逐步過濾的方式，對圖像中的目標進行精確檢測和定位，獲得目標信息。計算機視覺單元將獲得的目標信息數(shù)據(jù)發(fā)送至信息處理單元。

6、信息處理單元根據(jù)目標信息數(shù)據(jù)進行波束成形器選擇和先導設(shè)計，通過計算機視覺單元輸入的目標信息中的角度信息顯著減少每個通信一致性塊的波束成形訓練時間。信息處理單元在波束成形訓練的實現(xiàn)中，構(gòu)建一個名為“波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)”的模型。波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)以目標信息數(shù)據(jù)中的角度信息為輸入，通過分析預(yù)測最佳的波束成形參數(shù)，所述波束成形參數(shù)包括波束的方向、寬度和增益。通過計算機視覺單元輸入的目標信息，波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)確定波束成形參數(shù)，顯著減少每個通信一致性塊的波束成形訓練時間。同時，結(jié)合波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，信息處理單元還能優(yōu)化功率和信號傳輸參數(shù)，提高聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)的通信性能。

7、其中，波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)為一個多層感知機mlp結(jié)構(gòu)。其中每一層感知機通過一系列權(quán)重矩陣w和偏置項b將輸入數(shù)據(jù)映射到輸出數(shù)據(jù)。

8、1.輸入層：輸入層接收來自計算機視覺單元的目標信息，特別是角度信息。目標信息以向量或矩陣的形式表示，例如[angle1,angle2,...,anglen]。

9、2.隱藏層：隱藏層通過非線性激活函數(shù)relu、sigmoid以及tanh對輸入數(shù)據(jù)進行變換。

10、每個隱藏層的輸出都是下一個隱藏層或輸出層的輸入。

11、hi＝f(wi·hi-1+bi)

12、其中，hi是第i個隱藏層的輸出，wi是該層的權(quán)重矩陣，bi是偏置項，f是激活函數(shù)。

13、3.輸出層：輸出層產(chǎn)生波束成形參數(shù)，如波束方向、寬度和增益。這些參數(shù)可能以向量的形式表示：[beam_direction,beam_width,beam_gain]。輸出層的計算與隱藏層類似，激活函數(shù)為：

14、output＝woutput·hlast+boutput

15、其中，output是波束成形參數(shù)向量，woutput是輸出層的權(quán)重矩陣，boutput是偏置項，hlast是最后一個隱藏層的輸出。

16、訓練波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)涉及使用標記的訓練數(shù)據(jù)來優(yōu)化波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和偏置項，所述使用標記的訓練數(shù)據(jù)即已知的目標信息和對應(yīng)的波束成形參數(shù)。將新的目標信息輸入到波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中，并通過波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的前向傳播來計算輸出，通過最小化預(yù)測輸出與真實輸出之間的均方誤差來訓練波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)。訓練過程中使用的梯度下降優(yōu)化算法會更新權(quán)重和偏置項，以逐漸減小損失函數(shù)的值。當訓練好波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)，使用訓練好的訓練好波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測新的目標信息對應(yīng)的波束成形參數(shù)。

17、通信組件用于外層空間的通信，使用射頻、激光或兩者結(jié)合的通信方式，根據(jù)信息處理單元確定的功率和信號傳輸參數(shù)，配置通信組件進行數(shù)據(jù)傳輸，通過通信組件將數(shù)據(jù)傳輸至目標用戶或地面站，實現(xiàn)高效通信。

18、所述射頻波束成形范圍覆蓋高頻(20-30mhz)到s頻段(3.4ghz)。

19、本發(fā)明公開的一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信方法，基于所述一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)實現(xiàn)。所述一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信方法，包括如下步驟：

20、step?1：通過高分辨率光學相機用于收集覆蓋預(yù)設(shè)區(qū)域的外太空場景的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)外太空場景的空間監(jiān)測和態(tài)勢感知。根據(jù)所需外太空場景范圍需求調(diào)整拍攝參數(shù)，確保光學相機正常工作，所述拍攝參數(shù)包括曝光時間、焦距。

21、step?2：將采集到的外太空場景數(shù)據(jù)傳入計算機視覺單元；

22、step?3：計算機視覺單元針對收集到的圖像進行預(yù)處理，預(yù)處理步驟包括去噪、歸一化和圖像大小調(diào)整；

23、其中，去噪是根據(jù)衛(wèi)星當前所在的軌道參數(shù)，去除圖像當中由于傳輸導致的隨機相位噪聲；歸一化是根據(jù)當前圖像亮度以及對比度最高的像素點屬性對圖像所欲像素點的亮度以及對比度進行調(diào)整，使其均處于預(yù)定數(shù)值范圍內(nèi)；圖像大小調(diào)整是根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)輸入要求對圖像量化位寬進行調(diào)整。

24、step?4：計算機視覺單元利用計算機視覺算法對圖像進行分析，獲得目標信息，具體實現(xiàn)實現(xiàn)方法為：利用積分圖像技術(shù)快速計算圖像中任意區(qū)域的像素和，顯著提高圖像處理的效率。通過特征選擇算法從圖像中篩選出最具代表性的特征點，通過最具代表性的特征點準確反映目標物體的本質(zhì)屬性。采用檢測級聯(lián)的方法，將多個簡單的檢測器組合成一個級聯(lián)檢測器，通過逐步過濾的方式，對圖像中的目標進行精確檢測和定位，獲得目標信息。計算機視覺單元將獲得的目標信息數(shù)據(jù)發(fā)送至信息處理單元。

25、step?5：信息處理單元對計算機視覺單元輸入的目標信息數(shù)據(jù)進行解碼和解讀，以理解目標信息數(shù)據(jù)的含義，并進一步開始確定開環(huán)聯(lián)合空間傳感和通信jssc方法的具體通信需求和參數(shù)。

26、其中，在通信需求的確定過程中，信息處理單元會綜合考慮多種因素做出一系列決策，包括選擇波束成形器以優(yōu)化信號傳輸?shù)姆较蚝蛷姸?，設(shè)計先導信號以確保聯(lián)合空間傳感與通信實現(xiàn)。

27、所述多種因素包括目標的位置和移動速度、環(huán)境的復雜程度、通信的實時性要求。

28、step?6：根據(jù)信息處理單元確定的通信需求和參數(shù)，配置通信組件進行數(shù)據(jù)傳輸。通信組件使用射頻、激光或兩者結(jié)合的通信方式，根據(jù)具體場景和需求選擇合適的通信方式。在配置過程中，通過動態(tài)調(diào)整衛(wèi)星軌道高度、衛(wèi)星巡航軌跡以及光學相機曝光系數(shù)等參數(shù)，確保通信組件的正常工作。通過通信組件將數(shù)據(jù)傳輸至目標用戶或地面站，實現(xiàn)高效通信。

29、有益效果：

30、1、本發(fā)明公開的一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)及方法，基于計算機視覺圖像進行信息分析，利用積分圖像技術(shù)快速計算圖像中任意區(qū)域的像素和，顯著提高圖像處理的效率。通過特征選擇算法從圖像中篩選出最具代表性的特征點，通過最具代表性的特征點準確反映目標物體的本質(zhì)屬性。采用檢測級聯(lián)的方法，將多個簡單的檢測器組合成一個級聯(lián)檢測器，通過逐步過濾的方式，對圖像中的目標進行精確檢測和定位，獲得目標信息。

31、2、本發(fā)明公開的一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)及方法，基于計算機視覺模塊輸入進行波束成形訓練，通過計算機視覺單元輸入的目標信息，構(gòu)建波束預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型，該模型能夠迅速且準確地確定波束成形參數(shù)，從而顯著減少每個通信一致性塊的波束成形訓練時間。同時，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，信息處理單元還能優(yōu)化功率和信號傳輸參數(shù)，提高聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)的通信性能。

32、3、本發(fā)明公開的一種基于計算機視覺的聯(lián)合空間傳感與通信系統(tǒng)及方法，將cv技術(shù)與通信處理相結(jié)合，基于cv技術(shù)實現(xiàn)對目標位置的精確定位，將聯(lián)合感知和通信擴展到外太空用于衛(wèi)星探測周圍環(huán)境、識別目標用戶，并用于對目標用戶進行跟蹤，從而實現(xiàn)空間傳感與通信的高頻譜效率和低資源成本。