一种天基空间目标识别方法
【专利摘要】本发明提供了一种天基空间目标识别方法，包括(1)获取连续的4幅星图；(2)采用星点提取算法对每幅星图进行处理，获取由恒星和空间目标组成的相应星图；(3)确定所有星图中均存在的三颗恒星作为基准恒星；(4)利用三颗基准恒星的坐标值为标准将所有星图对齐，遍历对齐后星图，判断所有对齐后星图相同坐标值的第一预设误差范围是否均有一颗星点，若有，则判定该星点为恒星，并从所有对齐后星图中去除；(5)遍历对齐并去除所有恒星后的每幅星图，识别所有空间目标。本发明基于连续拍摄的4幅星图，能够在无需大量的存储空间的情形下，快速有效在轨识别空间目标，有利于天基空间目标监视系统的发展。
【专利说明】一种天基空间目标识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天、航空中目标识别【技术领域】，尤其涉及一种基于天基的快速空间目标识别方法。
【背景技术】
[0002]星图中的星点包括空间目标和恒星，其中空间目标的个数极少，也可能没有。目标识别是从拍摄的星图中确定所有的空间目标，包括它们在CCD上的位置、大小、亮度和运动轨迹。快速获取空间目标位置、功能、工作状态、大小、形状、结构等信息对于天文和军事应用具有极其重要的意义。
[0003]目前获取空间目标分为地基和天基两种类型，地基空间目标监视系统是从地面对空间目标进行监视的系统，主要技术手段是利用布置于地面观测站中的微波雷达和大口径光学望远镜。由于是安置在地表，所以观测设备的体积重量相对不受限制、使用维护便利，但由于受安装位置固定、大气衰减、日光干扰、国土疆域有限等条件的约束，使它适于夜间对低轨有限空间目标的监视，对于中、高轨目标的监视较为困难，且跟踪与观测时间十分有限。
[0004]天基空间目标监视系统主要通过搭载光学、微波、红外、电子侦察等空间目标探测有效载荷的卫星、星座与网络，实现从空间对空间目标的监视。由于没有大气干扰，背景简单，且可对空间目标近距离监视与成像，所以天基监视系统有不受地理位置和气象条件限制，探测效果好，机动灵活等优点。发展天基空间目标监视系统，拓展对空间目标的监视范围和提高观测精度，为空间攻击提高及时、准确的目标信息，同时实时掌握我航天器运行状况十分必要和紧迫，这对于构成我国天地一体的空间攻防体系意义重大。
[0005]现有空间目标监视技术主要通过传统的基于地基空间目标监视系统。目前成熟的基于地基的空间目标识别方法是星表比对法，即用标准的恒星星表和拍摄的星图中的每个星点进行匹配，确定每颗恒星，则剩下的未匹配的星点就是空间目标(也可能是空间碎片等)。这种方法比较简单，但是星表本身所占空间太大，需要大量的存储空间和运算时间；而天基空间目标监视系统对应的在轨星载数字信号处理系统对存储容量、体积、能量都有较严格的限制，所以这种方法不适合天基空间目标监视系统。
[0006]因此，基于发展天基空间目标监视系统对构成我国天地一体的空间攻防体系的重大意义，需要提供一种简单、快速的天基空间目标识别方法，能够在无需大量的存储空间的情形下，快速有效识别空间目标。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于，针对现有星表比对法需要大量的存储空间和运算时间，不适合天基空间目标监视系统的问题，提供一种天基空间目标识别方法，搜索及跟踪模式下利用连续拍摄的4幅星图，实现在轨快速识别出空间目标。
[0008]为实现上述目的，本发明提供了一种天基空间目标识别方法，包括，(I)获取连续的4幅星图；(2)采用星点提取算法对每幅星图进行处理，获取由恒星和空间目标组成的相应星图；(3)确定所有星图中均存在的三颗恒星作为基准恒星；(4)利用三颗基准恒星的坐标值为标准将所有星图对齐，遍历对齐后星图，判断所有对齐后星图相同坐标值的第一预设误差范围是否均有一颗星点，若有，则判定该星点为恒星，并从所有对齐后星图中去除；
(5)遍历对齐并去除所有恒星后的每幅星图，识别所有空间目标。
[0009]本发明的优点在于:基于连续拍摄的4幅星图，能够在无需大量的存储空间的情形下，快速有效在轨识别空间目标，有利于天基空间目标监视系统的发展。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1，本发明所述的天基空间目标识别方法的流程示意图；
[0011]图2，阈值T和背景阈值M的比较示意图；
[0012]图3，本发明所述星点识别过程示意图；
[0013]图4，不同噪声水平下各种方法的偏差示意图；
[0014]图5，本发明各星图中识别出的恒星星点组成的三角形示意图。
【具体实施方式】
[0015]由于恒星相对于地球来说是无穷远处的物体，即在拍摄过程中可以认为恒星是静止不动的。而星载相机随着卫星绕地球运行，若设星载相机相对于地球的瞬时运动角速度
是胃,则恒星和星载相机之间有一个相对运动，角速度为ξ，且恒星之间保持相对静止。若空间目标相对于地球的瞬时角速度是g，则空间目标与星载相机之间的相对运动角速度为
载相机连续拍摄星图，帧频为I帧/秒，则可以认为在连续两幅星图中由于间隔
时间很短，所有的星点都做匀速直线运动，且空间目标和恒星的速度不同，从而可以利用连续的星图来识别空间目标。下面结合附图对本发明提供的天基空间目标识别方法做详细说明。
[0016]参考图1，本发明所述的天基空间目标识别方法的流程示意图。本发明所述的天基空间目标识别方法包括如下步骤。Sll:获取连续的4幅星图。S12:采用星点提取算法对每幅星图进行处理，获取由恒星和空间目标组成的相应星图。S13:确定所有星图中均存在的三颗恒星作为基准恒星。S14:利用三颗基准恒星的坐标值为标准将所有星图对齐，遍历对齐后星图，判断所有对齐后星图相同坐标值的第一预设误差范围是否均有一颗星点，若有，则判定该星点为恒星，并从所有对齐后星图中去除。S15:遍历对齐并去除所有恒星后的每幅星图，识别所有空间目标。识别出空间目标后，根据识别出的空间目标在每幅星图中的坐标值，即可获取该空间目标的运动轨迹，也即步骤S16。
[0017]以下结合图1-5对本发明所述方法进行详细描述。
[0018]Sll:获取连续的4幅星图。
[0019]星载相机连续拍摄星图，巾贞频为I巾贞/秒。设从t时刻开始拍摄弟一幅星图，到t(T1为曝光时间，T2为曝光间隔)时刻，得到连续的4幅星图。虽然恒星本身的亮度不变，但由于星载相机本身有渐晕和CCD响应的不均匀性，所以同一颗恒星在这4幅星图中所成像点的亮度可能有少许变化，甚至有些比较暗的恒星在某些星图中没有成像。恒星和星载相机之间有相对运动，导致位于星图边缘的恒星在下一次拍摄时刻已经离开了视场，同时也有一些恒星会进入到视场中，但是大部分的恒星还是会一直停留在视场里。虽然
空间目标运动速度比较大，但是只要(47；+3 2)χ‘-胃)不超过视场大小，它们也能在连续
的4幅星图中成像。
[0020]S12:采用星点提取算法对每幅星图进行处理，获取由恒星和空间目标组成的相应星图。
[0021]去除每幅星图的背景噪声
[0022]由于CCD在曝光期间不仅收集我们所感兴趣的恒星和空间目标发出的光子，同时也收集一些没有价值的光子，它们来自于太空背景、未知太空物体、读出噪声和暗电流噪声等等。所以在区分恒星和空间目标之前，必须对这些附加的光子(CCD背景)进行估计，并从星图中减去。
[0023]从星图中识别有用星点的过程实际上是一个从噪声中检测有用信号的过程。从噪声中检测有用信号存在两种情况:一是有效地识别出目标信号，其可能性大小成为探测率(Pdet) ;二是将无目标样值判为有目标的概率，称为虚警率(PFA)。一个理想的探测系统当目标信号出现时探测概率应该最大，没有目标信号时的虚警概率最小。但是探测概率和虚警概率不能同时达到最佳值，能做到的只是保持虚警概率为某个许可值，而使相应的探测概率尽可能的大。这种情况可成为恒虚警概率条件。在假定系统噪声为高斯分布的白噪声时，探测概率和虚警概率的表达式如下:
【权利要求】
1.一种天基空间目标识别方法，其特征在于，包括， (1)获取连续的4幅星图； (2)采用星点提取算法对每幅星图进行处理，获取由恒星和空间目标组成的相应星图； (3)确定所有星图中均存在的三颗恒星作为基准恒星； (4)利用三颗基准恒星的坐标值为标准将所有星图对齐，遍历对齐后星图，判断所有对齐后星图相同坐标值的第一预设误差范围是否均有一颗星点，若有，则判定该星点为恒星，并从所有对齐后星图中去除； (5)遍历对齐并去除所有恒星后的每幅星图，识别所有空间目标。
2.根据权利要求1所述的天基空间目标识别方法，其特征在于，步骤(5)之后进一步包括:根据识别出的空间目标在每幅星图中的坐标值获取该空间目标的运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的天基空间目标识别方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括: (21)去除每幅星图的背景噪声； (22)遍历每幅星图，识别出灰度值大于阈值的所有星点，并获取相应坐标和亮度值，其中，所述星点为恒星或空间目标； (23)计算所识别出的所有星点的中心位置。
4.根据权利要求3所述的天基空间目标识别方法，其特征在于，步骤(21)进一步包括:设定背景噪声中背景阈值T为:
T = M+3 X σ , 其中，M为星图的平均灰度值，σ为标准差:
5.根据权利要求1所述的天基空间目标识别方法，其特征在于，步骤(3)进一步采用三角形全等法来确定三颗基准恒星: (31)分别将每幅星图中的所有星点按亮度值从高到低进行排序； (32)获取在所有星图中都出现的三个星点； (33)在各星图中把获取的三个星点组成相应的三角形，并根据各星点在相应星图中的坐标值计算相应三角形各边边长； (34)判断所有三角形是否全等，若是，则确定三角形各顶点所对应的星点为三颗基准恒星，若不全等，则更换每幅星图中三角形的同一顶点并返回步骤(33)。
6.根据权利要求5所述的天基空间目标识别方法，其特征在于，步骤(32)进一步包括: (321)根据亮度值排序获取第一幅星图中的第一星点，记录其坐标值； (322)根据亮度值排序获取第二幅星图中的第二星点，记录其坐标值； (323)计算第一星点与第二星点的相应坐标差； (324)若坐标差小于第二预设误差，则判定第一星点与第二星点是同一颗恒星分别在第一幅星图和第一幅星图中的像点，转到步骤(325)，若坐标差大于第二预设误差，则按亮度值排序更换第二幅星图中的星点并重复步骤(323)-(324);如果遍历完第二幅星图中的所有星点，则按亮度值排序更换第一幅星图中的星点并重复步骤(322)-(324)； (325)根据亮度值排序获取第三幅星图中的第三星点，记录其坐标值，计算第二星点与第三星点的相应坐标差，并按步骤(324)所述进行判断； (326)根据亮度值排序获取第四幅星图中的第四星点，记录其坐标值，计算第三星点与第四星点的相应坐标差，并按步骤(324)所述进行判断，从而找到一个在每幅星图中都出现的星点； (327)重复步骤(321)-(326)获取在所有星图中都出现的三个星点。
7.根据权利要求1所述的天基空间目标识别方法，其特征在于，步骤(5)进一步包括:(51)遍历去除所有恒星并对齐后的第一幅星图，若遍历到一星点M1(X1J1),则执行步骤(52)； (52)在第二幅星图中以(X1J1)为圆点、半径为小于三分之一星图尺寸的圆内遍历，若遍历到一星点M2(x2，y2)，根据相邻两幅星图中空间目标的坐标应是等差数列，计算该空间目标在第三幅星图中的理想位置(X’ 3，y’ 3)，并执行步骤(53):
【文档编号】G06K9/00GK103996027SQ201410211488
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】苏瑞丰, 胡海鹰, 张科科, 郑珍珍, 朱永生, 李宗耀, 盛蕾 申请人:上海微小卫星工程中心