一种基于面积法的对地姿态解算方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于面积法的对地姿态解算方法，属于航天器导航、制导与控制领域，所述方法包括以下几个步骤：步骤一：图像二值化；步骤二：进行连通域标记与合并，并提取最大连通域；步骤三：边缘提取，利用目标特性进一步确认目标连通域；步骤四：对地姿态解算。本发明提出的基于面积法的对地姿态解算方法在噪声点较多，其他干扰目标区域小于待提取目标，待提取目标区域较规范的情况下，具有良好的效果。
【专利说明】
一种基于面积法的对地姿态解算方法
技术领域
[0001] 本发明属于航天器导航、制导与控制领域，具体涉及一种基于面积法的对地姿态 解算方法。
【背景技术】
[0002] 红外地平仪作为一种最早应用于航天航空领域的姿态敏感器，一直以来都是各种 卫星姿轨控系统的重要组成部分。按照工作方式，红外地平仪可以分为动态地平仪和静态 地平仪，圆锥扫描式动态地平仪是动态地平仪中的一种，采用绕固定转轴扫描的方式实现， 这种地平仪包含有机械扫描装置，所以体积比较大，功耗也很高，测量精度低。
[0003] 20世纪90年代初，随着小卫星技术的发展给对红外地平仪的要求日益提高，红外 地平仪逐渐向着模块化、小型化、高精度方向发展，动态地平仪已经无法满足其要求。而静 态红外地平仪采用凝视成像，不需要扫描机械的运动，在质量、功耗、精度及使用寿命等方 面相比动态地平仪都有一定的优势，因此，静态红外地平仪已经成为近年来研究的重点。
【发明内容】
[0004] 针对上述内容，本发明提出一种基于面积法的对地姿态解算方法，去除了噪声点 和其他小目标的干扰，提高了计算准确度与精度。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于面积法的对地姿态解算方 法，其中包括以下步骤：
[0006] 步骤一、图像二值化；
[0007] 利用二值化的阈值T，对利用红外探测器对整个地平圈成像的图像进行二值化;扫 描整幅图像，将图像中像素点的灰度值小于阈值T的点作为背景点，将背景点的灰度值置为 〇,并将像素点的灰度值大于阈值T的点作为目标点，将目标点的灰度值置为255;
[0008] 步骤二、连通域的标记、合并，和最大连通域提取；
[0009] 从左至右、从上至下扫描二值化后的图像，对扫描到的目标点采用四连通的方法 来标记其连通域；
[0010] 对具有不同标记，但是属于相同连通域的像素点进行连通域的合并；按照地球在 成像平面上属于最大连通域且为圆形的图像特性，对合并后的连通域提取最大连通域，并 保存其相关信息；
[0011] 步骤三、边缘提取，利用目标特性进一步确认目标连通域；
[0012] 利用sobel边缘提取算法的水平边缘检测算子Gx和垂直边缘检测算子Gy，对步骤 二提取出的圆形的最大连通域进行边缘提取；
[0013] 将边缘提取后的目标圆置于极坐标系下，使极轴沿逆时针扫过目标圆，根据极轴 以最小极角Θmin和最大极角Gmax分别与目标圆相切时目标圆圆心到切点的距离R2、R3，以及 在极轴以极角S 1与目标圆交于两个交点且这两个交点之间的距离为最长弦长I1时得到的半 径参数Rl = li/2，判断Rl，R2，R3三值接近且误差在设定的阈值范围ε之内时，确认提取出的 最大连通域即为目标连通域；
[0014] 步骤四：对地姿态解算；
[0015] 利用重心法求取地球的中心，按圆的面积公式计算出地球半径;设图像有效面阵 大小为Nx X Ny，视场角为Fo Vx X Fovy，X方向每个像素点对应的角度为Fo vx/Nx，Y方向上每个 像素点对应的角度为F〇Vy/N y，根据地球的中心坐标(Xs，ys)得出中心偏离探测器的角度，X 方向为俯仰角Φτ，Y方向为滚动角Φ Ρ，计算如下：
[0016] ΦΓ = (xs-Nx/2) XFovx/Nx
[0017] Φρ= (ys_Ny/2) XFoVy/Ny〇
[0018] 优选地，将扫描到的目标点作为当前点，根据当前点的左前点Left、右后点Right、 正上方点Top、正下方点Bottom的标记状态，对该当前点进行连通域标记，包含以下过程：
[0019] A、当Left点和Top点的灰度值均为0时，为当前点标记一个新的标记点；
[0020] B、当Left点的灰度值为0且Top点被标记时，使当前点的标记与Top点的标记一致；
[0021] C、当Top点的灰度值为0且Left点被标记时，使当前点的标记与Left点的标记一 致；
[0022] D、当Top点与Left点均被标记时，使当前点的标记与Left点的标记一致；
[0023]若Top点的标记与Left点的标记一致，则转向A，重新循环当前点的下一个像素点； 若Top点的标记与Lef t点的标记不一致，将Lef t点与Top点的标记称为有效标记对，并对应 地将有效标记对中L e f t点的标记和T 〇 p点的标记分别存入一维数组L A r r r y和一维数组 TArray中，转向E;
[0024] E、当出现有效标记对时，搜索当前点所在一列中已经标记完的像素点，若这一列 中已经标记完的像素点的标记与Top点一致，将这一列中已经标记完的像素点标记为与 Left点一致，转向A，重新循环当前点的下一个像素点。
[0025] 优选地，为了合并连通域，在对整幅图像标记完成后，根据有效标记对的数组 LArrry和TArray搜索图像;若搜索到与TArray数组中一致的标记点，则将其置为与TArray 数组对应的LArray数组中的标记，循环反复直至整个有效标记对数组确认完毕，完成连通 域的合并；
[0026] 为了提取最大连通区域，统计具有相同标记的像素点的个数，并得到具有相同标 记的像素点个数的最大值S及对应像素点的Xc；， y。坐标，将对应像素点的Xc；，y。坐标存在像素 坐标数组XArray与YArray中。
[0027] 优选地，将边缘提取后的目标圆置于极坐标系下，使极轴沿逆时针扫过目标圆，建 立极坐标系下目标连通域边缘像素点的查找表(Θ，Ρ)和（0，1，1， 7)，在查找表中记录以下内 容并以极角Θ作为关键字索引：
[0028] 极轴以最小极角0min与目标圆相切时与最小极角0min对应的极径pQ、交点坐标( χο， yo)和弦长Io = O;
[0029] 极轴与目标圆有两个交点时的每个极角Θ，和与每个极角Θ对应的一个长度短的极 径P和一个长度长的极径P"，该极径P对应的交点坐标（x，y)和该极径P"对应的交点坐标 (x"，y"），和两个交点之间圆的弦长1;其中，每个极角θ由小到大排序直到与目标圆的最长 弦长h对应的极角9 i;
[0030] 极轴以最大极角0max与目标圆相切时与最大极角0max对应的极径pn、交点坐标( Xn， yn)和弦长1η = 0。
[0031 ]优选地，设极坐标系的原点0，目标圆的圆心点s，极轴以最小极角0min与目标圆相 切的切点C1，极轴以最大极角0max与目标圆相切的切点C2;
[0032] 在直角三角形SOCi中，计算线段sci = tan(9i-0min)*p()，$R2 = sci;
[0033] 在直角三角形soC2中，计算线段sc2 = tan(9max-0i)*pn，$R3 = sc2;
[0034] 若R1，R2，R3满足如下关系：
[0035] Rl-R2|<e
[0036] Rl-R3|<e
[0037] R2-R3|<e
[0038] 表示R1、R2、R3三值接近且误差在设定的阈值范围ε之内，则确认提取出的最大连 通区域即为目标连通区域。
[0039] 优选地，通过累加，得到像素坐标数组XArray中坐标X。的和，及像素坐标数组 YArray中坐标y。的和，分别除以步骤二中得到的具有相同标记的像素点个数的最大值S，得 到地球的中心坐标X s，ys。
[0040] 本发明公开的一种基于面积法的对地姿态解算方法，具有的优点在于：
[0041] (1)本发明通过提取最大连通域为目标区域，去除了噪声点和其他小目标的干扰；
[0042] (2)本发明利用目标的圆特性来进一步确认目标区域，提高了计算准确度与精度；
[0043] (3)本发明建立了极坐标系下的查找表进行索引，进一步加快了求取时间。
[0044] 本发明的方法尤其在噪声点较多，其他干扰目标区域小于待提取目标，待提取目 标区域较规范的情况下，具有很好的效果。
【附图说明】
[0045] 图1:本发明提出的一种基于面积法的对地姿态解算方法的流程图；
[0046] 图2:本发明提出的连通域标记示意图；
[0047]图3:本发明提出的sobel水平与垂直检测算子示意图；
[0048] 图4:本发明提出的利用目标圆特性确认目标区域示意图；
[0049] 图5:本发明提出的极坐标系下建立的查找表示意图；
[0050] 图6:本发明提出的极坐标系下建立的另一查找表示意图。
【具体实施方式】
[0051] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0052] 地球是一个扁率很小的球体，其平均温度约为247K，而它的冷空间背景的温度仅 为4K，因此在外层空间的不同方向上看地球，地球是一个在冷背景上"灼热"的圆盘。本发明 中利用红外探测器对整个地平圈成像，对红外图像进行预处理后得到质量较好的灰度图 像，采用相应的算法对该灰度图像进行处理，提取出地球的中心和半径，将计算得到的地球 中心坐标转化为相应的姿态角，达到解算姿态的目的。
[0053] 本发明提出一种基于面积法的对地姿态解算方法，如图1所示，具体包括以下几个 步骤：
[0054]步骤一：图像二值化；
[0055]利用二值化的阈值T，对图像进行二值化。扫描整幅图像，判断图像像素的灰度值 G，若G〈T，则认为该点为背景点，将该像素点的灰度值置为0,若G>T，则认为该点为目标点， 将该像素点的灰度值置为255。
[0056] 步骤二:连通域分割；
[0057]对具有不同标记，但是属于相同连通域的像素点进行连通域的合并。按照图像特 性，地球在成像平面上属于最大连通域且为圆形，因此，对合并后的连通域，提取最大连通 域作为目标连通域，并保存其相关信息。
[0058] (1)标记连通域；
[0059]如图2a所示，从左至右，从上至下扫描图像，设当前点G的四连通域的四个点分别 为左前点Left，右后点Right，正上方的点Top，正下方点Bottom。当前点的标记分为以下几 种情况：
[0060] (A)当Left点和Top点的灰度值均为0时，为当前点标记一个新的标记点，参见图 2b；
[0061] (B)当Left点的灰度值为0，Τ〇ρ点被标记时，使当前点的标记与Top点的标记一致， 参见图2c;
[0062] (C)当Top点的灰度值为0，Left点被标记时，使当前点的标记与Left点的标记一 致，参见图2d;
[0063] (D)当Top点与Lef t点均被标记时，使当前点的标记与Lef t点的标记一致，参见图 2e〇
[0064]若Top点的标记与Left点的标记一致，则转向（A)，重新循环下一个像素点；若Top 点的标记与Left点的标记不一致，记录下Left与Top点的标记，称为有效标记对，将其对应 存入二个一维数组LArrry (存放Left点的标记）与TArray (存放与Left电对应的Top点的标 记）中，转向(E);
[0065] (E)当出现有效标记对时，搜索这一列中已经标记完的像素点，若搜索到这一列中 已经标记完的像素点的标记与Top-致，将这一列中已经标记完的像素点标记为与Left点 一致。转向(A)，重新循环下一个像素点。
[0066] (2)合并连通域；
[0067]整幅图像标记完成后，根据步骤二中得到的有效标记对数组，搜索图像，若遇见与 TArray数组中一致的标记点，则将其置为与TArray数组对应的LArray数组中的标记，循环 反复直至整个有效标记对数组确认完毕，连通域合并完毕。
[0068] (3)提取最大连通区域；
[0069] 统计具有相同标记的像素点的个数，并得到具有相同标记的像素点个数的最大值 S及对应像素点的X。，y。坐标，存在像素坐标数组XArray与YArray中。
[0070] 步骤三:边缘提取，利用圆特性进一步确认连通域；
[0071] (1)边缘提取；
[0072] 利用sobel边缘提取算法对步骤二提出的圆形目标连通域进行边缘提取。Sobel边 缘算子如图3所示，Gx为水平边缘检测算子，Gy为垂直边缘检测算子。
[0073] (2)建立极坐标系下目标连通域边缘像素点的查找表；
[0074]如图4所示，建立以0点为中心，OL轴为极轴的极坐标系，将边缘提取后的目标圆置 于该坐标系下，将极轴沿逆时针扫过，则圆上的点与极轴的交点有两种情况：
[0075] (A)圆与极轴有两个交点
[0076] 圆与极轴有两个交点，且两个交点的极角Θ相等，每个极角Θ对应着两个极径p和 P〃。两个交点之间的距离称为圆的弦，最长弦长I 1即为圆的直径，极角SS1，由此可以确定判 定圆的一个半径参数Rl = li/2。
[0077] (B)圆与极轴有一个交点
[0078] 即圆两侧的两条切线，对应着最小极角0min和最大极角0max，与0min对应的圆切线交 圆于点Cl，与Q max对应的圆切线与圆交于点C2。
[0079] 在极坐标系OL中，圆上每个边缘点对应的极角Θ都能对应得到一个弦长1，每个弦 长1可对应得到两个交点的坐标(两侧切线除外），同时，每个Θ对应着两个极径P和P"(两侧 切线除外），据此建立如图5-6所示以极角Θ作为关键字索引的查找表。
[0080] 其中，（θ，ρ)查找表中最大极角0max和最小极角0min对应的极径pQ、p n分别记在该查 找表的首末两端;其他的每个极角Θ对应的两个极径的排列方式为极径长度短的P在前，极 径长度长的P"在后。（0，l，x，y)查找表中极角Θ对应与圆的两个交点坐标的排列方式为极径 长度短的坐标(X，y)在前，极径长度长的坐标(X"，y"）在后。
[0081 ]最大极角Qmax和最小极角0min对应的极轴与圆只有一个交点，分别为(XO，yo )和(Xn， yn)，定义与之相应的弦长l〇，ln为0,记录在该查找表的首末两端。根据与圆有两个交点时的 交点坐标(x，y)和(X"，y"），计算与极角θ对应的弦长：
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] (3)确认目标连通域
[0087]与0min对应的圆切线与圆交于点C1，设圆心坐标为s，则在直角三角形socl中，Z S〇Cl = 0i-0min，线段Ocl的长度即为（θ，ρ)查找表中0min对应的极径p〇,则在直角三角形S 0C1 中，sci = tan(9i-0min)*p()，令R2 = sci。同理，在直角三角形SOC2中，线段0c2的长度即为（θ，p) 查找表中 9max对应的极径Pn，Z SOC2 = 0max_0i，SC2 = tan ( 9max_0i )*pn，令R3 = SC2 〇
[0088] 若R1，R2，R3满足如下关系：
[0089] Rl-R2|<e
[0090] Rl-R3|<e
[0091] R2-R3|<e
[0092] 表示R1、R2、R3三值接近且误差在设定的阈值范围ε之内，则确认提取出的连通区 域即为目标连通区域。
[0093]步骤四：对地姿态解算；
[0094] 利用重心法求取地球的中心，按圆的面积公式计算出半径。即，根据圆的面积公式 S = JiR2可以求得地球的半径R;累加数组XArray中Xc坐标的和，及数组YArray中y c坐标的和， 分别除以像素点的个数(即步骤二中得到的数值S)，得到地球的中心坐标(xs，ys)。
[0095] 设图像有效面阵大小为Nx X Ny，视场角为Fo vx X Fovy，X方向每个像素点对应的角 度为F〇Vx/Nx，Y方向上每个像素点对应的角度为F 〇Vy/Ny，根据地球的中心坐标(xs，ys)，可得 出中心偏离探测器的角度:X方向为俯仰角Φ !·，Y方向为滚动角Φ P，大小为：
[0096] ΦΓ = (xs-Nx/2) XFovx/Nx
[0097] Φρ= (ys-Ny/2) XFovy/Ny
[0098] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【主权项】
1. 一种基于面积法的对地姿态解算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、图像二值化； 利用二值化的阈值T，对利用红外探测器对整个地平圈成像的图像进行二值化;扫描整 幅图像，将图像中像素点的灰度值小于阈值T的点作为背景点，将背景点的灰度值置为0,并 将像素点的灰度值大于阈值T的点作为目标点，将目标点的灰度值置为255; 步骤二、连通域的标记、合并，和最大连通域提取； 从左至右、从上至下扫描二值化后的图像，对扫描到的目标点采用四连通的方法来标 记其连通域； 对具有不同标记，但是属于相同连通域的像素点进行连通域的合并；按照地球在成像 平面上属于最大连通域且为圆形的图像特性，对合并后的连通域提取最大连通域，并保存 其相关信息； 步骤三、边缘提取，利用目标特性进一步确认目标连通域； 利用sobel边缘提取算法的水平边缘检测算子Gx和垂直边缘检测算子Gy，对步骤二提 取出的圆形的最大连通域进行边缘提取； 将边缘提取后的目标圆置于极坐标系下，使极轴沿逆时针扫过目标圆，根据极轴以最 小极角Qmin和最大极角9max分别与目标圆相切时目标圆圆心到切点的距离R2、R3，以及在极 轴以极角0 1与目标圆交于两个交点且这两个交点之间的距离为最长弦长^寸得到的半径参 数R1 = li/2，判断R1，R2，R3三值接近且误差在设定的阈值范围ε之内时，确认提取出的最大 连通域即为目标连通域； 步骤四：对地姿态解算； 利用重心法求取地球的中心，按圆的面积公式计算出地球半径;设图像有效面阵大小 为Νχ X Ny，视场角为Fovx X Fovy，X方向每个像素点对应的角度为Fovx/Nx，Υ方向上每个像素 点对应的角度为F 〇Vy/Ny，根据地球的中心坐标(Xs，ys)得出中心偏离探测器的角度，X方向 为俯仰角Φ r，Y方向为滚动角Φ p，计算如下： Φγ = (xs-Nx/2) XFovx/Nx Φρ = (yS-Ny/2) XF〇Vy/Ny。2. 如权利要求1所述基于面积法的对地姿态解算方法，其特征在于， 将扫描到的目标点作为当前点，根据当前点的左前点L e f t、右后点R i g h t、正上方点 Top、正下方点Bottom的标记状态，对该当前点进行连通域标记，包含以下过程： A、 当Lef t点和Top点的灰度值均为0时，为当前点标记一个新的标记点； B、 当Left点的灰度值为0且Top点被标记时，使当前点的标记与Top点的标记一致； C、 当Top点的灰度值为0且Left点被标记时，使当前点的标记与Left点的标记一致； D、 当Top点与Lef t点均被标记时，使当前点的标记与Lef t点的标记一致； 若Top点的标记与Left点的标记一致，则转向A，重新循环当前点的下一个像素点；若 Top点的标记与Left点的标记不一致，将Left点与Top点的标记称为有效标记对，并对应地 将有效标记对中Left点的标记和Top点的标记分别存入一维数组LArrry和一维数组TArray 中，转向E; E、 当出现有效标记对时，搜索当前点所在一列中已经标记完的像素点，若这一列中已 经标记完的像素点的标记与Top点一致，将这一列中已经标记完的像素点标记为与Left点 一致，转向A，重新循环当前点的下一个像素点。3. 如权利要求2所述基于面积法的对地姿态解算方法，其特征在于， 为了合并连通域，在对整幅图像标记完成后，根据有效标记对的数组LArrry和TArray 搜索图像；若搜索到与TArray数组中一致的标记点，则将其置为与TArray数组对应的 LArray数组中的标记，循环反复直至整个有效标记对数组确认完毕，完成连通域的合并； 为了提取最大连通区域，统计具有相同标记的像素点的个数，并得到具有相同标记的 像素点个数的最大值S及对应像素点的Xc；，y。坐标，将对应像素点的Xc；，y。坐标存在像素坐标 数组 XArray 与 YArray 中。4. 如权利要求1或3所述基于面积法的对地姿态解算方法，其特征在于， 将边缘提取后的目标圆置于极坐标系下，使极轴沿逆时针扫过目标圆，建立极坐标系 下目标连通域边缘像素点的查找表(θ，ρ)和(0，l，x，y)，在查找表中记录以下内容并以极角 Θ作为关键字索引： 极轴以最小极角9min与目标圆相切时与最小极角9min对应的极径PQ、交点坐标(XQ，yQ )和 弦长1〇 = 〇; 极轴与目标圆有两个交点时的每个极角Θ，和与每个极角Θ对应的一个长度短的极径p 和一个长度长的极径P"，该极径P对应的交点坐标(X，y)和该极径P"对应的交点坐标(X"， y"），和两个交点之间圆的弦长1;其中，每个极角θ由小到大排序直到与目标圆的最长弦长 h对应的极角9i; 极轴以最大极角与目标圆相切时与最大极角9max对应的极径pn、交点坐标(xn，y n)和 弦长1η = 0。5. 如权利要求4所述基于面积法的对地姿态解算方法，其特征在于， 设极坐标系的原点〇，目标圆的圆心点S，极轴以最小极角0min与目标圆相切的切点C1，极 轴以最大极角与目标圆相切的切点C2; 在直角三角形S0C1 中，计算线段sci = tan(9i-0min)*p()，$R2 = sci; 在直角三角形S0C2中，计算线段sc2 = tan(9max-0i)*pn，$R3 = sc2; 若R1，R2，R3满足如下关系： Rl-R2|<e Rl-R3|<e R2-R3|<e 表示R1、R2、R3三值接近且误差在设定的阈值范围ε之内，则确认提取出的最大连通区 域即为目标连通区域。6. 如权利要求5所述基于面积法的对地姿态解算方法，其特征在于， 通过累加，得到像素坐标数组XArray中坐标xc的和，及像素坐标数组YArray中坐标yc的 和，分别除以步骤二中得到的具有相同标记的像素点个数的最大值S，得到地球的中心坐标 xs，ys〇
【文档编号】G06T7/00GK106056574SQ201610290603
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】伍玲玲, 窦伟, 郑循江, 井丽红, 庞欢
【申请人】上海航天控制技术研究所