地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星跟踪方法
【专利摘要】地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星稳定跟踪方法属于利用图像处理技术的目标卫星跟踪方法领域，该跟踪方法通过增加目标卫星的识别方法，从而可以随时监控和判断跟踪窗口中的所有光斑，进而有效筛选和识别出目标卫星，排除干扰源，确保地基光测设备能够始终唯一的跟踪目标卫星。该方法快速、准确、简单、可靠，具有推广应用的潜在价值。
【专利说明】地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星跟踪方法
【技术领域】
[0001]本发明属于利用图像处理技术的目标卫星跟踪方法领域，具体涉及一种地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星稳定跟踪方法。
【背景技术】
[0002]地球轨道被大量卫星环绕，为了掌握各个卫星在空间的运行轨道以及对各个卫星空间位置精确定位，地面大量光学测量设备对卫星进行实时跟踪监测，不断更新卫星空间位置，及时修正卫星轨道数据。
[0003]传统的地基光测设备卫星跟踪方法通常都采用边缘检测法、重心法等图像处理技术。例如，利用边缘检测法对地基光测望远镜所跟踪拍摄到的目标卫星照片进行边缘检测，将照片处理为灰度图像，同时取得目标卫星在跟踪窗口中的像素坐标值。目标卫星在跟踪窗口中呈现为一个单一的白色光斑，而没有任何干扰目标的深空背景呈现为单一的灰色。
[0004]目标卫星在跟踪窗口中的像素坐标值与跟踪窗口自身的中心点像素坐标之间的矢量差通常称为目标卫星的脱靶量。光测设备将以脱靶量为依据驱动跟踪窗口向消除脱靶量的方向移动，以此实现对卫星标靶的连续可靠的追踪。
[0005]然而，随着光测设备探测能力不断提升，其所能探测到空间目标越来越多，宇宙的深空背景中不同亮度的恒星可能突然进入并穿过跟踪窗口，成为目标干扰源。
[0006]除目标卫星以外，还存在一个目标干扰源。干扰源是深空背景中的恒星在灰度图像中产生的光斑。在包含有干扰源的灰度图像中，干扰源同样呈现为白色光斑，传统的图像处理方法无法对其二者进行有效识别，由于目标干扰源的能量经常超过目标卫星的能量，因此利用传统的图像处理技术跟踪卫星，容易出现跟踪能量更高的恒星的现象，导致目标卫星跟丢，跟踪任务失败。
【发明内容】
[0007]为了解决重心、边缘检测等常规图像处理算法在处理地基光测设备卫星跟踪任务时，当深空背景中的恒星作为干扰源进入并穿过跟踪窗口时，在包含有干扰源的灰度图像中，干扰源和目标卫星均呈现为白色光斑，传统的图像处理方法无法对其二者进行有效识另IJ，可能造成跟踪窗口转而跟踪能量更高的恒星，导致目标卫星跟丢，跟踪任务失败的技术问题，本发明提供一种地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星跟踪方法。
[0008]本发明解决技术问题所采取的技术方案如下:
[0009]地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星跟踪方法包括以下步骤:
[0010]步骤一:采集图像，利用常规的卫星跟踪方法计算每一帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的脱靶量；
[0011]步骤二:求取步骤一所述灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值作为目标卫星光斑能量值的亮度参考量，其具体包含如下子步骤:
[0012]步骤2.1:计算求取步骤一所述最新的六帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值Εη，(η=0，1……5)，其中，最新的当前帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值计作Etl,当前帧之前的连续五帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值分别计作E1, E2, E3, E4和E5 ；
[0013]步骤2.2:计算步骤2.1所述E1, E2, E3, E4和E5的平均值Eto ；
[0014]步骤2.3:利用公式Diffis = IEiptt-EciI计算当前帧灰度值与当前帧之前的连续五帧的平均值E平均之间的差值Diffis ；
[0015]步骤三:求取步骤一所述灰度图像的灰度值总和，作为跟踪窗口中能量总和的亮度参考量，其具体包含如下子步骤:
[0016]步骤3.1:分别通过计算求出步骤一所述最新六帧灰度图像各自的跟踪窗口总灰度值Gn，(n=0,1……5)，其中，最新的当前帧跟踪窗口灰度图像的灰度值总和计作Gtl,当前帧之前的连续五帧跟踪窗口灰度图像各自的灰度值总和分别计作G1, G2, G3, G4和G5:
[0017]步骤3.2:计算步骤3.1所述G1, G2, G3, G4和G5的平均值Gto ；
[0018]步骤3.3:利用公式Diffem = | Giftt-Gci I计算当前帧灰度值与当前帧之前的连续五帧的平均值之间的差值DifTs口的绝对值；
[0019]步骤四:判定当前帧灰度图像中是否存在干扰源:
[0020]根据步骤一所采用的边缘检测算法对图像灰度值的分辨率，分别给出两个误差容错阈值T1和T2,并对逻 辑式Diff IS< T^Diff *p< T2进行逻辑计算，若逻辑式结果的值为真，则顺序执行步骤五；若逻辑式结果的值为假，则跳过步骤五直接执行步骤六；
[0021]步骤五:按照步骤一所述的脱靶量的矢量负值作为跟踪窗口的位移量，同时将Etl计作E1，将Gtl计作G1并按照顺延的方式更新历史数据，然后进入步骤七；
[0022]步骤六:按照卫星跟踪轨迹预测法计算下一帧的卫星轨迹矢量，其具体包括如下子步骤:
[0023]步骤6.1:调取当前帧之前的十四帧包含脱靶量的各连续卫星像素坐标历史数据，将这十四个卫星在像素坐标系中绝对位置的坐标点作为预测基准点，以便通过直线方程计算得出目标卫星的预测轨迹；
[0024]步骤6.2:采用最小二乘直线拟合法对步骤6.1所述的十四个连续的卫星像素坐标预测基准点运算处理，得出一条近似的卫星轨迹直线方程M ;同时得到卫星沿该方程的运动矢量方向K ；
[0025]步骤6.3:将步骤6.1所述各帧之间的时间间隔计作M步长，作为卫星运动矢量在时间横轴t上的移动步长预测值；
[0026]步骤6.4:分别将步骤6.3所述M步长以步骤6.2所述矢量方向K代入卫星轨迹直线方程M，即可得出卫星的预测帧坐标值；
[0027]再将最后一帧卫星照片中的卫星坐标和各帧之间的步长分别代入直线轨迹方程，即可计算得出卫星在下一帧灰度图像中的预测坐标点位置；
[0028]步骤6.5:以步骤6.1所述当前帧的上一帧卫星在像素坐标系中绝对坐标点为起点，并以步骤6.4所述的卫星的预测帧坐标值为终点，求解出一个步长Miwi下的卫星预测位置矢量A ；
[0029]步骤6.6:以步骤6.5所述卫星预测位置矢量A作为跟踪窗口的位移量，同时将Etl计作E1，将Gtl计作G1并按照顺延的方式更新历史数据，然后进入步骤五；[0030]步骤七:以步骤五或步骤六所给出的跟踪窗口的位移量驱动跟踪窗口，改变其瞄准方位；
[0031]步骤八:重新返回步骤一，循环执行步骤一至步骤七的卫星跟踪过程。
[0032]本发明的有益效果是:该跟踪方法通过增加目标卫星的识别方法，从而可以随时监控和判断跟踪窗口中的所有光斑，进而有效筛选和识别出目标卫星，排除干扰源，确保地基光测设备能够始终唯一的跟踪目标卫星。该方法快速、准确、简单、可靠，具有推广应用的潜在价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是本发明一种地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星稳定跟踪方法的总体流程图；
[0034]图2是本发明中步骤六的子流程图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0036]如图1至图2所示，本发明的地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星跟踪方法包括如下步骤:
[0037]步骤一:采集图 像，利用常规的卫星跟踪方法计算每一帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的脱靶量，并将该脱靶量的矢量负值作为跟踪窗口对目标卫星进行下一帧跟踪拍摄前调整方向的依据。
[0038]步骤二:求取步骤一所述灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值作为目标卫星光斑能量值的亮度参考量，其具体包含如下子步骤:
[0039]步骤2.1:计算求取步骤一所述最新的六帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值Εη，(η=0，1……5)，其中，光斑的中心点通常采用重心算法或者形心算法计算，同时将最新的当前帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值计作Etl,当前帧之前的连续五帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值分别计作E1, E2, E3, E4和E5。
[0040]步骤2.2:计算步骤2.1所述E1, E2, E3, E4和E5的平均值ETO。
[0041]步骤2.3:利用公式Diffis = IEiptt-EciI计算当前帧灰度值与当前帧之前的连续五帧的平均值Eto之间的差值Diff卫星。
[0042]步骤三:求取步骤一所述灰度图像的灰度值总和，作为跟踪窗口中能量总和的亮度参考量，其具体包含如下子步骤:
[0043]步骤3.1:分别通过计算求出步骤一所述最新六帧灰度图像各自的跟踪窗口总灰度值Gn，(n=0,1……5)，其中，最新的当前帧跟踪窗口灰度图像的灰度值总和计作Gtl,当前帧之前的连续五帧跟踪窗口灰度图像各自的灰度值总和分别计作G1, G2, G3, G4和G5:
[0044]步骤3.2:计算步骤3.1所述G1, G2, G3, G4和G5的平均值Gto。
[0045]步骤3.3:利用公式Diffem = | Giftt-Gci I计算当前帧灰度值与当前帧之前的连续五帧的平均值之间的差值DifTs口的绝对值。
[0046]步骤四:判定当前帧灰度图像中是否存在干扰源:
[0047]根据步骤一所采用的边缘检测算法对图像灰度值的分辨率，分别给出两个误差容错阈值T1和T2，并对逻辑式Diff M< T^Diff *p< T2进行逻辑计算，若逻辑式结果的值为真，则顺序执行步骤五。若逻辑式结果的值为假，则跳过步骤五直接执行步骤六。
[0048]步骤五:判定结果表示跟踪窗口中仅存在目标卫星，并不存在干扰源，按照步骤一所述的脱靶量的矢量负值作为跟踪窗口的位移量，同时将Etl计作E1，将Gtl计作G1并按照顺延的方式更新历史数据，然后进入步骤七。
[0049]步骤六:判定结果表示跟踪窗口中除了目标卫星以外，还同时存在其他干扰源，按照卫星跟踪轨迹预测法计算下一帧的卫星轨迹矢量，其具体包括如下子步骤:
[0050]步骤6.1:调取当前帧之前的十四帧包含脱靶量的各连续卫星像素坐标历史数据，将这十四个卫星在像素坐标系中绝对位置的坐标点作为预测基准点，以便通过直线方程计算得出目标卫星的预测轨迹。
[0051]步骤6.2:采用最小二乘直线拟合法对步骤6.1所述的十四个连续的卫星像素坐标预测基准点运算处理，得出一条近似的卫星轨迹直线方程Μ。同时得到卫星沿该方程的运动矢量方向K。
[0052]步骤6.3:将步骤6.1所述各帧之间的时间间隔计作M步长，作为卫星运动矢量在时间横轴t上的移动步长预测值。
[0053]步骤6.4:分别将步骤6.3所述M步长以步骤6.2所述矢量方向K代入卫星轨迹直线方程M，即可得出卫星的预测帧坐标值。
[0054]再将最后一帧卫星照片中的卫星坐标和各帧之间的步长分别代入直线轨迹方程，即可计 算得出卫星在下一帧灰度图像中的预测坐标点位置。
[0055]步骤6.5:以步骤6.1所述当前帧的上一帧卫星在像素坐标系中绝对坐标点为起点，并以步骤6.4所述的卫星的预测帧坐标值为终点，求解出一个步长Miwi下的卫星预测位置矢量A0
[0056]步骤6.6:以步骤6.5所述卫星预测位置矢量A作为跟踪窗口的位移量，同时将Etl计作E1，将Gtl计作G1并按照顺延的方式更新历史数据，然后进入步骤五。
[0057]步骤七:以步骤五或步骤六所给出的跟踪窗口的位移量驱动跟踪窗口，改变其瞄准方位。
[0058]步骤八:重新返回步骤一，循环执行步骤一至步骤七的卫星跟踪过程。
[0059]该跟踪方法通过增加目标卫星的识别方法，从而可以随时监控和判断跟踪窗口中的所有光斑，进而有效筛选和识别出目标卫星，排除干扰源，确保地基光测设备能够始终唯一的跟踪目标卫星。该方法快速、准确、简单、可靠，具有推广应用的潜在价值。
【权利要求】
1.地基光测设备克服恒星穿越探测窗口干扰的卫星跟踪方法，其特征在于， 该方法包括如下步骤: 步骤一:采集图像，利用常规的卫星跟踪方法计算每一帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的脱靶量； 步骤二:求取步骤一所述灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值作为目标卫星光斑能量值的亮度参考量，其具体包含如下子步骤: 步骤2.1:计算求取步骤一所述最新的六帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值En, (n=0,1......5),其中,最新的当前帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值计作Etl,当前帧之前的连续五帧灰度图像中目标卫星所形成的光斑中心的灰度值分别计作 E1, E2, E3, E4 和 E5 ； 步骤2.2:计算步骤2.1所述E1, E2, E3, E4和E5的平均值Eto ； 步骤2.3:利用公式Diffis= I Eiftt-Eci I计算当前帧灰度值与当前帧之前的连续五帧的平均值E平均之间的差值Diffis ； 步骤三:求取步骤一所述灰度图像的灰度值总和，作为跟踪窗口中能量总和的亮度参考量，其具体包含如下子步骤: 步骤3.1:分别通过计算求出步骤一所述最新六帧灰度图像各自的跟踪窗口总灰度值Gn，( n=0，I……5 )，其中，最新的当前帧跟踪窗口灰度图像的灰度值总和计作Gtl，当前帧之前的连续五帧跟踪窗口灰度图像各自的灰度值总和分别计作G1, G2, G3, G4和G5: 步骤3.2:计算步骤3.1所述G1, G2, G3, G4和G5的平均值Gto ； 步骤3.3:利用公式Diffem = | Giftt-Gci I计算当前帧灰度值与当前帧之前的连续五帧的平均值G平均之间的差值Di f f s 口的绝对值； 步骤四:判定当前帧灰度图像中是否存在干扰源: 根据步骤一所采用的边缘检测算法对图像灰度值的分辨率，分别给出两个误差容错阈值T1和T2,并对逻辑式Diff IS< T1&Diffep< T2进行逻辑计算，若逻辑式结果的值为真，则顺序执行步骤五；若逻辑式结果的值为假，则跳过步骤五直接执行步骤六； 步骤五:按照步骤一所述的脱靶量的矢量负值作为跟踪窗口的位移量，同时将Etl计作E1，将Gtl计作G1并按照顺延的方式更新历史数据，然后进入步骤七； 步骤六:按照卫星跟踪轨迹预测法计算下一帧的卫星轨迹矢量，其具体包括如下子步骤: 步骤6.1:调取当前帧之前的十四帧包含脱靶量的各连续卫星像素坐标历史数据，将这十四个卫星在像素坐标系中绝对位置的坐标点作为预测基准点，以便通过直线方程计算得出目标卫星的预测轨迹； 步骤6.2:采用最小二乘直线拟合法对步骤6.1所述的十四个连续的卫星像素坐标预测基准点运算处理，得出一条近似的卫星轨迹直线方程M ;同时得到卫星沿该方程的运动矢量方向K ； 步骤6.3:将步骤6.1所述各帧之间的时间间隔计作Miwi，作为卫星运动矢量在时间横轴t上的移动步长预测值； 步骤6.4:分别将步骤6.3所述M以步骤6.2所述矢量方向K代入卫星轨迹直线方程M，即可得出卫星的预测 帧坐标值；再将最后一帧卫星照片中的卫星坐标和各帧之间的步长Miwi分别代入直线轨迹方程，即可计算得出卫星在下一帧灰度图像中的预测坐标点位置； 步骤6.5:以步骤6.1所述当前帧的上一帧卫星在像素坐标系中绝对坐标点为起点，并以步骤6.4所述的卫星的预测帧坐标值为终点，求解出一个步长下的卫星预测位置矢量A ； 步骤6.6:以步骤6.5所述卫星预测位置矢量A作为跟踪窗口的位移量，同时将Etl计作E1，将Gtl计作G1并按照顺延的方式更新历史数据，然后进入步骤五； 步骤七:以步骤五或步骤六所给出的跟踪窗口的位移量驱动跟踪窗口，改变其瞄准方位； 步骤八:重新返回步骤一，循环执行步骤一至步骤七的卫星跟踪过程。
【文档编号】B64G3/00GK103729644SQ201310671423
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】王明佳, 武治国, 王宇庆 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所