CN102944239B - 一种用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法，目标天体图像的边缘提取，使用传统边缘算子法进行边缘点提取；候选弧段选择；拟合判断；晨昏线补充判断；本发明中的空间目标的晨昏线若不进行判断并剔除则将直接影响目标天体图像中心位置的拟合精度，本发明解决了行星际探测中目标天体晨昏线判断的问题，通过晨昏线判断找到真正的边缘点进行目标天体中心位置拟合，提升了天体图像目标中心的定位精度；具有高鲁棒性、高刷新率、高精度导航天体敏感器的研制具有重要工程使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法，属于空间光学成像敏感器领域。
背景技术
在奔火、环火弧段均需要对火星等其他深空探测目标进行拍照并确定火星矢量指向。由于太阳光照、轨道位置等制约火星图像将出现类似月球的晨昏线，此时用于火星中心矢量拟合的点若使用了晨昏线点将直接影响到定位精度，必须在拟合过程中判断出晨昏线点并且进行排除，因此必须设计晨昏线判断方法。文献1，李正，晨昏线的判定，中学政史地：教学指导版，2011(5)，对晨昏线的概念、特点、分类、运动规律进行了描述和说明，但未对晨昏线成像模型及识别方法进行研究；文献2，杨艳华，巧用晨昏线判断太阳直射点，新课程(中学版)，2010(3)，针对地球晨昏线的位置特点，研究了太阳直射地球纬度的确定方法。
上述文献均未解决从成像角度进行晨昏线的识别与判断问题，无法用于深空探测成像敏感器目标天体中心矢量的测量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法，解决了深空探测目标天体中心矢量高精度测量问题。
本发明技术方案：一种用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法，实现步骤为：
(1)目标天体图像的边缘提取，使用传统边缘算子法进行边缘点提取；
(2)计算天体图像360°所有边缘点的梯度大小；
(3)从0°开始以90°弧段为单位，每间隔30°进行一次弧段选择，并计算该90°弧段内所含有边缘点梯度大小的均值，对所有弧段进行梯度均值排序，选择均值最小的弧段作为晨昏线候选弧段，同时将晨昏候选弧段正的90°弧段选择为边缘候选弧段；
(4)对上述晨昏候选弧段、边缘候选弧段分别进行圆拟合，若晨昏候选弧段拟合中心与边缘候选弧段拟合中心位置的偏差小于等于设定阈值(一般选择为0.2～3个像元)，则说明目标天体成像中没有晨昏线，将目标天体图像360°所有边缘点进行重新拟合得到最终的目标天体图像中心位置；若晨昏候选弧段拟合中心与边缘候选弧段拟合中心位置的偏差大于设定阈值(一般选择为0.2～3个像元)，则进行所述圆拟合误差比较，若晨昏线候选弧段圆拟合误差大于边缘候选弧段圆拟合误差，则说明目标天体图像存在晨昏线且位置在候选弧段附近，此时将边缘候选弧段在起始端点、终止端点分别延伸30°将原来90°弧段延长形成150°的边缘点重新进行拟合得到最终的目标天体图像中心位置；若晨昏线候选弧段圆拟合误差小于等于边缘候选弧段圆拟合误差，则转入步骤(5)进行晨昏线补充判断；
(5)晨昏线补充判断，按照步骤(3)的弧段划分方法，以90°弧段为单位，进行所有弧段进行圆拟合并记录拟合误差，拟合输出中心位置点坐标(Xi，Yi)，对XY坐标分别进行排序选择中间值(Xm，Ym)设为O点，距离O点最远的输出中心位置点(Xj，Yj)对应的拟合弧段为晨昏候选弧段，选择其正对的弧段为边缘候选弧段，将边缘候选弧段在起始端、终止端分别扩张30°形成150°的边缘点重新进行拟合得到最终的目标天体图像中心位置。
所述步骤(2)中计算天体图像360°所有边缘点的梯度大小如下：
Gradx(x,y)＝f(x+λ,y)+f(x+λ-1,y)+…+f(x,y)-[f(x-1,y)+f(x-2,y)+…+f(x-λ,y)]
Grady(x,y)＝f(x,y+λ)+f(x,y+λ-1)+…+f(x,y)-[f(x,y-1)+f(x,y-2)+…+f(x,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代表总梯度大小，f(x，y)代表图像中(x，y)像素灰度，x为天体图像横坐标、y为天体图像纵坐标，上述λ代表梯度计算长度取值为3～5，sqrt为求均方符号。
本发明与现有技术相比的优点为：
(1)空间目标的晨昏线若不进行判断并剔除则将直接影响目标天体图像中心位置的拟合精度，本发明解决了行星际探测中目标天体晨昏线判断的问题，通过晨昏线判断找到真正的边缘点进行目标天体中心位置拟合，提升了天体图像目标中心的定位精度(由1°误差提高提升到0.05°)。
(2)本发明为高鲁棒性(适用于不同星相)、高刷新率(优于0.5Hz)、高精度(优于0.05°)导航天体敏感器的研制具有重要工程使用价值。
附图说明
图1为深空天体目标图像的示意图；
图2为本发明步骤(3)的弧段选择图；
图3为本发明实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示为输入的目标天体图像，因为太阳照射及敏感器拍摄位置引起的目标天体图像(a，b均存在晨昏线c不存在晨昏线)，存在晨昏线的目标天体图像显然无法直接由其360°的边缘点拟合出中心位置。
如图3所示，本发明具体实施步骤如下：
(1)目标天体图像的边缘提取，使用阈值法对目标天体图像进行分割，然后使用切线法提取天体图像的边缘点；
(2)计算边缘点梯度大小，计算目标天体图像360°所有边缘点的梯度大小如下：
Gradx(x,y)＝f(x+λ,y)+f(x+λ-1,y)+…+f(x,y)-[f(x-1,y)+f(x-2,y)+…+f(x-λ,y)]
Grady(x,y)＝f(x,y+λ)+f(x,y+λ-1)+…+f(x,y)-[f(x,y-1)+f(x,y-2)+…+f(x,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代表总梯度大小，f(x，y)代表图像中(x，y)像素灰度，x为天体图像横坐标、y为天体图像纵坐标，上述λ代表梯度计算长度取值为3～5，sqrt为求均方符号。
(3)候选弧段选择，如图2所示从0°开始以90°弧段为单位，每间隔30°进行一次弧段选择，逆时针第1个弧段为[0°～90°]，第2弧段为[30°～120°]以此类推共12个弧段，其中第12个弧段为[330°～420°]，正对关系为1弧段对7弧段，2弧段对8弧段，3弧段对9弧段，4弧段对10弧段，5弧段对11弧段，6弧段对12弧段。
计算该90°弧段内所含有边缘点梯度大小的均值，对所有弧段进行梯度均值排序，选择均值最小的弧段作为晨昏线候选弧段，同时将晨昏候选弧段正对的90°弧段选择为边缘候选弧段；
(4)拟合判断
对上述晨昏候选弧段、边缘候选弧段分别进行圆拟合，若晨昏候选弧段拟合中心与边缘候选弧段拟合中心位置的偏差小于等于设定阈值(一般选择为0.2～3个像元)，则说明目标天体成像中没有晨昏线，将目标天体图像360°所有边缘点进行重新拟合得到最终的目标天体图像中心位置；若晨昏候选弧段拟合中心与边缘候选弧段拟合中心位置的偏差大于设定阈值(一般选择为0.2～3个像元)，则进行所述圆拟合误差比较，若晨昏线候选弧段圆拟合误差大于边缘候选弧段圆拟合误差，则说明目标天体图像存在晨昏线且位置在候选弧段附近，此时将边缘候选弧段在起始端点、终止端点分别延伸30°将原来90°弧段延长形成150°的边缘点重新进行拟合得到最终的目标天体图像中心位置；若晨昏线候选弧段圆拟合误差小于等于边缘候选弧段圆拟合误差，则转入步骤(5)进行晨昏线补充判断；
(5)晨昏线补充判断
按照步骤(3)的弧段划分方法，以90°弧段为单位，进行所有弧段进行圆拟合并记录拟合误差，拟合输出中心位置点坐标(Xi，Yi)，对XY坐标分别进行排序选择中间值(Xm，Ym)设为O点，距离O点最远的输出中心位置点(Xj，Yj)对应的拟合弧段为晨昏候选弧段，选择其正对的弧段为边缘候选弧段，将边缘候选弧段在起始端、终止端分别扩张30°形成150°的边缘点重新进行拟合得到最终的目标天体图像中心位置。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法，其特征在于实现步骤为：
(1)目标天体图像的边缘提取，使用传统边缘算子法进行边缘点提取；
(2)计算天体图像360°所有边缘点的梯度大小；
(3)从0°开始以90°弧段为单位，每间隔30°进行一次弧段选择，并计算该90°弧段内所含有边缘点梯度大小的均值，对所有弧段进行梯度均值排序，选择均值最小的弧段作为晨昏线候选弧段，同时将晨昏候选弧段正对的90°弧段选择为边缘候选弧段；
(4)对上述晨昏候选弧段、边缘候选弧段分别进行圆拟合，若晨昏候选弧段拟合中心与边缘候选弧段拟合中心位置的偏差小于等于设定阈值，则说明目标天体成像中没有晨昏线，将目标天体图像360°所有边缘点进行重新拟合得到最终的目标天体图像中心位置；若晨昏候选弧段拟合中心与边缘候选弧段拟合中心位置的偏差大于设定阈值，则进行所述圆拟合误差比较，若晨昏线候选弧段圆拟合误差大于边缘候选弧段圆拟合误差，则说明目标天体图像存在晨昏线且位置在候选弧段附近，此时将边缘候选弧段在起始端点、终止端点分别延伸30°将原来90°弧段延长形成150°的边缘点重新进行拟合得到最终的目标天体图像中心位置；若晨昏线候选弧段圆拟合误差小于等于边缘候选弧段圆拟合误差，则转入步骤(5)进行晨昏线补充判断；
(5)晨昏线补充判断，按照步骤(3)的弧段划分方法，以90°弧段为单位，进行所有弧段进行圆拟合并记录拟合误差，拟合输出中心位置点坐标(Xi，Yi)，对XY坐标分别进行排序选择中间值(Xm，Ym)设为O点，距离O点最远的输出中心位置点(Xj，Yj)对应的拟合弧段为晨昏候选弧段，选择其正对的弧段为边缘候选弧段，将边缘候选弧段在起始端、终止端分别扩张30°形成150°的边缘点重新进行拟合得到最终的目标天体图像中心位置；
所述步骤(2)中计算天体图像360°所有边缘点的梯度大小如下：
Gradx(x，y)＝f(x+λ，y)+f(x+λ-1，y)+...+f(x，y)-[f(x-1，y)+f(x-2，y)+...+f(x-λ，y)]
Grady(x，y)＝f(x，y+λ)+f(x，y+λ-1)+...+f(x，y)-[f(x，y-1)+f(x，y-2)+...+f(x，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代表总梯度大小，f(x，y)代表图像中(x，y)像素灰度，x为天体图像横坐标、y为天体图像纵坐标，λ为梯度计算长度，sqrt为求均方符号。
2.根据权利要求1所述的用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法，其特征在于：所述步骤(4)中的设定阈值为0.2～3个像元。
3.根据权利要求1所述的用于深空探测自主导航的目标天体图像晨昏线判断方法，其特征在于：λ取值为3～5。
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