CN103148840A - 一种地球紫外像的质心坐标提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地球紫外像的质心坐标提取方法，如下：读取紫外光学相机拍摄地球紫外波段像的图像；利用边缘检测方法，判断地球紫外波段像似“环”状的图像还是似“弧”状的图像，地球紫外波段像似“环”状的图像，适当选取“环”上三个点，以这三个点作“环”的圆心，该圆心就是地球质心，地球紫外波段像似“弧”状的图像，选取“弧”的两个端点和“弧”的中心点，以这三个点作“弧”的圆心，该圆心就是地球质心。本发明能够提取较高精度的地球紫外像点位置，从而为飞行器提高了导航精度；不管飞行器星下点是“日出”、“午后”还是“日落”，都能正确提取地球紫外像的质心。

Description

一种地球紫外像的质心坐标提取方法

技术领域

本发明涉及一种地球紫外像的质心坐标提取方法。

背景技术

星敏感器是一种以恒星为观测基准的高精度姿态敏感器，能够提供角秒级甚至更高精度的惯性姿态信息，是目前精度最高的姿态敏感器。星敏感器的姿态信息来自两个方面，恒星星光方向矢量在惯性参考坐标系的指向和恒星星光方向矢量在星敏感器坐标系的指向。红外地平仪是一种地球敏感器，它利用地球边缘区内红外线热辐射值的陡变，获得地球地平信息，用来确定卫星与地球球心连线的矢量方向。在天文导航系统中得到广泛的应用。根据星敏感器和红外地平仪的工作原理，星敏感器能为飞行器直接提供三轴欧拉角，而红外地平仪只能为飞行器提供偏航角和俯仰角，因此单纯利用这两种传感器不能为飞行器提供自主导航。

为此，很多自主导航学者提出采用星敏感器和红外地平仪的方法来实现自主天文导航，自主天文导航方法主要包括直接敏感地平技术和间接敏感地平。直接敏感地平利用星敏感器与红外地平仪相结合组成天文导航系统，这种最传统的自主天文导航方法成本低、技术成熟和可靠性好，但是由于地球辐射的红外波段特性不稳定，这就降低了红外地球敏感器测量地球视半径的精度，由于地球视半径精度的降低，导致确定飞行器的位置信息精度降低。所以这种方法导航精度不高。间接敏感地平利用星敏感器观测折射星，通过大气对星光折射的数学模型及误差补偿的方法来精确敏感地平，从而实现卫星的高精度导航。国外研究结果表明，这种方法能够达到很高的导航精度，但是由于折射星个数是有限的，不能利用折射星连续地为飞行器提供观测信息，因此间接敏感地平在实时性方面不如直接敏感地平。

地球边沿辐射的紫外波段，无论在白天或夜间均存在适应于探测的紫外临边辐射的特征，这些特征中的临边辐射极值高度具有稳定的特点，随经纬度和季节变化很小，随观测方位角变化也很小。这一特征以足够精度来为图像传感器的建立提供信号基础。因此可以采用地球紫外波段和恒星可见光波段来实现对卫星的自主导航。

利用地球紫外特征和恒星可见光相结合的信息融合自主导航方法：利用星敏感器观测导航恒星得到星光在星敏感器测量坐标系得方向矢量，而星敏感器与飞行器本体之间的安装转换矩阵是已知的，所以可以计算得到恒星星光在飞行器本体坐标系中的方向矢量。利用地球紫外特征测量飞行器垂线方向，计算得到地心矢量在卫星本体坐标系中的方向，取地心方向矢量和地心距离作为观测值，以弥补星敏感器在工作区域上的局限。将这两种模式相互结合、优势互补，进行信息融合滤波，确定导航系统的位置和速度，提高了系统的精度和可靠性等方面的性能，是一种很有前途的卫星自主导航方法。

当前有些学者提出采用地球紫外特性和恒星可见光的方法来实现自主导航，这些导航方法只在导航过程只考虑了地球形状对导航精度的影响，没有考虑由于地球的自转或者卫星绕地球运行造成的昼夜影响地球周围紫外线的反射变化情况，然后由于地球周围紫外线的反射变化会引起地球成像形状的轮廓，造成提取地球紫外像坐标的变化，从而导致对卫星自主导航精度降低。

为了实现地球紫外特征和恒星可见光相结合的自主导航原理可知，首先必须获取地球紫外特征的像的质心坐标，对于光学传感器，为了提高获取目标像坐标的精度，通常采用散焦的技术，然后利用质心法来获取目标像的坐标。紫外光学相机拍摄的地球表面紫外光主要是由于太阳照射到地球后，地球表面大气反射造成的，地球紫外特性随着太阳光与地表面的夹角变化而变化，但是在同一格林威治时刻，地球紫外特性是稳定的，所以，紫外光学相机拍摄的地球表面紫外像的轮廓随着太阳光与地表面的夹角变化而变化，该轮廓有时是整个圆，有时是整个环，有时形如“弧”形状，这样不能直接采用质心法来获取地球紫外特性像的质心坐标。

光学导航相机的分辨率是由视场和像平面阵列规模决定的，如果目标像只在一个像元上成像，那么像平面的设备分辨率将是光学导航相机精度的上限。如果视场半径为θ，像平面阵列规模为N×N，那么其固有设备分辨率为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{2\mathrm{\θ}}{N}---\left(1\right)$

当θ为6°，N为512时，固有设备分辨率为

显然不能满足光学导航相机导航的精度要求。为了提高光学导航相机导航的精度，通常有光学导航相机光学部分的设计采用亚像素分辨技术，即采用散焦技术。对像平面上所成的像点进行离焦处理，让来自目标的光投射到几个紧挨着的像素上。根据在每个像元上的能量，用矩心法计算出像点的质心。利用这种方法计算的目标像位置的精度可以达到固有设备分辨率的几十分之一甚至百分之一。

根据地球紫外特性可知，地球表面紫外能量主要是由于大气反射太阳紫外光线造成的，由于飞行器绕地球运动，以飞行器星下点中心的周围大气反射太阳紫外光线会随着太阳光线与地球水平面的夹角而变化(如果是地球同步卫星，这种变化是由于地球绕太阳自转造成的)，如果太阳从地平线升起时，飞行器星下点中心西边的大气反射太阳紫外光线强度很弱，此时紫外光学相机拍摄地球紫外波段像的形状为“弧”形，随着太阳从地平线升起，飞行器星下点中心西边的大气反射太阳紫外光线强度会逐渐增大，当太阳光线与地球水平面垂直时，飞行器星下点中心的周围大气反射太阳紫外光线强度几乎相等，此时紫外光学相机拍摄的地球表面紫外波段像形如“环”状，随着太阳从地平线降落，飞行器星下点中心东边的大气反射太阳紫外光线强度渐弱，此时紫外光学相机拍摄地球紫外波段像的形状逐渐变成“弧”形。

由于紫外光学相机拍摄的地球表面紫外光主要是由于太阳照射到地球后，地球表面大气反射造成的，因此地球紫外特性随着太阳光与地表面的夹角变化而变化，但是在同一格林威治时刻，地球紫外特性是稳定的，所以，紫外光学相机拍摄的地球表面紫外像的轮廓随着太阳光与地表面的夹角变化而变化，该轮廓有时是整个“圆”形状，有时是整个“环”形状，有时如“弧”形状，这样不能直接采用质心法来获取地球紫外特性像的质心坐标。因此需要采用一种新的方法来提取地球紫外特性像的质心坐标。

发明内容：

基于以上不足之处，本发明公开一种地球紫外像的质心坐标提取方法，不管飞行器星下点是“日出”、“午后”还是“日落”，都能正确提取地球紫外像的质心。。

本发明所采用的技术如下：

一种地球紫外像的质心坐标提取方法如下：

当地球紫外辐射成像是一个“环”状的图像，从环状图像中任意取三点，设三个点的坐标分别是(x1，y1)，(x2，y2)和(x3，y3)，利用(x1，y1)和(x2，y2)作直线方程l12：

l12： $y=\frac{y2-y1}{x2-x1}(x-x1)+y1---\left(2\right)$

并且通过(x1，y1)和(x2，y2)的中点，作直线方程l12的垂线L12：

L12： $y=\frac{y1+y2}{2}+\frac{x1-x2}{y2-y1}x-\frac{{x1}^2-{x2}^2}{2(y2-y1)}---\left(3\right)$

同理，利用(x2，y2)和(x3，y3)作垂线L23：

L23： $y=\frac{y2+y3}{2}+\frac{x2-x3}{y3-y2}x-\frac{{x2}^2-{x3}^2}{2(y3-y2)}---\left(4\right)$

计算直线L12和直线L23的交点(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

当地球紫外辐射成像只是一个“弧”状的图像，获取弧线两个端点的坐标(x1，y1)和(x3，y3)，并且获取弧线中点坐标，(x2，y2)利用(x1，y1)和(x2，y2)作直线方程l12，并且通过(x1，y1)和(x2，y2)的中点，作直线方程l12的垂线L12，同理，利用(x2，y2)和(x3，y3)也可以作垂线L23，计算直线L12和直线L23的交点(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

然后按如下步骤进行：

(1)、读取紫外光学相机拍摄地球紫外波段像的图像；

(2)、利用边缘检测方法，判断地球紫外波段像似“环”状的图像还是似“弧”状的图像，地球紫外波段像似“环”状的图像，直接跳转到步骤3，地球紫外波段像似“弧”状的图像，直接跳转到步骤10；

(3)、提取“环”上纵坐标最小的一点坐标，假设该点为A，其坐标为(xa，ymin)；

(4)、以点A为起点，在A点的右下方向沿着“环”为轨迹，到达B点，使弧AB的长度为整个“环”周长的三分之一，记B点的坐标为(xb，yb)；

(5)、以点A为起点，在A点的左下方向沿着“环”为轨迹，到达C点，使弧AC的长度为整个“环”周长的三分之一，记C点的坐标为(xc，yc)；

(6)、此时，以点A，B，C均匀地分布在“环”上，因此ΔABC是个等边三角形；

(7)、以点A和点B为端点，利用公式(3)作线段AB的中垂线，设为LAB；

(8)、以点A和点C为端点，利用公式(3)作线段AC的中垂线，设为LAC；

(9)、利用直线方程LAB和LAC，计算两个直线的交点坐标(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

(10)、搜索出“弧”状的图像一端的端点A，获取该端点的坐标(xa，xb)；

(11)、搜索出“弧”状的图像另一端的端点C，获取该端点的坐标(xc，xc)；

(12)、搜索出“弧”状的图像的弧的中点B，并且获取该中点的坐标(xb，xb)；

(13)、此时，以点A，B，C均匀地分布在“弧”状的图像的弧上，因此AB的弧长等于BC的弧长；

(14)、重复步骤7-9，计算出地球紫外像的质心(x0，y0)。

本发明的特点和优点：

第一：由于地球紫外特征中的临边辐射极值高度具有稳定的特点，随经纬度和季节变化很小，因此能够提取较高精度的地球紫外像点位置，从而为飞行器提高了导航精度；

第二：不管飞行器星下点是“日出”、“午后”还是“日落”，都能正确提取地球紫外像的质心；

第三：利用该地球紫外相机进行自主导航，具有很好的鲁棒性；

第四：该方法还适用于地球紫外成像是整个“实心圆”的情况。

附图说明

图1为地球紫外像似“环”的情况示意图；

图2为地球紫外像似“镰刀”的情况示意图；

图3为本发明的地球紫外像的质心坐标提取流程；

图4为本发明的地球紫外像的质心坐标提取方法实验系统框图；

图5为离线显示质心误差图；

图6为本发明的地球紫外像的质心坐标提取方法的实施方式框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明：

实施例1

一种地球紫外像的质心坐标提取方法如下：

如图1所示，当地球紫外辐射成像是一个“环”状的图像，从环状图像中任意取三点，设三个点的坐标分别是(x1，y1)，(x2，y2)和(x3，y3)，利用(x1，y1)和(x2，y2)作直线方程l12：

l12： $y=\frac{y2-y1}{x2-x1}(x-x1)+y1---\left(5\right)$

并且通过(x1，y1)和(x2，y2)的中点，作直线方程l12的垂线L12：

L12： $y=\frac{y1+y2}{2}+\frac{x1-x2}{y2-y1}x-\frac{{x1}^2-{x2}^2}{2(y2-y1)}---\left(6\right)$

同理，利用(x2，y2)和(x3，y3)作垂线L23：

L23： $y=\frac{y2+y3}{2}+\frac{x2-x3}{y3-y2}x-\frac{{x2}^2-{x3}^2}{2(y3-y2)}---\left(7\right)$

计算直线L12和直线L23的交点(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

如图2所示，当地球紫外辐射成像只是一个“弧”状的图像，获取弧线两个端点的坐标(x1，y1)和(x3，y3)，并且获取弧线中点坐标，(x2，y2)利用(x1，y1)和(x2，y2)作直线方程l12，并且通过(x1，y1)和(x2，y2)的中点，作直线方程l12的垂线L12，同理，利用(x2，y2)和(x3，y3)也可以作垂线L23，计算直线L12和直线L23的交点(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

然后按如下步骤进行：

(1)、读取紫外光学相机拍摄地球紫外波段像的图像；

(2)、利用边缘检测方法，判断地球紫外波段像似“环”状的图像还是似“弧”状的图像，地球紫外波段像似“环”状的图像，直接跳转到步骤3，地球紫外波段像似“弧”状的图像，直接跳转到步骤10；

(3)、提取“环”上纵坐标最小的一点坐标，假设该点为A，其坐标为(xa，ymin)；

(4)、以点A为起点，在A点的右下方向沿着“环”为轨迹，到达B点，使弧AB的长度为整个“环”周长的三分之一，记B点的坐标为(xb，yb)；

(5)、以点A为起点，在A点的左下方向沿着“环”为轨迹，到达C点，使弧AC的长度为整个“环”周长的三分之一，记C点的坐标为(xc，yc)；

(6)、此时，以点A，B，C均匀地分布在“环”上，因此ΔABC是个等边三角形；

(7)、以点A和点B为端点，利用公式(3)作线段AB的中垂线，设为LAB；

(8)、以点A和点C为端点，利用公式(3)作线段AC的中垂线，设为LAC；

(9)、利用直线方程LAB和LAC，计算两个直线的交点坐标(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

(10)、搜索出“弧”状的图像一端的端点A，获取该端点的坐标(xa，xb)；

(11)、搜索出“弧”状的图像另一端的端点C，获取该端点的坐标(xc，xc)；

(12)、搜索出“弧”状的图像的弧的中点B，并且获取该中点的坐标(xb，xb)；

(13)、此时，以点A，B，C均匀地分布在“弧”状的图像的弧上，因此AB的弧长等于BC的弧长；

(14)、重复步骤7-9，计算出地球紫外像的质心(x0，y0)。

实施例2

地球紫外相机主要性能指标：

视场：直径为20°的圆视场

面阵：1024×1024

数据更新率：8Hz

飞行器运行轨道：地球同步轨道

把地球紫外相机放置到试验台，紫外模拟器放置到地球紫外相机镜头前，调整紫外模拟器的位置，该紫外模拟器能根据格林威治时间，如图4所示，模拟飞行器星下点从“日出”到“日落”整个过程地球外表紫外辐射情况，调整紫外模拟器和地球紫外相机的位置，使紫外模拟器的光轴与地球紫外相机镜头的光轴一致，接通紫外模拟器和地球紫外相机的电源，把紫外模拟器成像为整个“实心的圆”，此时地球紫外相机拍摄紫外模拟器的图像，并从该图像中提取紫外模拟器像的质心，该质心就是紫外模拟器的光轴在地球紫外相机下的像平面坐标(x′，y′)。然后重新设置紫外模拟器的参数，使紫外模拟器完全模拟地球同步轨道星下点从“日出”到“日落”整个过程地球外表紫外辐射情况，地球紫外相机实时拍摄紫外模拟器的图像，并立刻把提取出的质心坐标发送给上位机，上位机接收到坐标后，并计算接收到的质心坐标与(x′，y′)的差，上位机实时显示收到质心坐标与(x′，y′)的差，并且实时保存该差，12小时后，采用MATLAB离线显示误差，如图5所示，由于地球同步卫星周期是24小时，而实验过程中又需要考核太阳在不同位置下该方法的可行性、可靠性以及精度，为了减少数据量，保存到上位机的采样周期为15秒，但是地球紫外相机的数据更新率是8Hz。

地球边沿辐射的紫外波段，无论在白天或夜间均存在适应于探测的紫外临边辐射的特征，这些特征中的临边辐射极值高度具有稳定的特点，随经纬度和季节变化很小，随观测方位角变化也很小，这一特征以足够精度来为图像传感器的建立提供信号基础。根据地球紫外特性可知，地球表面紫外能量主要是由于大气反射太阳紫外光线造成的，由于飞行器绕地球运动，太阳光线在相飞行器星下点会出现从“日出”到“日落”过程变化，因此以飞行器星下点中心的周围大气反射太阳紫外光线会随着太阳光线与地球水平面的夹角而变化，地球紫外相机拍摄地球紫外波段像从“弧”形状变化到“环”形状，然后又从“环”形状变化到“弧”形状，显然直接采用质心法来获取地球紫外波段像的质心是不对的，而采用本方法首先判断地球紫外波段像的形状，根据不同形状来提取地球紫外波段像的质心，因此，具有很好的鲁棒性，从图5可以看出，地球紫外相机拍摄地球紫外波段像从“弧”形状变化到“环”形状，然后又从“环”形状变化到“弧”形状获取的质心坐标误差都在0.5个像元以内。

实施例3

如图6所示，一种采用本发明的方法的地球紫外相机，主要包括图像传感器，FPGA器件，SRAM器件和LVDS器件，PC机作为显示结果的上位机，其中图像传感器采用CCD48-20芯片，FPGA完成以下功能：CCD48-20的驱动，图像保存到SRAM以及通过LVDS把拍摄地球紫外特征的图像和利用FPGA实现提取地球紫外像的质心坐标的结果发送给PC机，PC机上有相应的软件来显示图像和坐标，上位机接收到图像后采用软件来获取地球紫外像的质心坐标，并且计算采用软件来获取地球紫外像的质心坐标与利用FPGA实现提取地球紫外像的质心坐标作差，并实施显示坐标的差，用户可以实时观测地球紫外相机的结果。由于地球大气紫外波在300-400nm光谱范围内却具有一定的大气透过率，因此设计镜头时，考虑光线经过镜头后只有在300-400nm光谱范围能透过，其它波段经过镜头的滤光片后不能穿透镜头。

Claims (1)

1.一种地球紫外像的质心坐标提取方法，其特征在于，方法如下：

当地球紫外辐射成像是一个“环”状的图像，从环状图像中任意取三点，设三个点的坐标分别是(x1，y1)，(x2，y2)和(x3，y3)，利用(x1，y1)和(x2，y2)作直线方程l12：

l12： $y=\frac{y2-y1}{x2-x1}(x-x1)+y1---\left(1\right)$

并且通过(x1，y1)和(x2，y2)的中点，作直线方程l12的垂线L12：

L12： $y=\frac{y1+y2}{2}+\frac{x1-x2}{y2-y1}x-\frac{{x1}^2-{x2}^2}{2(y2-y1)}---\left(2\right)$

同理，利用(x2，y2)和(x3，y3)作垂线L23：

L23： $y=\frac{y2+y3}{2}+\frac{x2-x3}{y3-y2}x-\frac{{x2}^2-{x3}^2}{2(y3-y2)}---\left(3\right)$

计算直线L12和直线L23的交点(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

当地球紫外辐射成像只是一个“弧”状的图像，获取弧线两个端点的坐标(x1，y1)和(x3，y3)，并且获取弧线中点坐标，(x2，y2)利用(x1，y1)和(x2，y2)作直线方程l12，并且通过(x1，y1)和(x2，y2)的中点，作直线方程l12的垂线L12，同理，利用(x2，y2)和(x3，y3)也可以作垂线L23，计算直线L12和直线L23的交点(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

然后按如下步骤进行：

(1)、读取紫外光学相机拍摄地球紫外波段像的图像；

(2)、利用边缘检测方法，判断地球紫外波段像似“环”状的图像还是似“弧”状的图像，地球紫外波段像似“环”状的图像，直接跳转到步骤3，地球紫外波段像似“弧”状的图像，直接跳转到步骤10；

(3)、提取“环”上纵坐标最小的一点坐标，假设该点为A，其坐标为(xa，ymin)；

(4)、以点A为起点，在A点的右下方向沿着“环”为轨迹，到达B点，使弧AB的长度为整个“环”周长的三分之一，记B点的坐标为(xb，yb)；

(5)、以点A为起点，在A点的左下方向沿着“环”为轨迹，到达C点，使弧AC的长度为整个“环”周长的三分之一，记C点的坐标为(xc，yc)；

(6)、此时，以点A，B，C均匀地分布在“环”上，因此ΔABC是个等边三角形；

(7)、以点A和点B为端点，利用公式(3)作线段AB的中垂线，设为LAB；

(8)、以点A和点C为端点，利用公式(3)作线段AC的中垂线，设为LAC；

(9)、利用直线方程LAB和LAC，计算两个直线的交点坐标(x0，y0)，因此，交点(x0，y0)的坐标就是地球紫外像的质心；

(10)、搜索出“弧”状的图像一端的端点A，获取该端点的坐标(xa，xb)；

(11)、搜索出“弧”状的图像另一端的端点C，获取该端点的坐标(xc，xc)；

(12)、搜索出“弧”状的图像的弧的中点B，并且获取该中点的坐标(xb，xb)；

(13)、此时，以点A，B，C均匀地分布在“弧”状的图像的弧上，因此AB的弧长等于BC的弧长；

(14)、重复步骤7-9，计算出地球紫外像的质心(x0，y0)。

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