CN107622508A - 一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法涉及卫星姿态动力学与运动学技术领域。该方法从传统的视频卫星成像出发，在成像过程中，卫星通过按一定频率的图像采集与信息提取，识别非合作运动目标，计算目标相对光轴中心的脱靶量，并实时调整卫星姿态使光轴与目标重合，以实现对非合作目标的跟踪凝视成像。本发明方法简单、可靠、易行、灵活，扩大视频卫星成像范围，扩展了视频卫星的应用领域。

Description

一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态动力学与运动学技术领域，具体涉及一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法。

背景技术

视频卫星是通过一定时间间隔的时序图像组成视频的新型对地观测卫星。传统的对地观测卫星获取地面图像的方式主要采用推扫成像和光机扫描成像, 拍摄的都是静止画面，而视频卫星可以连续观察光学载荷视场内景物的变化，通过对动态目标进行分析，获得目标的速度和方向等瞬时特性，视频成像比传统推扫成像能够得到更多的关于景物地区的动态信息。

然而视频成像面阵CCD视场范围较小，一般只有几公里，对于规划的固定小区域可以连续凝视成像，但是对于非合作动态目标，由于其相对运动速度较快，如果目标不在光轴中心，不能完整获取目标的动态特性，如图1所示。视频卫星的在轨凝视成像，虽然可以实现对已知规划区域进行高时间分辨率的动态成像，但只能对一定区域内的目标进行监测，对于快速偏离卫星覆盖范围的非合作运动目标，将不能实现实时监测与跟踪运动目标。

发明内容

为了解决现有技术中视频卫星对非合作动态目标成像的时间和覆盖范围有限的问题，提出了一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法，跟踪方法包括如下步骤：

步骤一：确定卫星拍摄任务；

步骤二：卫星姿态控制系统对拍摄区域稳定指向，相机成像并存储在卫星中心计算机中；

步骤三：卫星中心机算机根据相机成像的图像，提取运动目标的形心，计算运动目标脱靶量，根据运动目标脱靶量计算卫星姿态偏差量；

步骤四：卫星中心机算机将卫星姿态偏差量发送给卫星姿态控制系统，卫星姿态控制系统根据卫星姿态偏差量控制卫星调姿；

步骤五：重复步骤二到步骤四，直至目标不在卫星的可成像范围。

本发明的有益效果是：本发明综合考虑了卫星的机动能力和成像能力、图像处理能力、卫星凝视跟踪成像时本体相对轨道坐标系的姿态角和姿态角速度的变化，依据凝视卫星动态跟踪成像的姿态角和姿态角速度的变化及动态跟踪精度对成像的影响，通过对动目标位置信息的提取和卫星姿态的智能调整来实现动目标的跟踪，该方法在不改变机械硬件机构的情况下，使凝视成像提升为跟踪成像模式，该方法针对视频卫星凝视成像的跟踪过程快速且可靠；方法简单易行；增强了对非合作目标的跟踪、监测和分析能力；可以一次性监测非合作动态目标运动特性，便于对目标的深度分析与评估。

附图说明

图1传统的卫星对非合作动目标的凝视成像原理图。

图2本发明一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法的原理图。

图3本发明一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明在视频卫星凝视成像模式的基础上，提出对非合作运动目标的跟踪方法，不改变机械硬件机构，通过对动目标位置信息的提取和卫星姿态的智能调整来实现动目标的跟踪，可以一次性监测非合作动态目标运动特性，跟踪的原理如图2所示。卫星对运动的目标进行第1次拍摄，随着目标的飞行，相机的光轴中心偏离目标形心，卫星进行第一次调姿，使得相机光轴中心再次与目标形心在一定的接近范围或重合，继续成像，根据所成图像信息中目标的运动信息，卫星进行第二次调姿，重复上述步骤，卫星进行第n次调姿，直至随着卫星沿轨道运动使成像目标不在卫星可成像范围时，停止成像跟踪。传统的卫星获取地面图像的方式也适用于本发明，如推扫成像和光机扫描成像等。

实施方式一：

步骤一：在J2000惯性坐标系下观测目标区域，根据视频卫星的飞行轨迹和拍摄地点和拍摄时间，确定卫星姿态。

步骤二：视频卫星上的卫星姿态控制系统控制卫星在J2000惯性坐标系下对某空间稳定指向，相机实时以每秒30帧的拍摄频率进行凝视成像，同时卫星中心计算机存储图像。

步骤三：卫星中心计算机按2Hz的频率读取其存储的图像，在15帧的图像中选择数帧用于运动目标提取，优选的是选择连续的5帧，对连续帧间的图像利用帧间差分法提取具有运动特征的目标信息，获得运动目标轮廓。具体为当拍摄场景中出现物体运动时，帧与帧之间会出现较为明显的差别，两帧相减，得到两帧图像亮度差的绝对值，通过判断两帧图像亮度差的绝对值是否大于阈值，确定图像序列中有无物体运动，大于阈值则有物体运动，同时可确定运动目标轮廓；卫星中心计算机根据运动目标在图像上所占的像元数，提取运动目标的形心，并计算运动目标脱靶量：运动目标形心与像面的坐标零点在x、y方向上相差的像素数量，即为x、y方向上脱靶量；卫星中心计算机根据运动目标的脱靶量信息，将运动目标脱靶量从像面坐标系转换至轨道坐标系，即从像面坐标系变化至相机坐标系、再从相机坐标系到卫星本体坐标系转换、从卫星本体坐标系到轨道坐标系一系列坐标转换后，运动目标脱靶量在轨道坐标系下的数值即为计算得出的卫星姿态偏差量。

步骤四：卫星中心计算机将卫星姿态偏差量发送给卫星姿态控制系统，卫星姿态控制系统根据卫星姿态偏差量，经过内部计算形成新的卫星姿态控制信息；卫星姿态控制系统根据读取新的卫星姿态控制信息，卫星姿态控制系统根据读取卫星姿态控制信息，精确调整卫星姿态，实现预期的卫星姿态指向，使相机光轴与计算出的目标形心位置近似重合，同时达到稳定的卫星姿态稳定度。

步骤五：重复凝视成像过程、计算过程与卫星姿态控制过程，直至目标飞出视频卫星的视场范围无法在可成像区域内提取目标信息。

实施方式二：

与实施方式一不同的是：依据卫星太阳同步轨道六根数(如：轨道半场轴6878.14km、轨道偏心率0、轨道倾角97.4°、近地点辅角90°、升交点赤经 256.732°和真近点角33°)，根据拍摄任务规划，卫星姿态控制系统控制卫星对规划的区域进行凝视成像，拍摄频率为每秒36帧，同时卫星中心计算机存储图像；卫星中心计算机按照3Hz的频率读取存储图像，在12帧的图像中连续采集3帧，对连续帧间的图像利用帧间差分法提取具有运动特征的像素点。

其中拍摄频率越高，所成图像构成的视频更流畅。所成图像选择的越多，动目标的提取效果越好，但同时增大了计算量；在数帧的图像中选择连续5帧的提取效果和计算量均衡达到最优效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法，其特征在于，所述跟踪方法包括如下步骤：

步骤一：确定卫星拍摄任务；

步骤二：卫星姿态控制系统对拍摄区域稳定指向，相机成像并存储在卫星中心计算机中；

步骤三：卫星中心机算机根据相机成像的图像，提取运动目标的形心，计算运动目标脱靶量，根据运动目标脱靶量计算卫星姿态偏差量；

步骤四：卫星中心机算机将卫星姿态偏差量发送给卫星姿态控制系统，卫星姿态控制系统根据卫星姿态偏差量控制卫星调姿；

步骤五：重复步骤二到步骤四，直至目标不在卫星的可成像范围。

2.如权利要求1所述的一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法，其特征在于，所述步骤二中成像采用凝视成像。

3.如权利要求1所述的一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法，其特征在于，所述步骤三中根据相机成像的图像为选择连续数帧图像。

4.如权利要求1所述的一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法，其特征在于，所述步骤三中所述提取运动目标的形心的过程为相机成像的图像的两帧相减，得到两帧图像亮度差的绝对值，通过判断两帧图像亮度差的绝对值是否大于阈值，来确定图像中有无物体运动和确定运动目标轮廓；卫星中心计算机根据运动目标在图像上所占的像元数，提取运动目标的形心。

5.如权利要求1所述的一种视频卫星对非合作运动目标的跟踪方法，其特征在于，所述步骤三中所述计算卫星姿态偏差量的计算过程为运动目标脱靶量从像面坐标系转换至轨道坐标系。