CN109188462B - 复杂星空背景下的空间目标检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂星空背景下的空间目标检测方法及装置，其中，方法包括以下步骤：获取测量要求，测量要求包括量程、视场角与目标运动速度；获取合作靶标参数，合作靶标参数包括光功率与工作角度；获取星敏感器的工作数据，工作数据包括频率与敏感波长；建立星间测量模型，并设计相对角度测量算法，以获取空间目标检测结果。该方法通过将星敏感器的性能优势应用在空间目标检测上，从而有效地将星敏感器高精度、高更新率的优势发挥在空间检测领域，更为星敏感器的拓展应用提供思路和工程实践。

Description

复杂星空背景下的空间目标检测方法及装置
技术领域
本发明涉及空间目标检测技术领域，特别涉及一种复杂星空背景下的空间目标检测方法及装置。
背景技术
星间相对测量技术是卫星精确编队的基础，目前卫星编队任务对于相对位置测量精度的要求较高，已达到厘米级甚至毫米级。测量手段目前有GPS(Global PositioningSystem全球定位系统)、微波雷达、激光雷达，视觉等。GPS载波相对位置测量精度较高，对地面点的静态相对定位精度可达10-7～10-8m；微波雷达的误差分为可以标定解决的系统误差和随机误差，在5～7km的基线距离上，测距精度可优于1m，测角精度优于0.01°；激光雷达中光测距雷达测距精度一般为0.5m～0.15m，量程5km；视觉测量方式采用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconducto感光元件)相机作为核心测量部件，一般配合光学阵列作为飞行器姿态近距离测量，量程在100m之内，测量精度可达毫米级。
在采用GPS、激光雷达、微波雷达、视觉等方法进行相对测量时，需要在航天器上负载相关仪器，给卫星增加运行负担和风险。现阶段，一般都会安装星敏感器作为姿态测量部件。星敏感器的原理是利用光学系统成像在CMOS芯片上，得到当前指向的星点角距关系并与恒星星表对比，计算航天器姿态。星敏感器对比于其它卫星姿态敏感部件(太阳敏感器、陀螺、磁强计等)具有精度高、无漂移、功耗低、并且输出具有绝对姿态信息的优点。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种复杂星空背景下的空间目标检测方法，该方法可以有效地将星敏感器高精度、高更新率的优势发挥在空间检测领域，更为星敏感器的拓展应用提供思路和工程实践。
本发明的另一个目的在于提出一种复杂星空背景下的空间目标检测装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种复杂星空背景下的空间目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取测量要求，其中，所述测量要求包括量程、视场角与目标运动速度；获取合作靶标参数，其中，所述合作靶标参数包括光功率与工作角度；获取星敏感器的工作数据，其中，所述工作数据包括频率与敏感波长；建立星间测量模型，并设计相对角度测量算法，以获取空间目标检测结果。
本发明实施例的复杂星空背景下的空间目标检测方法，通过将星敏感器的性能优势应用在空间目标检测上，从而有效地将星敏感器高精度、高更新率的优势发挥在空间检测领域，更为星敏感器的拓展应用提供思路和工程实践。
另外，根据本发明上述实施例的复杂星空背景下的空间目标检测方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光功率的计算公式为：
PLed光＝ELed×(4πrR2)，
其中，E表示光照度，P表示光功率，ELed表示LED的发光强度，PLed光表示LED灯阵的光功率，R表示某个星球的半径。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建立星间测量模型，进一步包括：根据参数建立所述星间测量模型，其中，在主卫星上安装光学传感器，在从卫星上安装信号源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，目标与所述星敏感器的距离远大于目标尺寸，以在星敏感器焦平面上投影形成一个能量形状接近星点的目标。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述星敏感器的曝光频率为10Hz。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种复杂星空背景下的空间目标检测装置，包括：第一获取模块，用于获取测量要求，其中，所述测量要求包括量程、视场角与目标运动速度；第二获取模块，用于获取合作靶标参数，其中，所述合作靶标参数包括光功率与工作角度；第三获取模块，用于获取星敏感器的工作数据，其中，所述工作数据包括频率与敏感波长；综合设计模块，用于建立星间测量模型，并设计相对角度测量算法，以获取空间目标检测结果。
本发明实施例的复杂星空背景下的空间目标检测装置，通过将星敏感器的性能优势应用在空间目标检测上，从而有效地将星敏感器高精度、高更新率的优势发挥在空间检测领域，更为星敏感器的拓展应用提供思路和工程实践。
另外，根据本发明上述实施例的复杂星空背景下的空间目标检测装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光功率的计算公式为：
PLed光＝ELed×(4πR2)，
其中，其中，E表示光照度，P表示光功率，ELed表示LED的发光强度，PLed光表示LED灯阵的光功率，R表示某个星球的半径。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述建立星间测量模型，进一步包括：根据参数建立所述星间测量模型，其中，在主卫星上安装光学传感器，在从卫星上安装信号源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，目标与所述星敏感器的距离远大于目标尺寸，以在星敏感器焦平面上投影形成一个能量形状接近星点的目标。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述星敏感器的曝光频率为10Hz。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的复杂星空背景下的空间目标检测方法流程图；
图2为根据本发明一个实施例的检测算法设计流程图；
图3为根据本发明一个实施例的LED灯珠发光角度示意图；
图4为根据本发明一个实施例的空间检测模型示意图；
图5为根据本发明一个实施例的目标检测原理示意图；
图6为根据本发明一个实施例的工程实现算法流程图；
图7为根据本发明一个实施例的算法实例示意图；
图8为根据本发明一个实施例的复杂星空背景下的空间目标检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的复杂星空背景下的空间目标检测方法及装置进行描述，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的复杂星空背景下的空间目标检测方法。
图1是本发明一个实施例的复杂星空背景下的空间目标检测方法流程图。
如图1所示，该复杂星空背景下的空间目标检测方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取测量要求，其中，测量要求包括量程、视场角与目标运动速度。
在步骤S102中，取合作靶标参数，其中，合作靶标参数包括光功率与工作角度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，光功率的计算公式为：
PLed光＝ELed×(4πR2)，
其中，E表示光照度，P表示光功率，ELed表示LED的发光强度，PLed光表示LED灯阵的光功率，R表示某个星球的半径。
在步骤S103中，获取星敏感器的工作数据，其中，工作数据包括频率与敏感波长。
进一步地，在本发明的一个实施例中，目标与星敏感器的距离远大于目标尺寸，以在星敏感器焦平面上投影形成一个能量形状接近星点的目标。
可选地，在本发明的一个实施例中，星敏感器的曝光频率可以为10Hz。
在步骤S104中，建立星间测量模型，并设计相对角度测量算法，以获取空间目标检测结果。
需要说明的是，参数建立星间测量模型可以包括双星的相对方位。
其中，相对角度测量算法可以包括：类比调制方法提出的检测方法、基于星点提取和星图识别的算法。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建立星间测量模型还包括：根据参数建立星间测量模型，其中，在主卫星上安装光学传感器，在从卫星上安装信号源。
下面以一个具体实施例对本发明实施例的方法的工作原理进行详细描述。
例如，如图2所示，本发明实施例的方法可以包括以下步骤：
步骤S1：确定测量要求，包括量程L，视场角θ×Ψ，运动目标速度，即运动目标在视场中的角速度ω。本实例设计的量程为20km，视场角按照星敏感器视场角设计，定为15°×12°，目标在视场内的角速度设置为1度每秒。
步骤S2：针对量程要求，确定靶标的参数。根据星敏感器的敏感光波波长，选择靶标光源波长为720nm；当星点能量达到五等星亮度的时候，星敏感器提取结果准确度较高，故靶标能量在量程最远处需达到要求。
如图3所示，本发明实施例的方法可以对灯珠的能量要求进行计算，LED灯阵的最大功率要求为20km处，星敏感器达到5等星的亮度，先假设LED灯珠发光均匀，计算所需要的功率与发光强度，以太阳为对比对象，以m来表示星等，E来表示光照度，P来表示LED的光功率，则由普森公式：
Figure BDA0001783557040000041
即
Figure BDA0001783557040000042
其中，Esun指的是太阳常数，Esun＝1.367w/m2，所以Eled可以计算得到：
Figure BDA0001783557040000043
此时计算LED灯阵的光功率为(单侧发光，只需要半个球面有光即可)：
PLed光＝ELed×(4πR2)＝2.8561×10-13×(4×π×(2×104)2)＝1.4356w
此时，发光强度为
Figure BDA0001783557040000051
但是一般LED灯珠的发光角度并不均匀，如图3所示，图中角度和发光强度的关系为：
f(a)＝-0.5108×a2+0.183a+0.9746
式中f(a)为角度a上光强与最大光强的比。工作角度要求为110°，半角度为55°与半光强角接近。由半光强I1＝0.1142cd可以得到Imax＝0.2248cd利用f(a)和Imax可以积分出光功率：
Figure BDA0001783557040000052
除以效率(按照10％计算)加上单侧发光，电功率为：
Figure BDA0001783557040000053
步骤S3：确定星敏感器的曝光频率，本发明实施例可以采用的星敏感器的曝光频率为10Hz。
步骤S4：确定空间检测模型：根据参数建立空间检测模型，如图4所示，在主卫星上安装光学传感器，在从卫星上安装信号源，目标与星敏感器的距离远大于目标尺寸，能够在星敏感器焦平面上投影形成一个能量形状接近星点的目标。
步骤S5：设计空间目标检测算法：星敏感器可以将符合能量条件的点目标从视场中提取出来，但是需要设计算法将其与恒星分开。
在本发明的实施例中，采用目标检测原理，如图5所示，控制合作目标携带的靶标进行闪烁变化，与星敏感器配合形成标记。因为星敏感器的曝光可看做方波，为占空比为30％，频率为10Hz的方波，本例采用4Hz，占空比为50％的方波与之对应，输出特殊的标记信号进行识别。
采用4Hz频率、50％占空比的目标信号与10Hz频率，30％占空比的采样信号匹配，在星敏的每一次采样中，反馈是否出现目标，可以得到编码为{1011010110}的编码，利用这种方法就可以在缓存的30帧左右的星图提取点中将目标点提取出来。
具体地，如图6所示，具体的工程实现方法依次为：首先星敏感器进入跟踪模式；筛出恒星，存储非恒星点，判断LED跟踪标志是否为1，如果LED跟踪标志为1，进入LED跟踪阶段，否则进入LED识别阶段；若LED跟踪目标为0，进入LED搜寻阶段：回溯匹配25帧存储的非星点提取点→剔除噪声→是否存在匹配率大于阈值的提取点→是：输出LED坐标，并将标志置为1，否：结束当前流程，进入下一帧计算；若LED跟踪标志位0，进入LED跟踪阶段，根据前3帧LED计算结果预测下一帧LED位置→在本帧搜寻LED点→是：输出坐标，结束本帧计算，进入下一帧；否：跟踪标志置为0，结束计算。
进一步地，在搜索过程中，判断某个点是否是LED目标点的算法很重要，具体流程如下，针对存储的25帧星点，重复以下操作直到找到目标或者本帧所有点计算完毕：
a)在星点存储序列中，从当前帧往前回溯，搜索到与星点A距离在阈值之内的点，则认为该帧存在目标点，用其x，y坐标继续向前回溯，直到搜索完所有序列，得出该点在25帧序列中出现的规律，用1(出现)0(没出现)将其编码为一个01序列；
b)对于在25帧中出现的点，取其灰度值的平均值乘以一个小于1的系数(算法采用的是0.4)作为灰度值阈值，对选出点进行进一步筛选，灰度值较低的认为是噪声，进而剔除；
c)编码中出现连续3个0或者连续3个1，则认为本点是噪声，回到步骤b计算下一个点；
d)通过4和5两步的筛选之后，将编码与预设编码{10110}(重复5次)和{10100}(重复5次)进行配对，匹配数目达到18以上，即认为是目标点，否则回到步骤b重新计算。
举例说明，如图7所示，图中一共举例了4个实例，实例Starl符合预设编码{1011010110}，可以认定为目标，实例Star2编码混乱应当为噪声，实例Star3编码混乱应当为噪声，实例Star4每帧都出现应当为星点。
步骤S6：设计过程主要对能量进行论证，以满足20km的设计距离。对算法进行理论上的分析与设计以达到检测目标的效果。
根据本发明实施例提出的复杂星空背景下的空间目标检测方法，通过将星敏感器的性能优势应用在空间目标检测上，从而有效地将星敏感器高精度、高更新率的优势发挥在空间检测领域，更为星敏感器的拓展应用提供思路和工程实践。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的复杂星空背景下的空间目标检测装置。
图8是本发明一个实施例的复杂星空背景下的空间目标检测装置的结构示意图。
如图8所示，该装置10包括：第一获取模块100、第二获取模块200、第三获取模块300和综合设计模块400。
其中，第一获取模块100用于获取测量要求，其中，测量要求包括量程、视场角与目标运动速度。第二获取模块200用于获取合作靶标参数，其中，合作靶标参数包括光功率与工作角度。第三获取模块300用于获取星敏感器的工作数据，其中，工作数据包括频率与敏感波长。综合设计模块400用于建立星间测量模型，并设计相对角度测量算法，以获取空间目标检测结果。本发明实施例的装置10有效地将星敏感器高精度、高更新率的优势发挥在空间检测领域，更为星敏感器的拓展应用提供思路和工程实践。
进一步地，在本发明的一个实施例中，光功率的计算公式为：
PLed光＝ELed×(4πR2)，
其中，其中，E表示光照度，P表示光功率，ELed表示LED的发光强度，PLed光表示LED灯阵的光功率，R表示某个星球的半径。
进一步地，在本发明的一个实施例中，建立星间测量模型还包括：根据参数建立星间测量模型，其中，在主卫星上安装光学传感器，在从卫星上安装信号源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，目标与星敏感器的距离远大于目标尺寸，以在星敏感器焦平面上投影形成一个能量形状接近星点的目标。
可选地，在本发明的一个实施例中，星敏感器的曝光频率为10Hz。
需要说明的是，前述对复杂星空背景下的空间目标检测方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的复杂星空背景下的空间目标检测装置，通过将星敏感器的性能优势应用在空间目标检测上，从而有效地将星敏感器高精度、高更新率的优势发挥在空间检测领域，更为星敏感器的拓展应用提供思路和工程实践。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种复杂星空背景下的空间目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取测量要求，其中，所述测量要求包括量程、视场角与目标运动速度；
获取合作靶标参数，其中，所述合作靶标参数包括光功率与工作角度；
获取星敏感器的工作数据，其中，所述工作数据包括所述星敏感器的曝光频率与敏感波长；
建立星间测量模型，并设计相对角度测量算法，以获取空间目标检测结果。
2.根据权利要求1所述的复杂星空背景下的空间目标检测方法，其特征在于，所述光功率的计算公式为：
PLed光＝ELed×(4πR2)，
其中，E表示光照度，P表示光功率，ELed表示LED的发光强度，PLed光表示LED灯阵的光功率，R表示某个星球的半径。
3.根据权利要求1所述的复杂星空背景下的空间目标检测方法，其特征在于，所述建立星间测量模型，进一步包括：
根据参数建立所述星间测量模型，其中，在主卫星上安装光学传感器，在从卫星上安装信号源。
4.根据权利要求1所述的复杂星空背景下的空间目标检测方法，其特征在于，目标与所述星敏感器的距离远大于目标尺寸，以在星敏感器焦平面上投影形成一个能量形状接近星点的目标。
5.根据权利要求1所述的复杂星空背景下的空间目标检测方法，其特征在于，所述星敏感器的曝光频率为10Hz。
6.一种复杂星空背景下的空间目标检测装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取测量要求，其中，所述测量要求包括量程、视场角与目标运动速度；
第二获取模块，用于获取合作靶标参数，其中，所述合作靶标参数包括光功率与工作角度；
第三获取模块，用于获取星敏感器的工作数据，其中，所述工作数据包括所述星敏感器的曝光频率与敏感波长；
综合设计模块，用于建立星间测量模型，并设计相对角度测量算法，以获取空间目标检测结果。
7.根据权利要求6所述的复杂星空背景下的空间目标检测装置，其特征在于，所述光功率的计算公式为：
PLed光＝ELed×(4πR2)，
其中，其中，E表示光照度，P表示光功率，ELed表示LED的发光强度，PLed光表示LED灯阵的光功率，R表示某个星球的半径。
8.根据权利要求6所述的复杂星空背景下的空间目标检测装置，其特征在于，所述建立星间测量模型，进一步包括：
根据参数建立所述星间测量模型，其中，在主卫星上安装光学传感器，在从卫星上安装信号源。
9.根据权利要求6所述的复杂星空背景下的空间目标检测装置，其特征在于，目标与所述星敏感器的距离远大于目标尺寸，以在星敏感器焦平面上投影形成一个能量形状接近星点的目标。
10.根据权利要求6所述的复杂星空背景下的空间目标检测装置，其特征在于，所述星敏感器的曝光频率为10Hz。
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