CN109559293B - 一种步进式全天区扫描搜索装置及方法 - Google Patents

一种步进式全天区扫描搜索装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种步进式全天区扫描搜索装置及方法，该装置由两个搜索机构组成，分别放置于卫星上下两侧，各负责180°空域搜索任务；每个所述搜索机构由用于步进转动的一维转动机构和设置在所述一维转动机构上的两台相机组成；所述相机的视场采用30°×30°，两台相机构成的拼接视场为60°×30°；每个所述搜索机构依靠所述一维转动机构的转动，实现60°×180°全视场覆盖。本发明解决了全天区多目标检测与跟踪的策略问题，提高了多目标检测的快速性，降低了虚警率；改善了多目标跟踪的快速性；实现了对空间非自然天体目标的检测与持续跟踪。为在轨卫星防碰避碰提供了可行的工程基础。

Description

一种步进式全天区扫描搜索装置及方法
技术领域
本发明涉及空间技术领域，具体涉及一种步进式全天区扫描搜索装置及方法。
背景技术
随着空间技术的迅速发展，包括失控卫星、空间碎片和太空垃圾在内的未知目标逐年增多。多种未知目标会对正常运行的卫星产生干扰，甚至威胁卫星的运行安全。美国铱33卫星与俄罗斯报废卫星相撞是历史上首次卫星碰撞事故，此事件使得空间防碰撞技术引起各航天大国的重视，对空间未知目标的发现、辨识与威胁评估成为防碰撞技术需首要解决的问题。另一方面，卫星在执行清理空间垃圾任务时，存在变轨等动作，在未知轨道上发生意外碰撞的风险激增。这就对空间未知目标发现与跟踪提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种步进式全天区扫描搜索装置及方法，以对远距离、大范围空域可能出现的未知目标进行快速搜索、检测和跟踪。
为达到上述目的，本发明提供了一种步进式全天区扫描搜索装置，所述步进式全天区扫描搜索装置由两个搜索机构组成，分别放置于卫星上下两侧，各负责180°空域搜索任务；每个所述搜索机构由用于步进转动的一维转动机构和设置在所述一维转动机构上的两台相机组成；所述相机的视场采用30°×30°，两台相机构成的拼接视场为60°×30°；每个所述搜索机构依靠所述一维转动机构的转动，实现60°×180°全视场覆盖。
本发明还提供了一种步进式全天区扫描搜索方法，该方法是基于上述的步进式全天区扫描搜索装置实现，包括以下步骤：
步骤1：确定步进式扫描每个搜索阵位停留时间与一个全天区扫描周期所用时间；
步骤2：在全天区目标搜索时，两个相机具有等同功能，两者交替配合工作；独立完成星图识别，为步骤3的实施提供必备的姿态信息；
步骤3：根据自然天体特性与非自然天体特性差异，采用非自然天体快速辨识策略进行自然天体剔除算法，从而实现对目标的捕获；
步骤4：依据步骤3中获得的目标信息能量特征与运动特征，融合多阵位收集的信息，采用基于视场融合的多目标航迹预测策略，设计空间多目标跟踪策略，拟合出全空域多目标航迹预测图。
上述的步进式全天区扫描搜索方法，其中，步骤1中，所述相机完成单次成像和目标的检测结束后，所述一维转动机构在3s内以30°的步进运动到下一搜索阵位，进行周期性的一维扫描运动。
上述的步进式全天区扫描搜索方法，其中，步骤2中，装置处于搜索阵位时，一台相机进入搜索跟踪模式，该相机通过输出惯性坐标系下的光轴指向为另外一个相机提供光轴指向的参考值；另一个相机根据得到的光轴指向信息完成步骤3的算法；两台相机交替轮换任务。
上述的步进式全天区扫描搜索方法，其中，步骤4中，依据步骤3中获得的目标信息能量特征与运动特征，确定一个搜索周期内目标的优先级排序，依据优先级选择优先跟踪的目标；此时装置转入目标跟踪状态：一维转动机构带动相机完成下一周期扫描，总扫描时间不变；在一个搜索阵位中，通过建立可变预测跟踪窗口实现对目标的持续跟踪，根据多帧图像拟合出目标的运动轨迹，由此将视场内所有目标与其预测轨迹拟合到60°×30°的图像上；对所有搜索阵位获得的信息进行融合，形成60°×180°的多目标航迹预测图；多周期扫描内，通过连续的全景视场，在时间轴上做航迹关联，给出搜索巡查坐标系下的目标航迹预测图。
上述的步进式全天区扫描搜索方法，其中，步骤4中，空间多目标跟踪策略包括以下步骤：
步骤4.1：对于捕获到的每一个目标，将目标运动向量初始值加上目标在当前帧的位置作为其中下一帧的预测值；
步骤4.2：在下一帧中寻找位置最接近预测值的像点位置作为目标的最新位置，并利用该实际位置计算目标的实际运动向量；输出每一个目标在每一帧中的最新位置作为目标跟踪的结果；
步骤4.3：利用步骤4.2计算得到的运动向量替代步骤4.1中的目标运动向量初始值，并重复执行步骤4.1～步骤4.3，实现多目标连续跟踪。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明解决了全天区多目标检测与跟踪的策略问题，提高了多目标检测的快速性，降低了虚警率；改善了多目标跟踪的快速性；实现了对空间非自然天体目标的检测与持续跟踪。为在轨卫星防碰避碰提供了可行的工程基础。
附图说明
图1为搜索机构的结构示意图；
图2为步进式全天区扫描搜索装置安装在卫星上的结构示意图；
图3为相机视场组合示意图；
图4为相机视场拼接与搜索方案示意图；
图5为双探头相机协同工作流程图；
图6为窗口跟踪流程图；
图7为全天区多目标航迹预测示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的，如图1和图2所示，一种步进式全天区扫描搜索装置的设计，根据相机12视场范围，相机12成像条件要求，一维转动机构11的转动范围。设计基于一维转动机构11的多相机12组合扫描系统，以完成全天区覆盖扫描的要求。
具体地，所述步进式全天区扫描搜索装置由两个搜索机构10组成，分别放置于卫星上下两侧，各负责180°空域搜索任务；每个所述搜索机构10由用于步进转动的一维转动机构11和设置在所述一维转动机构11上的两台相机12组成；所述相机12的视场采用30°×30°，两台相机12构成的拼接视场为60°×30°；每个所述搜索机构10依靠所述一维转动机构11的转动，实现60°×180°全视场覆盖。
基于上述所设计的步进式全天区扫描搜索装置的搜索方法，具体包括以下步骤：
步骤1：根据全天区扫描快速性要求，一维转动机构11性能限制。设计步进式全天区扫描策略，确定步进式扫描每个阵位停留时间与一个全天区扫描周期所用时间；
步骤2：根据空间未知目标检测的必备条件，全天区扫描相机12的独立性要求。设计了双探头相机12协同工作策略。在全天区目标搜索时，两个相机12具有等同功能，两者交替配合工作。独立完成星图识别，为步骤3的实施提供必备的姿态信息。
步骤3：根据自然天体特性与非自然天体特性差异，采用非自然天体快速辨识策略进行自然天体剔除算法，从而实现对目标的捕获。
步骤4：依据步骤3中获得的目标信息能量特征与运动特征，融合多阵位收集的信息，采用基于视场融合的多目标航迹预测策略，设计空间多目标跟踪策略，拟合出全空域多目标航迹预测图。
所述的步骤1中，根据全天区扫描快速性要求，一维转动机构11性能限制。设计步进式全天区扫描策略：按所述装置的设计，两台相机12的拼接视场为60°×30°，总体任务需要搜索的视场范围为60°×180°，则相机12按1°视场覆盖检测的方式，以30°的步进进行目标检测，全空域搜索共需检测6次。相机12完成单次成像和目标的检测结束后，一维转动机构11在3s内以30°的步进运动到下一检测位置，进行周期性的一维扫描运动。
所述的步骤2中，根据空间未知目标检测的必备条件，全天区扫描相机12的独立性要求。设计了双探头相机12协同工作策略：系统处于搜索阵位时，一台相机12进入搜索跟踪模式，该相机12通过输出惯性坐标系下的光轴指向为另外一个相机12提供光轴指向的参考值。另一个相机12根据得到的光轴指向信息完成步骤3的算法。两相机12可交替轮换任务。
所述的步骤4中，依据步骤3中获得的目标信息能量特征与运动特征。确定一个搜索周期内目标的优先级排序，依据优先级选择优先跟踪的目标。此时系统转入目标跟踪状态：一维转动机构11带动相机12完成下一周期扫描，总扫描时间不变。在一个搜索阵位中，通过建立可变预测跟踪窗口实现对目标的持续跟踪，根据多帧图像拟合出目标的运动轨迹，由此可将视场内所有目标与其预测轨迹拟合到60°×30°的图像上。对所有搜索阵位获得的信息进行融合，就形成了60°×180°的多目标航迹预测图。多周期扫描内，通过连续的全景视场，在时间轴上做航迹关联，给出搜索巡查坐标系下的目标航迹图。
所述的步骤1-4构成了步进式全天区扫描搜索装置的功能实现。
如图1和图2所示，给出了步进式全天区扫描搜索装置的结构示意图，步进式全天区扫描搜索装置由两个搜索机构10组成，分别放置于卫星上下两侧，各负责180°空域搜索任务。单搜索机构10由两台相机12与一维转动机构11构成。该系统主要功能是实现对视场范围内的空间目标进行识别和视线角测量。其中相机12视场采用30°×30°。
一维转动机构11的主要功能如下：
1)接收综合信息处理单元转发的驱动角度数据，实现目标的搜索和闭环稳定跟踪；根据综合信息处理器发送的参数配置和控制模式，完成一维转动机构11的扫描运动、位置保持等运动控制；
2)角度测量：测量一维转动机构11的旋转角，输出到综合信息处理单元；
3)零位修正功能：可以通过指令参数修改转台的电气零位；
4)自检功能：按照通讯协议，通信数据状态诊断、各功能单元的供电电流电压诊断、内部各功能单元工作状态诊断；
5)限位要求：要求设计软限位和硬限位。
相机12的主要功能如下：
a)发现视场内的目标后，对目标进行确认并自主跟踪，对可见光波段目标进行成像与目标灰度质心提取，测量目标的视线角(俯仰和方位)、视线角速度；
b)当目标丢失时，在一定区域内对目标进行搜索和重新捕获；
c)具有接收程控指令和地面遥控指令进入相应工作模式的功能，具备图像输出和下传功能；
d)相机12具有在轨编程功能，具备不开盖软件更改功能，具备关键注数断电保持功能，具有一定的故障检测及诊断能力。
如图3所示，给出了相机12视场组合示意图，对于可见光成像，相机12工作谱段的选择是多方面折中的结果，系统的灵敏度和背景抑制能力两者往往相互矛盾，主要考虑以下两个方面：
目标的光学特性：卫星等空间目标探测主要依靠反射的太阳光。希望尽可能宽谱段以收集目标反射能量。除了太阳能电池板外，卫星表面基本都包覆有热控材料或热控涂层，典型的热控材料为银色镀铝聚酯薄膜和黄色镀铝聚酯薄膜。根据研究结果，太阳能电池和银色聚酯薄膜的在0.45μm～0.52μm(反射率峰值0.45μm左右)波段反射的太阳光亮度高；黄色镀铝聚酯薄膜的在0.7μm～0.9μm(反射率峰值0.76μm左右)波段反射的太阳光亮度高。
光学系统的光谱透过率：光学材料对光谱透过都有一定的选择性，同时透过宽的谱段会导致光学系统研制难度大大加大，不利于项目的开展。对于成像系统而言，谱段范围太宽会降低光学系统的调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)，影响成像质量。0.45μm～0.7μm的可见光谱段范围既能够提供足够的能量又能够较好地从天空背景中分离出人工目标。
对于光学系统，考虑在轨太阳光照的防护，本方案用30°×30°视场的一体式小型化产品为基础(相机12视场实际按照31°×31°设计，以留有视场拼接的余量，后续的分析及设计均按照30°×30°考虑)。视场拼接为60°×30°。依靠转动机构的5次转动，实现60°×180°全视场覆盖。
太阳保护分析：30°×30°的相机12太阳保护角39°。双视场拼接的优点是单个视场的太阳保护角相对较小，可以有效避免太阳光对探测的影响。即使一个视场受太阳光照，另外一个也照常工作。
综上分析，双视场拼接+机构步进是最优的视场设计方案
如图4所示，为相机12视场拼接与搜索方案示意图。单次视场范围为60°×30°(2个相机12拼接)，采用动目标检测方法，每次曝光时间100ms，同一视场需要连续25次曝光以确定是否有目标，成像及处理时间需要2.5s。制约全空域搜索快慢因素的主要是一维转动机构11的运动速度。方案中设计一维转动机构11平均运动速度为10°/s，则完成单次视场探测，需要一维转动机构11运动时间为3s。完成方位维-30°～+30°视场范围，俯仰维0°～180°视场范围空域搜索，每次视场重叠1°(等效单次视场60°×30°)的情况下，需要的巡查位置为6个，转动次数为5次，因此，一个搜索周期内光学搜索的时间分配如下：
(1)每个巡查位置最多驻留2.5s，6个巡查位置的最多驻留时间：15s；
(2)5次转动的时间开销：15s。
如图5所示，为双探头相机12协同工作流程图。根据空间未知目标检测的必备条件，全天区扫描相机12的独立性要求。设计了双探头相机12协同工作策略：系统处于搜索阵位时，相机12A进入搜索跟踪模式：对该相机12拍摄的图片，做星图识别，对比导航星表获取相机12A的光轴指向，通过坐标转换可以得到相机12B的光轴指向。相机12B根据得到的光轴指向信息即可获得视场内的星图，以此为背景星图完成步骤3的算法。双头交替完成星图识别和目标搜索任务，能确保在要求时间内完成目标检测捕获任务。
非自然天体快速辨识策略是将非自然天体剔除算法与目标运动信息捕获算法相结合，在不提高算法复杂程度情况下，同时提高算法的一次捕获概率和目标提取正确率。分别完成基于多帧信息融合的快速自然天体剔除算法与运动特征辨识算法，将两组初筛疑似目标融合并综合分析最终获得疑似目标，可以保证在一个阵位停留时间内完成两个算法操作。
相机12在进行全天区搜索任务时，按照步骤1所示策略进行全周期扫描。在同一扫描阵位内存在较长时间间隔的多帧图像。多目标搜索策略核心是将多视场、多帧图像进行视场融合与拼接，并根据目标运动特性进行航迹拟合，以达到持续跟踪的目的。通过一个扫描周期后，会探测到多个疑似目标。然而，快速扫描过程中，曝光时间较短，采用步进式扫描策略使得视场边缘的目标可能出现能量积累较少，运动信息提取不准确等情况，想要拟合出准确的目标运动轨迹还需要将视场中心靠近目标进行一段时间的持续曝光来完善目标运动与能量信息。因此需要设定一定优先级来确定目标的先后跟踪策略。在相机12独立搜索的情况下，只能提取出目标的运动信息和能量信息。因此优先级判断依据为目标的速度与平均能量两个特征信息，将目标进行优先级排序，并按照优先级顺序进行跟踪。
如图6所示，为窗口跟踪流程图。目标捕获后，为了对目标进行有效跟踪，设计一种预测窗口实现对多目标的跟踪，其跟踪流程为：
步骤4.1：对于捕获到的每一个目标，将目标运动向量初始值加上目标在当前帧的位置作为其中下一帧的预测值。
步骤4.2：在下一帧中寻找位置最接近预测值的像点位置作为目标的最新位置，并利用该实际位置计算目标的实际运动向量。输出每一个目标在每一帧中的最新位置作为目标跟踪的结果。
步骤4.3：利用步骤4.2计算得到的运动向量替代步骤4.1中的目标运动向量初始值，并重复执行步骤4.1～步骤4.3。实现多目标连续跟踪。
如图7所示，为全天区多目标航迹预测示意图。装置转入目标跟踪状态：一维转动机构11带动相机12完成下一周期扫描，总扫描时间不变。此模式扫描中，一维转动机构11运动策略采用30°的步长、5次转动、6个扫描阵位，确保每个扫描阵位相机12视场中心位于步骤1所示对应阵位的视场边缘。在一个搜索阵位中，通过建立可变预测跟踪窗口实现对目标的持续跟踪，根据多帧图像拟合出目标的运动轨迹，由此可将视场内所有目标与其预测轨迹拟合到60°×30°的图像上。对所有搜索阵位获得的信息进行融合，就形成了60°×180°的多目标航迹预测图。
综上所述，本发明解决了全天区多目标检测与跟踪的策略问题，提高了多目标检测的快速性，降低了虚警率；改善了多目标跟踪的快速性；实现了对空间非自然天体目标的检测与持续跟踪。为在轨卫星防碰避碰提供了可行的工程基础。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种步进式全天区扫描搜索方法，其特征在于，该方法基于一种步进式全天区扫描搜索装置实现，所述步进式全天区扫描搜索装置由两个搜索机构组成，分别放置于卫星上下两侧，各负责180°空域搜索任务；每个所述搜索机构由用于步进转动的一维转动机构和设置在所述一维转动机构上的两台相机组成；所述相机的视场采用30°×30°，两台相机构成的拼接视场为60°×30°；每个所述搜索机构依靠所述一维转动机构的转动，实现60°×180°全视场覆盖；所述方法包括以下步骤：
步骤1：确定步进式扫描每个搜索阵位停留时间与一个全天区扫描周期所用时间；
步骤2：在全天区目标搜索时，两个相机具有等同功能，两者交替配合工作；独立完成星图识别，为步骤3的实施提供必备的姿态信息；
步骤3：根据自然天体特性与非自然天体特性差异，采用非自然天体快速辨识策略进行自然天体剔除算法，从而实现对目标的捕获；
步骤4：依据步骤3中获得的目标信息能量特征与运动特征，融合多阵位收集的信息，采用基于视场融合的多目标航迹预测策略，设计空间多目标跟踪策略，拟合出全空域多目标航迹预测图；
其中，步骤4中，空间多目标跟踪策略包括以下步骤：
步骤4.1：对于捕获到的每一个目标，将目标运动向量初始值加上目标在当前帧的位置作为其中下一帧的预测值；
步骤4.2：在下一帧中寻找位置最接近预测值的像点位置作为目标的最新位置，并利用该目标的最新位置计算目标的实际运动向量；输出每一个目标在每一帧中的最新位置作为目标跟踪的结果；
步骤4.3：利用步骤4.2计算得到的运动向量替代步骤4.1中的目标运动向量初始值，并重复执行步骤4.1～步骤4.3，实现多目标连续跟踪。
2.如权利要求1所述的步进式全天区扫描搜索方法，其特征在于，步骤1中，所述相机完成单次成像和目标的检测结束后，所述一维转动机构在3s内以30°的步进运动到下一搜索阵位，进行周期性的一维扫描运动。
3.如权利要求1所述的步进式全天区扫描搜索方法，其特征在于，步骤2中，装置处于搜索阵位时，一台相机进入搜索跟踪模式，该相机通过输出惯性坐标系下的光轴指向为另外一个相机提供光轴指向的参考值；另一个相机根据得到的光轴指向信息完成步骤3的算法；两台相机交替轮换任务。
4.如权利要求1所述的步进式全天区扫描搜索方法，其特征在于，步骤4中，依据步骤3中获得的目标信息能量特征与运动特征，确定一个搜索周期内目标的优先级排序，依据优先级选择优先跟踪的目标；此时装置转入目标跟踪状态：一维转动机构带动相机完成下一周期扫描，总扫描时间不变；在一个搜索阵位中，通过建立可变预测跟踪窗口实现对目标的持续跟踪，根据多帧图像拟合出目标的运动轨迹，由此将视场内所有目标与其预测轨迹拟合到60°×30°的图像上；对所有搜索阵位获得的信息进行融合，形成60°×180°的多目标航迹预测图；多周期扫描内，通过连续的全景视场，在时间轴上做航迹关联，给出搜索巡查坐标系下的目标航迹预测图。
5.一种步进式全天区扫描搜索装置，其特征在于，用于实现如权利要求1～4中任意一项所述的步进式全天区扫描搜索方法，所述步进式全天区扫描搜索装置由两个搜索机构组成，分别放置于卫星上下两侧，各负责180°空域搜索任务；每个所述搜索机构由用于步进转动的一维转动机构和设置在所述一维转动机构上的两台相机组成；所述相机的视场采用30°×30°，两台相机构成的拼接视场为60°×30°；每个所述搜索机构依靠所述一维转动机构的转动，实现60°×180°全视场覆盖。
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CN106249230A (zh) * 2016-07-26 2016-12-21 上海无线电设备研究所 一种基于全空域预警一维旋转相控阵雷达的快速搜索方法
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CN106646454A (zh) * 2016-11-25 2017-05-10 上海无线电设备研究所 一种天基告警监视系统的目标快速搜索识别方法

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一种基于线阵扫描成像的红外搜索跟踪一体化系统设计;王卫华等;《信号处理》;20100925(第09期);全文 *

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