CN111288968B - 一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，属于空间目标自动化测量技术领域，该系统包括系统监控平台、光学图像采集设备和目标识别跟踪平台，光学图像采集设备包括光学镜头及探测器、跟踪架、测角单元、电控单元，目标识别跟踪平台包括图像采集卡、图像识别与跟踪单元，系统监控平台包括自动化引导文件生成单元、引导数据显示与控制单元、主动搜索控制单元、数据处理与记录单元。本发明能够实现自动生成计划文件、自动加载引导数据、根据时间信息自动引导、引导到位后自动识别空间目标；当引导数据存在较大误差时，采取预设的主动搜索策略进行目标搜索，进一步提高空间目标的测量效率，提高光测测量系统的自动化水平。

Description

一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统
技术领域
本发明涉及空间目标自动化测量技术领域，特别是涉及一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统。
背景技术
自第一台光学望远镜问世以来，光学望远镜为天文和军事的发展提供了重要帮助。随着科技水平的不断进步，光学望远镜也飞速更新换代，口径逐渐增大，特别是从上世纪八十年代开始，CCD相机与计算机控制技术的应用，使空间目标测量的方式得到改变。空间目标测量已由最初的观测员目视、手绘记录，变为伺服系统引导设备机动，CCD相机采集记录，编码器系统读取方位信息、主控计算机综合处理并记录的方式。目前空间目标观测设备均实现半自动化，但在伺服系统引导到位后，目标的提取过分依赖操作手的选择，人工识别出待观测的空间目标后，设备才能自动跟踪并对目标进行测量。由于每个观测任务都包含大量的待观测目标，切换下一目标后，需要操作手再次人工识别目标，整体观测效率受到观测人员熟练度、疲劳程度的影响。同时引导数据的生成是一个复杂的过程，需要根据站址信息和目标轨道根数信息人工进行可观测性判断，并人为制定观测计划，最终生成引导数据。当有大量目标需要观测时，观测计划的设计耗费操作人员巨大精力。最后，空间目标观测对外部环境要求较高，需要较少的光噪影响，选址一般选在偏远地区，因此远程监控、无人值守的自动化空间目标测量成为一种必然趋势。
针对全自动化空间目标测量的需求，目前，国内外也有很多相关的解决方案。
专利CN 109932974 A提出了一套完整的空间目标望远镜观测控制系统，解决了现有观测控制系统存在人工识别空间目标效率低下，识别时间长等问题。该专利通过运动控制器、CCD采集器、数据处理器三个主要模块，完成了设备的自动引导，目标的自动识别，测量数据的自动记录，采用DSP与FPGA的异构处理架构，提高了系统性能，节省设备空间及设备费用。但也存在一些问题，如：(1)引导数据的生成如何自动化产生并未解决；(2)当引导数据误差较大，待观测目标在视场外时，并未给出一种策略解决这一问题。
专利CN 102538759 B中提出的近地和中高轨空间目标实时全自动捕获方法，在空间目标到来之前，观测设备提前沿着空间目标的运动速度方向运行，在运动的同时获得CCD图像，以突出恒星和空间目标星像在CCD图像上的区分度。在图像上识别出待测量的空间目标，对其进行精密跟踪测量。该专利在目标识别捕获上提出了具体的方法，但仍未解决如何自动生成引导数据及引导数据误差较大时如何搜索目标的问题。
空间目标自动化测量，作为一种能够提高空间目标观测设备效率及准确率，降低操作人员劳动强度的测量方法，已经成为各观测站的基本需求。目前已有的一些专利都在这方面做出大量努力(如前文所述)，提出了一些方法完成从混有大量恒星的图像中区分出待观测的空间目标，从而完成空间目标的自动化测量。但这些工作都是在观测设备引导到指定位置，待观测目标确保在视场内时才能进行。而操作人员在开始一次空间目标跟踪测量前，需要设计跟踪计划，并计算出引导数据，这一环节也有着较大的工作量。同时当引导数据存在较大误差时，待观测目标很有可能在视场外，而低轨目标可观测弧段短，不使用有效的主动搜索策略就会造成该目标测量丢失，降低设备的测量效率。
当前的空间目标观测站均采用预报引导与人工判别相结合的方式对空间目标进行测量。但由于待测量的空间目标与其他星体没有明显的几何特征及亮度的区别，因此目标的判别需要观测人员全程监视及手动选择目标，该方式对操作人员有较高的要求，且准确率、效率都不能得到保障。同时现有目标引导方式只根据预报引导文件进行引导，当目标引导数据出现较大偏差时，缺少有效手段对视场外的目标进行搜索，操作人员在该情况下依旧进行目标挑选，既增加操作人员工作量又导致测量失败。在引导文件生成方面，观测计划的生成仍采用人工规划的方法，耗费较大人力。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中存在的问题，提供一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，该系统能够实现开始跟踪前计划文件的设计及引导数据的计算达到自动化完成，执行任务过程中实现目标的自动化引导，并且能够解决引导数据误差较大时，目标在视场外使跟踪失败的问题。本发明结合目标自动提取算法，能够达到空间目标的全自动化测量。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，包括系统监控平台、光学图像采集设备和目标识别跟踪平台，所述光学图像采集设备包括光学镜头及探测器、跟踪架、测角单元、电控单元，所述目标识别跟踪平台包括图像采集卡、图像识别与跟踪单元，所述系统监控平台包括：
自动化引导文件生成单元，用于周期性检测第一指定文件夹下是否新增双行轨道元素文件，并自动读取新增的双行轨道元素文件，根据新增的双行轨道元素文件及所述光学图像采集设备的站址信息对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计，根据统计结果自动生成计划文件，根据所述计划文件生成引导数据，按照索引文件格式将所述引导数据保存；
所述自动化引导文件生成单元(101)根据新增的双行轨道元素文件及所述光学图像采集设备(200)的站址信息对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计的过程包括以下步骤：利用SGP4/SDP4模型计算在未来预设时间段内的各个预设时刻下每一个待观测空间目标相对于光学图像采集设备200站址的俯仰角；将待观测空间目标的俯仰角大于阈值的弧段记录为可观测弧段，得到所有待观测空间目标的可观测弧段；
所述自动化引导文件生成单元(101)根据统计结果自动生成计划文件的过程包括以下步骤：将所有待观测空间目标的可观测弧段按照弧段起始时间升序进行排序，生成计划文件，计划文件记录了未来每个时间段内需要观测的待观测空间目标编号；
引导数据显示与控制单元，用于周期性检测所述自动化引导文件生成单元是否生成新的引导数据，并自动加载新生成的引导数据的索引文件，将载入的引导数据实时传送至所述电控单元，以使所述电控单元根据引导数据完成所述光学镜头及探测器和所述跟踪架的自动化引导，当引导到位后，所述图像识别与跟踪单元通过所述图像采集卡采集所述光学镜头及探测器生成的光学影像并对所述光学影像进行待观测空间目标的自动识别；
主动搜索控制单元，用于接收所述图像识别与跟踪单元反馈的自动识别结果及目标脱靶量信息并将所述目标脱靶量信息发送至数据处理与记录单元，以及当所述自动识别结果及目标脱靶量信息为空时，所述主动搜索控制单元用于接收所述图像识别与跟踪单元反馈的目标丢失消息，并通过所述引导数据显示与控制单元控制所述光学图像采集设备按照预设的主动搜索策略进行搜索，搜索结束的条件为达到跟踪当前目标的结束时间或者所述主动搜索控制单元接收到所述图像识别与跟踪单元反馈的自动识别结果及目标脱靶量信息；
所述数据处理与记录单元，用于接收所述测角单元实时测量的所述跟踪架的指向信息，并根据所述指向信息、系统误差修正值以及目标脱靶量信息合成出待观测空间目标的实际位置测量数据，按照预设格式对待观测空间目标的实际位置测量数据进行保存。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)现有关于空间目标测量自动化运行的方案在目标图像识别方面有较为详细的研究，但都并未给出一套完整的空间目标自动化测量的流程，本发明从计划文件的自动化生成、引导数据的自动化生成、引导数据的自动加载、依据时间信息的自动化引导到最终测量数据的合成及自动化保存，设计了一套完整的空间目标自动化测量系统，弥补了现有空间目标半自动化测量设备的缺陷；
(2)现有关于空间目标测量自动化运行的方案都未对引导数据的自动生成提出有效的解决方法，本发明所提出的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统有效的解决了引导数据自动化生成的问题，实现了空间目标测量自动化运行的第一步；
(3)本发明实现了依靠时间信息的自动化引导，改善了原有空间目标测量方法需要人工切换目标的复杂操作，大大降低了设备操作人员的工作量，提高了空间目标测量的自动化水平；
(4)本发明首次关注引导数据误差较大时，待观测空间目标在视场外的问题，提出了当待观测空间目标在视场外时采用预设的主动搜索策略进行目标搜索，解决了待观测空间目标在视场外导致空间目标测量失败的问题，提高了空间目标的测量效率、准确率及空间目标自动化测量系统自动化运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统的结构示意图；
图2为TEME坐标系到RAE坐标系的坐标转换过程示意图；
图3为引导数据的索引文件结构图；
图4为计划文件的自动化载入流程图；
图5为步进式范围搜索策略的示意图；
图6为螺旋式扫描搜索策略的示意图。
具体实施方式
针对空间目标观测站对于自动化测量的需求，本发明从计划文件的自动生成、引导数据的自动加载、依据时间信息的自动化引导到最终测量数据的合成及自动化保存，设计了一个完整的空间目标自动化测量系统，该系统弥补了现有观测设备半自动化测量的缺陷，大大降低了设备操作人员的工作量，提高了设备的自动化水平。在本发明中，计划文件的自动化生成首先通过判断轨道根数文件是否更新，对更新的轨道根数文件中的待观测空间目标进行可观测弧段统计。使用SGP4/SDP4模型并经过坐标变换，以待观测空间目标相对于观测站的俯仰角为可观测性判据，将一段时间内所有待观测空间目标的可观测弧段进行排序并生成计划引导文件，根据该计划引导文件生成最终的引导数据。本发明还通过多功能单元联动的方式，实现了引导数据生成后，引导数据的自动加载，提出了一种依据时间信息实现自动任务切换的方法，该方法有效解决目前观测设备上需要人工切换引导目标的问题。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，该系统包括系统监控平台100、光学图像采集设备200和目标识别跟踪平台300，各部分之间的功能逻辑关系如图1所示。
下面对各部分分别进行介绍：
(1)系统监控平台100
系统监控平台100包括自动化引导文件生成单元101、引导数据显示与控制单元102、主动搜索控制单元103、数据处理与记录单元104四部分。
空间目标自动化测量是本方案的特点，而引导数据文件的自动生成是自动化测量的第一步。自动化引导文件生成单元101周期性检测第一指定文件夹下是否新增双行轨道元素(Two-Line Orbital Element，TLE)文件，例如，自动化引导文件生成单元101以固定频率30分钟，不断读取第一指定文件夹下是否有新增的双行轨道元素文件(即轨道根数文件)，所有需要观测的目标都被写入一个以当前日期命名的文件中。当自动化引导文件生成单元101检测到有新增的双行轨道元素文件出现，说明有新的观测任务，此时自动化引导文件生成单元101自动读取新增的双行轨道元素文件，自动读取文件后，自动化引导文件生成单元101根据新增的双行轨道元素文件及光学图像采集设备200的站址信息对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计，根据统计结果自动生成计划文件，根据计划文件生成引导数据，按照索引文件格式将引导数据保存。自动化引导文件生成单元101采用C++语言开发，根据待观测空间目标的双行轨道元素及光学图像采集设备200的站址信息，对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计，得到统计结果，然后根据统计结果进行整理并生成计划文件，根据计划文件生成引导数据，最后按照索引文件格式将引导数据保存，将引导数据保存为指定的索引格式。
进一步地，自动化引导文件生成单元101根据新增的双行轨道元素文件及光学图像采集设备200的站址信息对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计的过程包括以下步骤：
利用SGP4/SDP4模型计算在未来预设时间段内的各个预设时刻下每一个待观测空间目标相对于光学图像采集设备200站址的俯仰角；
将待观测空间目标的俯仰角大于阈值的弧段记录为可观测弧段，得到所有待观测空间目标的可观测弧段。
具体地，自动化引导文件生成单元101自动读取新的双行轨道元素文件后，逐一对文件中的待观测空间目标进行可观测性判断，而判断某一待观测空间目标的可观测性就需要对该待观测空间目标未来某段时间内相对于站址的观测俯仰角进行预测。
双行轨道元素，由北美防空司令部(North American Air Defense Command，NORAD)开发，是在一般摄动理论的基础上生成的可以对空间飞行目标的位置进行预测的开普勒根数轨道数据。双行轨道元素考虑了多种空间因素影响，其数据采用特定方法除去了周期扰动项，为了使计算结果更精确，必须使用采用同样的方法重构这些被除去的周期扰动项的预测模型，所以预测模型选用NORAD发布的SGP4/SDP4(Simplified GeneralPerturbation Version 4/Simplified Deep-space Perturbation Version 4)模型。SGP4模型是对时间输入的解析模型，比较适用于周期小于225min的近地卫星，结合TLE初值后可计算任何时刻的近地卫星位置，SDP4模型适用于周期大于255min的中高轨卫星，同样结合TLE初值后可计算任何时刻的近地卫星位置。
采用SGP4/SDP4模型计算出的卫星位置是在真赤道、平春分点(True EquatorTrue Equinox，TEME)坐标系下的坐标，而可观测性判断需要待观测空间目标相对站址的俯仰角信息，因此需要进行坐标系的转换。
TEME坐标系转换到相对于站址观测的距离-方位角-俯仰角(Range-Azimuth-Elevation，RAE)坐标系的步骤是：首先通过TLE找到TEME坐标系中的位置矢量，并且得到旋转矩阵Rx,Ry,Rz，使用相关公式求出地心惯性坐标系(J2000坐标系)中对应的位置矢量后再转化为地心地固(Earth-Centered Earth-Fixed，ECEF)坐标系中对应的位置矢量，最后将其转化为相对于观测站的RAE值，坐标转换的步骤如图2所示。
a)TEME坐标系与J2000坐标系转换
设TEME坐标系和J2000坐标系下的位置矢量分别为
Figure GDA0002886352920000071
和
Figure GDA0002886352920000072
则
Figure GDA0002886352920000073
的计算公式为：
Figure GDA0002886352920000081
其中Ri(θ)为旋转矩阵，表示绕i轴旋转θ角度，P和N分别为岁差矩阵和章动矩阵，P、N和EQ的计算公式分别为：
P＝Rz(ξ)Ry(-θ)Rz(Z)
Figure GDA0002886352920000082
Figure GDA0002886352920000083
Figure GDA0002886352920000084
其中ξ、θ、Z为岁差参数，
Figure GDA0002886352920000085
为平黄赤夹角，ΔΨ1980为黄经章动，ε为黄赤夹角，Ω为月球平黄经，表达式分别为：
ξ＝2306″.2181T+0″.30188T2+0″.017998T3
θ＝2004″.3109T+0″.42665T2+0″.041833T3
Z＝2306″.2181T+1″.09468T2+0″.018203T3
Ω＝125.04452222°-6962890.5390″T+7.455T2+0.0008T3
Figure GDA0002886352920000086
Figure GDA0002886352920000087
其中T是从历元J2000到观测历元t的儒略世纪数，ΔΨ、Δε分别是黄经章动和夹角章动，其计算来自IAU1980给出的章动序列，章动序列及T的计算公式是：
ΔΨ1980＝ΔΨ+δΔΨ1980
Figure GDA0002886352920000088
ap(T)＝k1a1+k2a2+k3a3+k4a4+k5a5
Figure GDA0002886352920000089
其中JD(t)是观测历元t时刻的儒略日，Ai,Bi,A′i,B′i,Ki分别为106阶章动序列中的值，a1是月球平近点角，a2是太阳平近点角，a3是月球平交点距，a4是日月平角距，a5＝Ω是月球平黄经，其数值由如下矩阵得出：
Figure GDA0002886352920000091
b)J2000坐标系与ECEF坐标系转换
设ECEF坐标系和J2000坐标系下的位置适量分别为
Figure GDA0002886352920000092
和
Figure GDA0002886352920000093
则两者的关系为：
Figure GDA0002886352920000094
其中P、N、B2、B1分别为惯性系向地固系的岁差、章动、地球自转、地球极移等矩阵，均起到坐标转换作用。
其中P、N的计算公式与a)中所述一致，B2和B1的计算公式如下所示：
B2＝RZ(-GST)
B1＝Rx(Yp)Ry(Xp)
GST＝GMST+ΔΨcosεA+0″.000063sin2Ω
其中Rx、Ry、Rz、ΔΨ、Ω与a)中所述一致，Xp、Yp为极移值，数值可以从IERS Notes中获取，GMST为观测瞬间格林尼治视的恒星时。
c)ECEF坐标系转换为相对观测站的RAE坐标系
设位置矢量
Figure GDA0002886352920000095
在ECEF坐标系下的坐标为P(X,Y,Z)，对应其相对观测站站址S(B,L,H)的观测距离、方位角、俯仰角分别为R、A、E。
Figure GDA0002886352920000096
A＝arc tan(zt/xt)*180/π
E＝arcsin(yt/R)*180/π
其中：
xt＝(-sin B*cos L*(X-xg)-sin B*sin L*(Y-yg)+cos B*(Z-zg))
yt＝(cos B*cos L*(X-xg)+cos B*sin L*(Y-yg)+sin B*(Z-zg))
zt＝(-sin L*(X-xg)+cos L*(Y-yg))
xg＝(N+H)*cos B*cos L
yg＝(N+H)*cos B*sin L
zg＝(N*(1-e2)+H)*sin B
Figure GDA0002886352920000101
a为选用地球椭球模型的长半径，e2为选用地球椭球模型对应的曲率，可以根据使用的坐标系自行查找参数值。
将双行轨道元素文件中所有待观测空间目标的双行轨道元素带入SGP4/SDP4模型中，利用SGP4/SDP4模型可以预测未来一定时间内任意时刻待观测空间目标相对光学图像采集设备200站址的方位、俯仰值，例如，以一分钟为间隔确定预设时间段内的预设时刻，计算出未来各个预设时刻下每一个待观测空间目标相对于光学图像采集设备200站址的俯仰角；计算得到俯仰角之后，将待观测空间目标的俯仰角大于阈值的弧段进行记录，记录为可观测弧段，从而得到所有待观测空间目标对应的可观测弧段，其中阈值的取值可以为10度，但对于不同设备的实际情况，阈值的取值动态可调。
在对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计，得到所有待观测空间目标对应的可观测弧段的统计结果后，更进一步地，自动化引导文件生成单元101根据统计结果自动生成计划文件，该过程包括以下步骤：将所有待观测空间目标的可观测弧段按照弧段起始时间升序进行排序，生成计划文件，计划文件记录了未来每个时间段内需要观测的待观测空间目标编号。
生成计划文件后，自动化引导文件生成单元101根据计划文件生成引导数据，并按照索引文件格式将引导数据保存。将记录的所有待观测空间目标的可观测弧段进行排序(按弧段起始时间升序排列)，生成一个观测任务文件(即计划文件)，该文件记录了未来每个时间段内需要观测的目标编号。以该观测任务文件为依据，再次将各待观测空间目标的双行轨道元素带入SGP4/SDP4模型中，预测时间段根据观测任务文件中记录的该目标对应的时间进行选择，时间间隔选为1s。经过运算，最终完成所有引导值的计算，所有引导值组成引导数据。所有待观测空间目标的引导值需要按照一定的索引格式进行保存，便于引导数据显示与控制单元102读取与预览信息显示，索引文件结构如图3所示。该保存格式包含本次引导信息根文件，其中包含了任务日期与引导信息概览文件的索引，引导信息概览文件中列出了本次任务的所有圈次信息，包括目标代号、起始时刻、结束时刻、起始方位、结束方位、引导数据文件索引以及本圈次所采用的轨道根数文件(TLE文件)，引导数据文件包含了每个目标间隔为1s的引导数据。
自动化引导文件生成单元101自动读取新增的双行轨道元素文件后，还将读取成功的双行轨道元素文件移动到第二指定文件夹，第二指定文件夹用来存储使用过的双行轨道元素文件，同时做到清空第一指定文件夹的目的，便于再次对新增的轨道根数文件(即新增的双行轨道元素文件)的识别。
引导数据显示与控制单元102自动地周期性检测自动化引导文件生成单元101是否生成新的引导数据，当引导数据显示与控制单元102检测到自动化引导文件生成单元101有新的引导数据生成后，引导数据显示与控制单元102自动加载新生成的引导数据的索引文件，并将载入的引导数据实时传送至电控单元204，以使电控单元204根据引导数据完成光学镜头及探测器201和跟踪架202的自动化引导，当光学镜头及探测器201和跟踪架202引导到位后，图像识别与跟踪单元302通过图像采集卡301采集光学镜头及探测器201生成的光学影像并对光学影像进行待观测空间目标的自动识别。
为实现整个空间目标测量的自动化，观测设备(即光学图像采集设备200)的自动化引导是前提。自动化数字引导的关键在于计划文件的载入和任务切换。传统的预报引导任务需要操作人员手动加载任务文件，并主动根据当前时间对要执行的目标进行切换。在任务文件载入方面，引导数据显示与控制单元102判断是否有新的引导数据生成，引导数据显示与控制单元102自动加载该引导数据文件索引中的本次引导信息根文件，进而完成全部引导值的载入，由于引导数据文件所包含的引导数据是一秒一点形式，为了能够用于伺服引导，需要将数据插值成100Hz，这里我们可以采用引导数据文件中的角度位置和角度速度进行线性插值。计划文件的自动化载入流程如图4所示，引导数据显示与控制单元102启动自动化载入后，首先判断本次引导信息根文件是否存在，若否，则返回启动自动化载入步骤，重新启动，若是，则进入下一步骤；判断本次引导信息根文件是否更新，若否，则给出提示并返回启动自动化载入步骤，若是，则进入下一步骤；载入本次引导信息根文件；判断引导信息概览文件是否存在，若否，则给出提示并返回启动自动化载入步骤，若是，则根据本次引导信息根文件中的索引信息载入引导信息概览文件，引导信息概览文件记录了所有待引导目标对应的引导数据文件；引导数据显示与控制单元102逐一对引导信息概览文件中记录的引导数据文件进行加载，当引导数据显示与控制单元102载入下一个引导数据文件之后，判断当前引导数据文件是否有效，若否，则返回载入下一个引导数据文件步骤，若是，则读入任务信息，并对引导数据文件中记录的引导数据插值成100Hz，完成100Hz插值；判断是否已是最后一个任务，若否，则返回载入下一个引导数据文件步骤，若是，则完成任务文件载入，并生成任务列表信息后结束。在任务切换方面，本实施例提供一种依据时间信息实现的自动任务切换方法，该方法根据当前时间遍历所有待引导的可观测弧段，当前时间在某一可观测弧段结束时刻之后，将该可观测弧段从计划文件中删除；当前时间在某一可观测弧段结束时间之前同时在该观测弧段开始时间之后，即开始引导该弧段当前时刻的引导值。待遍历的所有可观测弧段均以开始时间升序排列。当某一待观测空间目标成功跟踪并记录3分钟后，自动切换至下一待观测空间目标。引导数据显示与控制单元102通过网口或者串口将引导数据传送至光学图像采集设备200的电控单元204。
进一步地，引导数据显示与控制单元102还用于在系统监控平台100对应的人机交互软件界面上显示所有待观测空间目标的信息，待观测空间目标的信息包括目标编号、起始时间、结束时间、起始终止方位角和起始终止俯仰角。
引导数据显示与控制单元102根据引导数据通过电控单元204控制光学镜头及探测器201和跟踪架202机动，当光学镜头及探测器201和跟踪架202引导到位后，图像识别与跟踪单元302通过图像采集卡301采集光学镜头及探测器201生成的光学影像并对光学影像进行待观测空间目标的自动识别，并将自动识别结果及脱靶量信息反馈至主动搜索控制单元103，主动搜索控制单元103接收自动识别结果及目标脱靶量信息并将目标脱靶量信息发送至数据处理与记录单元104。当图像识别与跟踪单元302反馈的自动识别结果及目标脱靶量信息为空时，即目标识别跟踪平台300未能检测到待观测空间目标，目标丢失的原因较常见的是引导数据误差较大，待观测空间目标在视场外，此时图像识别与跟踪单元302向主动搜索控制单元103反馈目标丢失消息，主动搜索控制单元103接收目标丢失消息并通过引导数据显示与控制单元102控制光学图像采集设备200按照预设的主动搜索策略进行搜索，搜索结束的条件为达到跟踪当前目标的结束时间或者主动搜索控制单元103接收到图像识别与跟踪单元302反馈的自动识别结果及目标脱靶量信息。
当引导数据存在一定误差时，会出现待观测空间目标在视场外的情况，此时目标识别跟踪平台300无法获取目标脱靶量信息，如果空间目标自动化测量系统不具备主动搜索能力，会造成此弧段内的目标测量失败。因此，为提高空间目标自动化测量系统的测量准确性，本实施例的空间目标自动化测量系统具备主动搜索功能，其具体可以采用两种预设的主动搜索策略，分别为步进式范围搜索策略和螺旋式扫描搜索策略，当目标识别跟踪平台300无法识别目标时，通过网口将目标丢失消息下传至主动搜索控制单元103，该单元根据主动搜索策略进行目标搜索，可有效解决目标在视场外，自动化测量失败的问题。下面对两种预设的主动搜索策略分别进行介绍。
当预设的主动搜索策略为步进式范围搜索策略时，光学图像采集设备200按照步进式范围搜索策略进行搜索包括以下步骤：
确定光学镜头及探测器201的图像视场的视场中心位置；
以视场中心位置为原点向相邻的方向分别叠加一个固定的偏移量，作为新的观测视场的中心位置，从而得到若干个步进区域；
若干个步进区域将无缝拼接于与原图像视场的四周，得到视场翻倍扩大后的搜索区域，光学图像采集设备200对视场翻倍扩大后的搜索区域进行分时步进搜索。
步进式范围搜索策略的核心是在不同阶段，为视场中心位置叠加一个固定的偏移量，通过分时方式实现图像视场的翻倍扩大。步进区域N、步进区域NE、步进区域E、步进区域SE、步进区域S、步进区域SW、步进区域W、步进区域NW无缝拼接于图像视场的四周，构成3×3倍视场的搜索区域，其示意图如图5所示。
当预设的主动搜索策略为螺旋式扫描搜索策略时，光学图像采集设备200按照螺旋式扫描搜索策略进行搜索包括以下步骤：
确定光学镜头及探测器201的图像视场的视场中心位置；
在当前引导数据之上叠加一个随时间变化的偏移量，得到叠加偏移量后的引导数据，随时间变化的偏移量的计算模型为圆锥扫描曲线；
光学图像采集设备200根据叠加偏移量后的引导数据围绕视场中心位置进行动态放大搜索。
螺旋式扫描搜索策略的思路是模拟雷达的扫描方式，在当前引导数据的基础上叠加一个随时间变化的偏移量，这个随时间变化的偏移量的计算模型为圆锥扫描曲线，从而实现围绕图像视场中心的动态放大的搜索采集，其示意图如图6所示。圆锥扫描曲线的计算模型如下：
A(t)＝A0(t)+ΘAcos(ωt+ΦA)
E(t)＝E0(t)+ΘEsin(ωt+ΦE)
其中A0(t)、E0(t)为理论引导数据，ΘA、ΘE分别为方位、俯仰方向上的摆幅，ω为角速度，ΦA、ΦE分别为方位、俯仰方向上的初始相位。
本实施例中预设的主动搜索策略可以使用上述两种搜索策略中的任意一种，两种搜索策略各有优势，其中步进式范围搜索策略需要分时切换，实现相同范围的搜索覆盖耗时要超过螺旋式扫描搜索策略，但对于目标识别跟踪平台300而言，步进式范围搜索策略的引导数据叠加简单，目标识别较为简单；而螺旋式扫描搜索策略偏移量计算较为复杂，目标识别跟踪平台300的图像处理难度也大大提升，螺旋运动过程中的恒星目标与待观测空间目标都会呈现较为严重的拖尾，需要根据引导的圆锥曲线特性对不同的拖尾效果进行识别区分，但螺旋式扫描搜索策略实现相同范围的搜索耗时小于步进式范围搜索策略，同时该策略是一个连续动态过程，不存在步进式范围搜索策略分时切换时设备指向快速切换造成的图像识别失效现象，从而有更好的搜索能力。
在实际的空间目标观测中，会出现某一待观测空间目标在某一弧段的引导数据误差较大，导致待观测空间目标在视场外，最终造成该弧段目标观测失败的现象。现有的自动化运行方法或者系统尚未考虑这一现象，而本发明提出了步进式范围搜索策略和螺旋式扫描搜索策略两种主动搜索策略以解决上述问题，从而提高了空间目标自动化测量系统的观测效率、准确率及自动化运行的可靠性。
系统监控平台100既负责引导数据的产生与控制设备的自动化引导，又负责最终测量数据的合成、最终测量结果的保存。当目标识别跟踪平台300检测到待观测空间目标后会对目标持续跟踪，目标识别跟踪单元300将脱靶量信息通过网口传送至系统监控平台100的数据处理与记录单元104，该单元综合设备当前指向(方位、俯仰值，该值由测角单元203通过网口实时下传)，并根据系统误差进行方位、俯仰值修正。最终的观测结果为设备指向、系统误差修正值以及脱靶量的合成值。根据指挥中心规定的测量结果保存格式，对目标编号、观测时刻、测量结果等信息进行保存。具体地，图像识别与跟踪单元302将目标脱靶量信息通过主动搜索控制单元103实时回馈给数据处理与记录单元104，并且测角单元203实时测量跟踪架202的指向信息并将指向信息反馈给数据处理与记录单元104，其中指向信息包括跟踪架202的方位角和俯仰角，数据处理与记录单元104接收目标脱靶量信息和指向信息，并根据指向信息、系统误差修正值以及目标脱靶量信息合成出待观测空间目标的实际位置测量数据，按照预设格式对待观测空间目标的实际位置测量数据进行保存，这里的预设格式可以为指挥中心下发的指定格式，从而方便事后上传至指挥中心。
(2)光学图像采集设备200
光学图像采集设备200包括光学镜头及探测器201、跟踪架202、测角单元203和电控单元204，光学镜头及探测器201固定安装在跟踪架202上，测角单元203与数据处理与记录单元104通信，测角单元203用于实时测量跟踪架202的指向信息并将指向信息实时下传至数据处理与记录单元104，电控单元204与引导数据显示与控制单元102通信，电控单元204用于根据引导数据显示与控制单元102传送的引导数据控制光学镜头及探测器201、跟踪架202机动。
(3)目标识别跟踪平台300
目标识别跟踪平台300采用图形工作站，包括图像采集卡301、图像识别与跟踪单元302。
图像采集卡301：用于采集光学图像采集设备200中光学镜头及探测器201生成的光学影像(或者空间目标图像)，为图像识别与跟踪单元302提供系统输入。
图像识别与跟踪单元302：用于在设备引导到指定位置后，对光学影像进行待观测空间目标的自动识别，并对目标持续跟踪及完成脱靶量的提取，将自动识别结果及脱靶量信息反馈至主动搜索控制单元103。
作为一种具体的实施方式，引导数据显示与控制单元102还用于接收指挥中心实时下发的引导数据并将接收的引导数据实时传送至电控单元204。在本实施方式中，如果指挥中心有观测当前某一空域目标的任务，引导数据显示与控制单元102同时具备接收指挥中心实时下发的引导数据的能力，并根据指挥中心实时下发的指向信息，同样可以实现自动化目标测量。
作为一种具体的实施方式，系统监控平台100、光学图像采集设备200和目标识别跟踪平台300之间采用网口或者串口进行数据交互。在本实施方式中，空间目标自动化测量系统中各部分之间的数据交互可以采用网口进行通讯，也可选用串口进行通讯，实现相同的功能。
本发明所提出的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统具有以下优点：
(1)现有关于空间目标测量自动化运行的方案在目标图像识别方面有较为详细的研究，但都并未给出一套完整的空间目标自动化测量的流程，本发明从计划文件的自动化生成、引导数据的自动化生成、引导数据文件的自动加载、依据时间信息的自动化引导到最终测量数据的合成及自动化保存，设计了一套完整的空间目标自动化测量系统，弥补了现有空间目标半自动化测量设备的缺陷；
(2)现有关于空间目标测量自动化运行的方案都未对引导数据的自动生成提出有效的解决方法，本发明所提出的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统有效的解决了引导数据自动化生成的问题，实现了空间目标测量自动化运行的第一步；
(3)本发明实现了依靠时间信息的自动化引导，改善了原有空间目标测量方法需要人工切换目标的复杂操作，大大降低了设备操作人员的工作量，提高了空间目标测量的自动化水平；
(4)本发明首次关注引导数据误差较大时，待观测空间目标在视场外的问题，提出了当待观测空间目标在视场外时采用预设的主动搜索策略进行目标搜索，解决了待观测空间目标在视场外导致空间目标测量失败的问题，提高了空间目标的测量效率、准确率及空间目标自动化测量系统自动化运行的可靠性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，包括系统监控平台(100)、光学图像采集设备(200)和目标识别跟踪平台(300)，所述光学图像采集设备(200)包括光学镜头及探测器(201)、跟踪架(202)、测角单元(203)、电控单元(204)，所述目标识别跟踪平台(300)包括图像采集卡(301)、图像识别与跟踪单元(302)，所述系统监控平台(100)包括：
自动化引导文件生成单元(101)，用于周期性检测第一指定文件夹下是否新增双行轨道元素文件，并自动读取新增的双行轨道元素文件，根据新增的双行轨道元素文件及所述光学图像采集设备(200)的站址信息对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计，根据统计结果自动生成计划文件，根据所述计划文件生成引导数据，按照索引文件格式将所述引导数据保存；
所述自动化引导文件生成单元(101)根据新增的双行轨道元素文件及所述光学图像采集设备(200)的站址信息对所有待观测空间目标的可观测性及对应时段进行统计的过程包括以下步骤：利用SGP4/SDP4模型计算在未来预设时间段内的各个预设时刻下每一个待观测空间目标相对于光学图像采集设备( 200) 站址的俯仰角；将待观测空间目标的俯仰角大于阈值的弧段记录为可观测弧段，得到所有待观测空间目标的可观测弧段；
所述自动化引导文件生成单元(101)根据统计结果自动生成计划文件的过程包括以下步骤：将所有待观测空间目标的可观测弧段按照弧段起始时间升序进行排序，生成计划文件，计划文件记录了未来每个时间段内需要观测的待观测空间目标编号；
引导数据显示与控制单元(102)，用于周期性检测所述自动化引导文件生成单元(101)是否生成新的引导数据，并自动加载新生成的引导数据的索引文件，将载入的引导数据实时传送至所述电控单元(204)，以使所述电控单元(204)根据引导数据完成所述光学镜头及探测器(201)和所述跟踪架(202)的自动化引导，当引导到位后，所述图像识别与跟踪单元(302)通过所述图像采集卡(301)采集所述光学镜头及探测器(201)生成的光学影像并对所述光学影像进行待观测空间目标的自动识别；
主动搜索控制单元(103)，用于接收所述图像识别与跟踪单元(302)反馈的自动识别结果及目标脱靶量信息并将所述目标脱靶量信息发送至数据处理与记录单元(104)，以及当所述自动识别结果及目标脱靶量信息为空时，所述主动搜索控制单元(103)用于接收所述图像识别与跟踪单元(302)反馈的目标丢失消息，并通过所述引导数据显示与控制单元(102)控制所述光学图像采集设备(200)按照预设的主动搜索策略进行搜索，搜索结束的条件为达到跟踪当前目标的结束时间或者所述主动搜索控制单元(103)接收到所述图像识别与跟踪单元(302)反馈的自动识别结果及目标脱靶量信息；
所述数据处理与记录单元(104)，用于接收所述测角单元(203)实时测量的所述跟踪架(202)的指向信息，并根据所述指向信息、系统误差修正值以及目标脱靶量信息合成出待观测空间目标的实际位置测量数据，按照预设格式对待观测空间目标的实际位置测量数据进行保存。
2.根据权利要求1所述的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，
所述自动化引导文件生成单元(101)自动读取新增的双行轨道元素文件后，将读取成功的双行轨道元素文件移动到第二指定文件夹。
3.根据权利要求1所述的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，
所述引导数据显示与控制单元(102)还用于在界面上显示所有待观测空间目标的信息，待观测空间目标的信息包括目标编号、起始时间、结束时间、起始终止方位角和起始终止俯仰角。
4.根据权利要求1所述的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，
所述引导数据显示与控制单元(102)还用于接收指挥中心实时下发的引导数据并将接收的引导数据实时传送至所述电控单元(204)。
5.根据权利要求1所述的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，所述预设的主动搜索策略为步进式范围搜索策略，所述光学图像采集设备(200)按照步进式范围搜索策略进行搜索包括以下步骤：
确定所述光学镜头及探测器(201)的图像视场的视场中心位置；
以所述视场中心位置为原点向相邻的方向分别叠加一个固定的偏移量，作为新的观测视场的中心位置，从而得到若干个步进区域；
若干个所述步进区域将无缝拼接于原图像视场的四周，得到视场翻倍扩大后的搜索区域，所述光学图像采集设备(200)对视场翻倍扩大后的搜索区域进行分时步进搜索。
6.根据权利要求1所述的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，所述预设的主动搜索策略为螺旋式扫描搜索策略，所述光学图像采集设备(200)按照螺旋式扫描搜索策略进行搜索包括以下步骤：
确定所述光学镜头及探测器(201)的图像视场的视场中心位置；
在当前引导数据之上叠加一个随时间变化的偏移量，得到叠加偏移量后的引导数据，随时间变化的偏移量的计算模型为圆锥扫描曲线；
所述光学图像采集设备(200)根据叠加偏移量后的引导数据围绕视场中心位置进行动态放大搜索。
7.根据权利要求1所述的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，
所述指向信息包括所述跟踪架(202)的方位角和俯仰角。
8.根据权利要求1所述的基于主动搜索策略的空间目标自动化测量系统，其特征在于，
所述系统监控平台(100)、所述光学图像采集设备(200)和所述目标识别跟踪平台(300)之间采用网口或者串口进行数据交互。
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