交會(huì)對(duì)接成像敏感器成像參數(shù)設(shè)計(jì)

魏高樂，朱小溪

交會(huì)對(duì)接成像敏感器成像參數(shù)設(shè)計(jì)

魏高樂1，朱小溪2

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.北京衛(wèi)星制造廠，北京100180）

基于交會(huì)對(duì)接成像敏感器在軌成像目標(biāo)相對(duì)距離變化較大的特性，分析了敏感器嵌入式軟件對(duì)曝光積分時(shí)間、激光發(fā)光功率等各項(xiàng)成像參數(shù)配置的方法。針對(duì)有先驗(yàn)數(shù)據(jù)、無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲、跟蹤模式等三個(gè)不同的工作模式特性與模式切換邏輯，設(shè)計(jì)了一種初始捕獲參數(shù)試配方法，并將其與跟蹤模式下的最優(yōu)化參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算相結(jié)合，形成了完整的交會(huì)對(duì)接成像敏感器成像參數(shù)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果表明該方法能夠有效確保在軌實(shí)時(shí)圖像清晰度滿足位姿測(cè)算要求，可為交會(huì)對(duì)接末段制導(dǎo)相對(duì)位姿測(cè)算提供保障。該方法擬應(yīng)用于我國(guó)后續(xù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)中。

參數(shù)配置；嵌入式軟件；交會(huì)對(duì)接；成像敏感器

Abstract：Based on the dramatic changes of interact distance between the two spacecrafts during the process of Rendezvous and Docking（RVD）， the software strategy to determine the imaging parameters such as the integral exposure time and the laser power was analyzed.There were 3 different work modes including the initial capture with or without priori data modes and the trace mode.A new adaption method was proposed targeting the different characteristics of the 3 work modes of the embedded software and the switching strategy.A method for designating the imaging parameters of RVD image sensor was given and it was combined with the real-time algorithm of the parameters for the track mode.The numerical simulation results showed that the new method could ensure the clarity of the real-time RVD terminal guidance image on-orbit.The method may be used in future RVD tasks in China.

Key words：parameter configuration； embedded software； RVD； image sensor

1 引言

隨著載人航天技術(shù)逐步成熟，空間交會(huì)對(duì)接（RVD）技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用［1-2］。中國(guó)在交會(huì)對(duì)接特別是自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)上的發(fā)展突飛猛進(jìn)，不僅完全掌握了交會(huì)對(duì)接技術(shù)，而且完成了所有交會(huì)對(duì)接測(cè)量設(shè)備的自主研發(fā)與應(yīng)用［3］。在對(duì)接過程中的接近靠攏段，追蹤飛行器利用相對(duì)位置、角度測(cè)量敏感器精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)飛行器的距離、相對(duì)速度和姿態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，使之沿對(duì)接走廊向目標(biāo)最后逼近［4-5］。其中所使用的測(cè)量敏感器即為交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器，作為在此階段測(cè)量?jī)蓚€(gè)飛行器相對(duì)位置、姿態(tài)的唯一敏感器，它是任務(wù)成功的關(guān)鍵。

光學(xué)成像敏感器對(duì)目標(biāo)飛行器若干目標(biāo)燈拍照成像，并通過嵌入式軟件對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。軟件將圖像中的光點(diǎn)進(jìn)行提取、識(shí)別，并基于已知的目標(biāo)光點(diǎn)構(gòu)造布局進(jìn)行迭代運(yùn)算，最終計(jì)算得出兩艙的相對(duì)位置和姿態(tài)。隨著交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)型號(hào)的增加，系統(tǒng)對(duì)成像敏感器的性能要求日益提升。提高圖像處理速度、提升敏感器輸出數(shù)據(jù)更新頻率成為交會(huì)對(duì)接任務(wù)可靠性、安全性的發(fā)展重點(diǎn)［6］。

在交會(huì)對(duì)接過程中，成像距離變化較大，相機(jī)成像的積分時(shí)間以及主動(dòng)式敏感器的激光器功率參數(shù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整，才能保證圖像效果，確保對(duì)接走廊全區(qū)間的位姿測(cè)量。本文系統(tǒng)介紹了嵌入式軟件流程，比對(duì)分析了固定和動(dòng)態(tài)的成像參數(shù)確定方案，引入試配法設(shè)計(jì)了初始捕獲的參數(shù)算法，并將其與參數(shù)動(dòng)態(tài)算法結(jié)合，形成了交會(huì)對(duì)接成像敏感器成像參數(shù)設(shè)計(jì)算法。

2 交會(huì)對(duì)接圖像處理流程

2.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)流程

交會(huì)對(duì)接成像敏感器軟件流程如圖1所示。

圖1 交會(huì)對(duì)接成像敏感器軟件流程［7］Fig.1 Flowchart of RVD image sensor［7］

成像敏感器嵌入式軟件每個(gè)工作周期從相機(jī)完成一副新的圖像開始，包含如下幾個(gè)過程：

1）獲取圖像，完成光點(diǎn)搜索后，軟件根據(jù)標(biāo)志燈的原始安裝位置參數(shù)對(duì)光點(diǎn)進(jìn)行位置匹配，逐個(gè)識(shí)別出每個(gè)標(biāo)志燈在圖像上的顯示光點(diǎn)；

2）通過迭代算法，計(jì)算相對(duì)位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，并基于相機(jī)安裝參數(shù)等信息對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正獲得目標(biāo)標(biāo)志器與相機(jī)坐標(biāo)系的相對(duì)位置姿態(tài)；

3）基于本周期圖像計(jì)算結(jié)果，對(duì)硬件各接口配置下一個(gè)周期的拍圖曝光積分時(shí)間、激光器功率等成像參數(shù)；

4）將計(jì)算的位姿結(jié)果、光點(diǎn)信息等關(guān)鍵計(jì)算過程量以及硬件相關(guān)狀態(tài)進(jìn)行打包發(fā)送遙測(cè)，轉(zhuǎn)而等待下一個(gè)周期的圖像。

2.2 工作模式切換控制

軟件根據(jù)圖像處理算法不同，分為無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲、有先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲、跟蹤捕獲三個(gè)工作模式［8］。

無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲在所拍攝的全圖范圍內(nèi)搜索光點(diǎn)，針對(duì)所有光點(diǎn)開展識(shí)別操作，該算法計(jì)算處理時(shí)間較長(zhǎng)，用于敏感器對(duì)目標(biāo)航天器所處位置完全未知的工況。有先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲方法中，軟件依據(jù)航天器的制導(dǎo)導(dǎo)航控制計(jì)算機(jī)（GNCC）提供的目標(biāo)航天器位置、姿態(tài)先驗(yàn)數(shù)據(jù)反推目標(biāo)光點(diǎn)在圖像中的理論位置，并在理論位置附近搜索光點(diǎn)開展圖像處理操作。由于GNCC提供的先驗(yàn)數(shù)據(jù)精度不確定，造成理論位置可信度和準(zhǔn)確性不高，因而光點(diǎn)搜索鄰域較大。跟蹤捕獲方法中，軟件在敏感器上一個(gè)周期成功計(jì)算所使用的有效光點(diǎn)位置附近搜索本周期光點(diǎn)成像，光點(diǎn)搜索速度快。但由于目標(biāo)航天器相對(duì)相機(jī)本體做無規(guī)律運(yùn)動(dòng)，如未做到每周期連續(xù)測(cè)算成功，光點(diǎn)理論位置可信度和準(zhǔn)確性將隨時(shí)間逐步減小。三個(gè)工作模式下圖像處理效果的對(duì)比見表1。

由表1可見，跟蹤捕獲測(cè)量效果最佳，但必須此前較短時(shí)間內(nèi)有正確計(jì)算結(jié)果；有先驗(yàn)初始捕獲次之，條件是有可信的先驗(yàn)數(shù)據(jù)。三個(gè)工作模式分別適用于不同工況。交會(huì)對(duì)接過程中，每個(gè)周期運(yùn)算完成后，軟件基于當(dāng)前計(jì)算狀態(tài)，確定下一周期的工作模式。嵌入式軟件的工作模式切換原則如圖2所示，三個(gè)模式滿足不同的條件下可直接兩兩切換，其中的6個(gè)切換條件如下：

表1 三類工作模式圖像處理效果對(duì)比Table 1 Comparison of three different work modes of image processing

條件1：無先驗(yàn)初始捕獲模式運(yùn)算失敗，且接收到可信的先驗(yàn)數(shù)據(jù)；

條件2：有先驗(yàn)初始捕獲模式失敗或連續(xù)若干周期運(yùn)算失敗，則認(rèn)為先驗(yàn)數(shù)據(jù)不可信；

條件3：無先驗(yàn)初始捕獲模式運(yùn)算成功，將本周期搜索光點(diǎn)作為理論光點(diǎn)進(jìn)行跟蹤；

條件4：跟蹤捕獲模式失敗或連續(xù)若干周期運(yùn)算失敗，則認(rèn)為目標(biāo)光點(diǎn)已經(jīng)偏移最后一次搜索成功的理論光點(diǎn)位置，且未收到先驗(yàn)數(shù)據(jù)，需重新啟動(dòng)全圖搜索；

條件5：有先驗(yàn)初始捕獲運(yùn)算成功，將本周期搜索光點(diǎn)作為理論光點(diǎn)進(jìn)行跟蹤；

條件6：跟蹤捕獲模式連續(xù)若干周期運(yùn)算失敗，且收到先驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 工作模式切換邏輯Fig.2 Switching strategy of work modes

軟件在正常運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)期保持工作在高速的跟蹤模式下，只有在上電初始化后或未成功運(yùn)算的時(shí)候工作在初始捕獲模式。

3 交會(huì)對(duì)接成像參數(shù)控制設(shè)計(jì)

3.1 成像參數(shù)固定設(shè)置

成像敏感器需要配置合理的成像曝光時(shí)長(zhǎng)、激光器發(fā)光功率等重要成像參數(shù)，確保成像清晰度能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式軟件的實(shí)時(shí)處理。

以曝光時(shí)長(zhǎng)為例進(jìn)行仿真測(cè)試，參數(shù)固定取值測(cè)算曲線如圖3所示。交會(huì)對(duì)接成像敏感器拍攝的目標(biāo)航天器相對(duì)相機(jī)本體的位置變化較大，固定參數(shù)取值僅能在相對(duì)距離的一定區(qū)間內(nèi)有效。成像參數(shù)必須在交會(huì)對(duì)接過程中實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.2 成像參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)置

嵌入式軟件每個(gè)周期計(jì)算后，依據(jù)最新測(cè)量結(jié)果，調(diào)用專用計(jì)算函數(shù)，調(diào)整成像參數(shù)，優(yōu)化下一周期相機(jī)成像。動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量曲線如圖4所示。相對(duì)距離大于參數(shù)初始值所對(duì)應(yīng)區(qū)間時(shí)，敏感器無法測(cè)算；相對(duì)距離進(jìn)入?yún)?shù)有效區(qū)間后，敏感器能輸出有效測(cè)算結(jié)果并且實(shí)時(shí)調(diào)整成像參數(shù)取值。敏感器跟蹤異常退回到初始捕獲模式時(shí)，成像參數(shù)重新回到初始值，敏感器無法重新跟蹤。

圖3 固定參數(shù)測(cè)量曲線Fig.3 Fixed parameter measurement

圖4 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量曲線Fig.4 Dynamic parameter measurement

初始捕獲模式軟件未知目標(biāo)航天器的相對(duì)距離，無法給相機(jī)配置適當(dāng)?shù)某上駞?shù)，制約了動(dòng)態(tài)參數(shù)的功能有效區(qū)間。必須設(shè)計(jì)合理的參數(shù)配置流程，在未知測(cè)量結(jié)果的初始捕獲模式也能配置出適當(dāng)?shù)某上駞?shù)。

4 引入試配法的參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真測(cè)試

4.1 無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲參數(shù)設(shè)計(jì)

在未知目標(biāo)航天器相對(duì)位置的情況下，引入試配法尋找適當(dāng)?shù)某上駞?shù)取值。將曝光積分時(shí)間和激光功率等在跟蹤模式下可依據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行微調(diào)的參數(shù)在無先驗(yàn)數(shù)據(jù)的初始捕獲模式下固定設(shè)計(jì)為高、中、低三個(gè)數(shù)值的檔位。分別適用于遠(yuǎn)距離、中等距離以及近距離的目標(biāo)拍攝。三套參數(shù)取值合理，保證能夠覆蓋完整的交會(huì)對(duì)接走廊距離區(qū)間，如圖5所示。

圖5 高中低三個(gè)成像檔位的有效區(qū)間Fig.5 Effective section of three different imaging gears

依次對(duì)三個(gè)檔位的參數(shù)進(jìn)行試配，由前文所知，一旦運(yùn)算成功后則轉(zhuǎn)入跟蹤捕獲模式，改由計(jì)算結(jié)果精確調(diào)整成像參數(shù)。如果運(yùn)算未成功，則說明參數(shù)配置不合理，轉(zhuǎn)而適用下一組參數(shù)。為防止近距離高功率激光器對(duì)目標(biāo)航天器造成損害，采用由低到高的順序試配原則。無先驗(yàn)初始捕獲參數(shù)試配流程如圖6所示。

圖6 無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲參數(shù)試配流程Fig.6 Adaption flowchart of initial capture without priori data

4.2 有先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲參數(shù)設(shè)計(jì)

有先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲工作模式原理與跟蹤捕獲模式類似，利用GNCC提供的目標(biāo)航天器相對(duì)位姿先驗(yàn)數(shù)據(jù)推算成像參數(shù)的合理取值，對(duì)各硬件接口進(jìn)行實(shí)時(shí)配置。如果本模式未識(shí)別成功，則認(rèn)為本拍先驗(yàn)數(shù)據(jù)不可信。

4.3 試配法參數(shù)設(shè)計(jì)

引入無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲模式的成像參數(shù)試配法，將其與有先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲和跟蹤捕獲模式的成像參數(shù)最優(yōu)算法相結(jié)合?；诩榷Ｊ角袚Q原則，形成完整的交會(huì)對(duì)接成像敏感器參數(shù)設(shè)計(jì)方案。具體方案流程如圖7所示。

圖7 參數(shù)配置總流程Fig.7 General flowchart of parameter processing

軟件上電或復(fù)位后，缺省進(jìn)入無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲模式，將硬件初始化為低檔位成像參數(shù)狀態(tài)，在每個(gè)周期圖像計(jì)算完成后，進(jìn)行參數(shù)處理操作。

在無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲模式，如計(jì)算成功則使用測(cè)量結(jié)果優(yōu)化參數(shù)，并進(jìn)入跟蹤模式。如失敗，則繼續(xù)為期三個(gè)周期的參數(shù)試配操作。連續(xù)失敗三個(gè)周期后，如有先驗(yàn)數(shù)據(jù)則轉(zhuǎn)入先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲模式，否則重新開始本模式試配流程。

在有先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲模式中，如果運(yùn)算成功則用運(yùn)算結(jié)果優(yōu)化參數(shù)后轉(zhuǎn)入跟蹤模式，否則認(rèn)為當(dāng)前先驗(yàn)數(shù)據(jù)不可信，進(jìn)入無先驗(yàn)數(shù)據(jù)模式進(jìn)行參數(shù)試配。

在跟蹤模式中，始終在每個(gè)周期計(jì)算成功后不斷微調(diào)優(yōu)化參數(shù)；如果計(jì)算失敗，則保持原有參數(shù)值不更新；連續(xù)失敗3個(gè)周期則退回初始捕獲重新搜索。如果有先驗(yàn)數(shù)據(jù)則進(jìn)入先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲模式，否則進(jìn)入無先驗(yàn)數(shù)據(jù)初始捕獲模式。

4.4 仿真測(cè)試

以積分時(shí)間參數(shù)取值為例，交會(huì)對(duì)接過程仿真測(cè)試的取值曲線如圖8所示。由圖可見，在遠(yuǎn)距離開機(jī)后短時(shí)間內(nèi)成功建立跟蹤，并實(shí)時(shí)優(yōu)化積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)整個(gè)對(duì)接過程的測(cè)算，如遇突發(fā)異常跟蹤失敗，試配法可短時(shí)間內(nèi)重新建立跟蹤，且相對(duì)距離越近，重新跟蹤所需時(shí)間越短。

圖8 積分時(shí)間參數(shù)和測(cè)量結(jié)果輸出曲線Fig.8 Curve of integral exposure time and the output data

該算法可在對(duì)接走廊中任何位置實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化，確保光點(diǎn)捕獲成功。由于參數(shù)試配過程中先試配近距離參數(shù)，再試配遠(yuǎn)距離參數(shù)，對(duì)接過程中，相對(duì)距離越近，異常跟蹤失敗后重新捕獲建立跟蹤的耗時(shí)越短，確保了對(duì)接過程的安全性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)交會(huì)對(duì)接成像敏感器在軌目標(biāo)相對(duì)距離變化較大的特性，對(duì)比成像參數(shù)多種確定方式的優(yōu)缺點(diǎn)，將初始捕獲試配、先驗(yàn)數(shù)據(jù)使用與跟蹤測(cè)算結(jié)果反推三種方式相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種高可靠的交會(huì)對(duì)接成像參數(shù)確定方案，并進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果表明：該方法能實(shí)現(xiàn)任何相對(duì)距離下的初始捕獲，并能在跟蹤狀態(tài)下每周期實(shí)時(shí)優(yōu)化成像參數(shù)，確保在軌實(shí)時(shí)圖像滿足敏感器測(cè)算要求。

（References）

［1］ 段建鋒，張宇，段成林，等.交會(huì)對(duì)接期間空間環(huán)境參數(shù)使用策略初探［J］. 載人航天，2014 20（6）：569-573.Duan Jianfeng， Zhang Yu，Duan Chenglin， et al.Preliminary study on strategy of space environment parameter usage during Rendezvous and Docking［J］.Manned Spaceflight， 2014 20（6）：569-573.（in Chinese）

［2］ 鄒雪梅，陳險(xiǎn)峰，邢錦江，等.交會(huì)對(duì)接任務(wù)兩目標(biāo)協(xié)同控制技術(shù)研究［J］. 載人航天，2014，20（1）：26-31.Zou Xuemei， Chen Xianfeng， Xing Jinjiang， et al.Study on coordination control technology in rendezvous and docking of two spacecraft［J］.Manned Spaceflight， 2014， 20（1）：26-31. （in Chinese）

［3］ 朱仁璋，王鴻芳，叢云天，等.中外交會(huì)對(duì)接技術(shù)比較研究［J］.航天器工程，2003，22（3）：8-15.Zhu Renzhang， Wang Hongfang， Cong Yuntian， et al.Comparative study of Chinese and foreign rendezvous and docking technologies［J］.Spacecraft Engineering， 2003， 22（3）：8-15.（in Chinese）

［ 4 ］ 鄭永煌.空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)［J］.自然雜志，33（6）：311-314.Zheng Yonghuang.Rendezvous and docking technology for space flight［J］.Chinese Journal of Nature， 2011， 33（6）：311-314. （in Chinese）

［5］ 吳宏鑫，胡海霞，解永春，等.自主交會(huì)對(duì)接若干問題［J］.宇航學(xué)報(bào)：2003，24（2）：132-137，143.Wu Hongxing， Hu Haixia， Xie Yongchun， et al.Several questions on autonomous rendezvous and docking［J］.Journal of Astronautics， 2003， 24（2）：132-137，143. （in Chinese）

［6］ 魏高樂，高進(jìn)，陳朝暉.一種基于協(xié)方差的高速圖像閾值算法［C］／／計(jì)算機(jī)與測(cè)控專業(yè)學(xué)術(shù)交流文集，煙臺(tái)，2010：259-264.Wei Gaole， Gao Jin， Chen Zhaohui.A high speed image threshold algorithm based on covariance［C］ ／／Proceedings of the Conference of Computer Control and Professional Academic， Yantai， 2010：259-264.（in Chinese）

［7］ 魏高樂，高進(jìn)，陳朝暉.交會(huì)對(duì)接成像敏感器的光點(diǎn)篩選改進(jìn)［J］.飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2016，35（4）：270-275.Wei Gaole， Gao jin， Chen Zhaohui.Improvement of spot screening in Rendezvous and Docking image sensors［J］.Journal of Spacecraft TT＆C Technology， 2016，35（4）：270-275.（in Chinese）

［8］ 魏高樂，高進(jìn)，陳朝暉.交會(huì)對(duì)接成像軟件的多目標(biāo)跟蹤改進(jìn)［J］.空間控制技術(shù)與應(yīng)用，2017，43（2）：73-78.Wei Gaole， Gao jin， Chen Zhaohui.Improvement of track software for multi-target in rendezvous and docking［J］.Aerospace Control and Application， 2017， 43（2）：73-78.（in Chinese）

（責(zé)任編輯：康金蘭）

Design of Imaging Parameters for RVD Image Sensor

WEI Gaole1，ZHU Xiaoxi2
（1.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China； 2.Beijing Spacecrafts， Beijing 100180， China）

V445.8；TP391.41

A

1674-5825（2017）05-0631-05

2017-02-13；

2017-08-03

國(guó)防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目（JCKY2016203B006）

魏高樂，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閳D像處理、模式識(shí)別。E-mail：stgaole＠163.com