空間碎片目標(biāo)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測處理方法

李宗凌 汪路元 禹霽陽 蔣帥 吳雨航

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

隨著人類航天活動(dòng)的增加，空間碎片會日益增加，僅美國空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)編目和記錄的直徑大于5 cm的空間碎片累計(jì)就達(dá)38 000多個(gè)[1]。隨著時(shí)間推移，這些空間碎片可能會對在軌航天器造成不可估量的影響，如果空間碎片與在軌航天器發(fā)生碰撞，將會直接導(dǎo)致其損壞或者解體。此外，空間碎片再入大氣層，還將給人類帶來不可估量的災(zāi)難。因此，有效快速地對空間碎片進(jìn)行監(jiān)測、管理和預(yù)報(bào)是構(gòu)建太空安全環(huán)境的基石，已經(jīng)成為各個(gè)航天大國的研究熱點(diǎn)。

空間目標(biāo)監(jiān)測平臺主要分為地基和天基兩種。由于不受體積、質(zhì)量等因素的限制，地基觀測平臺可以實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率和較遠(yuǎn)的觀測距離。我國的地基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)受布站區(qū)域的限制，不能實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的全覆蓋，而且存在監(jiān)視的實(shí)時(shí)性不高和對中小尺寸碎片的探測能力有限的問題，因此，迫切需要天基監(jiān)視手段去彌補(bǔ)[2]。相比于地基平臺，天基觀測平臺最大的優(yōu)勢是可以在地球大氣層外的空間軌道上運(yùn)行，進(jìn)而不受國界、空域和氣象條件的限制，同時(shí)，天基觀測不受地球大氣的影響，具有較高的靈敏性，可以減少光學(xué)可見期的影響，從而增加觀測時(shí)間。因此，天基觀測更可能獲取長時(shí)間廣范圍的觀測數(shù)據(jù)，滿足我國國情及發(fā)展需要。

近些年來，基于天基平臺的空間目標(biāo)觀測受到廣泛的關(guān)注[3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三波段探測的多光譜光學(xué)載荷相機(jī)系統(tǒng)，可滿足天基空間碎片觀測系統(tǒng)需求。文獻(xiàn)[5]對空間碎片光譜特性進(jìn)行研究，可以用來獲取碎片材料等信息。文獻(xiàn)[6]刻畫并分析了天基觀測的系統(tǒng)誤差，設(shè)計(jì)相應(yīng)方法有效抑制了觀測和模型結(jié)構(gòu)誤差對觀測精度的影響。文獻(xiàn)[7]研究了信息處理技術(shù)在天基碎片觀測系統(tǒng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[8]針對地球同步衛(wèi)星定軌，提出了利用魯棒性估計(jì)方法消除異常測量值的影響。

空間碎片目標(biāo)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測的核心是“快”、“準(zhǔn)”、“穩(wěn)”，其中“快”是指實(shí)時(shí)，“準(zhǔn)”是指高準(zhǔn)確率、低虛警率，“穩(wěn)”是指應(yīng)對復(fù)雜背景。地面已有的信息處理、目標(biāo)檢測跟蹤方法面臨巨大挑戰(zhàn)，無法滿足天基應(yīng)用需求。針對上述問題和需求，本文提出了一種空間碎片目標(biāo)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測處理方法，主要實(shí)現(xiàn)面向空間碎片監(jiān)測的光學(xué)載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，將在軌實(shí)時(shí)處理得到的目標(biāo)檢測結(jié)果、天文位置等結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)下傳給用戶，實(shí)現(xiàn)空間碎片目標(biāo)快速定位和管理。

1 在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要包含衛(wèi)星平臺、載荷、數(shù)據(jù)傳輸和信息處理等功能單元，通過在軌實(shí)時(shí)處理技術(shù)，快速從載荷數(shù)據(jù)中提取空間碎片目標(biāo)位置、亮度等信息，針對重點(diǎn)目標(biāo)完成在軌自動(dòng)跟蹤和確認(rèn)，并將處理結(jié)果下傳至地面，進(jìn)一步對目標(biāo)進(jìn)行編目和確認(rèn)管理。具體流程(圖1)如下：載荷信息處理單元從相機(jī)載荷獲取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，對于緩存的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮，然后進(jìn)行碎片目標(biāo)檢測、跟蹤和天文定位，壓縮碼流和處理結(jié)果返回給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。載荷信息處理單元可以從平臺獲取姿態(tài)軌道等輔助數(shù)據(jù)，用于碎片提取和定位計(jì)算。

1.2 信息處理平臺設(shè)計(jì)

考慮衛(wèi)星載荷布局以及在軌持續(xù)穩(wěn)定工作的需求，設(shè)計(jì)一種基于SpaceVPX標(biāo)準(zhǔn)總線的一體化信息處理架構(gòu)，各功能板卡采用SpaceVPX 6U標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，根據(jù)需要可擴(kuò)展。分機(jī)功能板卡采用主備雙份冗余設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)接口采用交叉主備冗余設(shè)計(jì)，信息處理平臺各模塊的分工如表1所示。

表1 信息處理平臺組成

2 空間碎片目標(biāo)在軌監(jiān)測方法

2.1 空間碎片目標(biāo)檢測方法

2.1.1 空間碎片目標(biāo)成像特性分析

星圖主要由恒星、空間碎片目標(biāo)和深空背景構(gòu)成。星圖的成像特點(diǎn)是在暗背景下離散分布著近似于高斯分布的點(diǎn)狀光斑，同時(shí)星圖中還夾雜著一定程度的背景噪聲，且噪聲成均勻分布[1]。

1)恒星目標(biāo)成像特性

恒星是星圖的重要組成部分。在星圖中為點(diǎn)狀，受成像條件的影響，恒星表現(xiàn)為向四周彌散的一個(gè)近似對稱的高斯分布的亮斑，點(diǎn)源成像的光度分布函數(shù)又稱為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)對圖像的作用在數(shù)學(xué)上可表示為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與圖像的卷積，由于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的不確定性，恒星亮斑包含的像素?cái)?shù)從幾個(gè)像素到幾十個(gè)像素不等。在星圖中，恒星成像特征與動(dòng)目標(biāo)的成像特征有很強(qiáng)的相似性，都表現(xiàn)為近高斯分布的亮斑，因此嚴(yán)重影響星圖目標(biāo)監(jiān)測和識別的效果。

2)空間碎片目標(biāo)成像特性

空間碎片目標(biāo)在星圖上表現(xiàn)為點(diǎn)狀分布的小目標(biāo)，一般占據(jù)一個(gè)或幾個(gè)像素，沒有明顯的幾何、結(jié)構(gòu)信息、紋理信息等，同時(shí)由于空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，空間碎片目標(biāo)在序列星圖中成像亮度不穩(wěn)定。影響目標(biāo)亮度的因素包括：空間碎片目標(biāo)的尺寸、目標(biāo)與傳感器的距離、目標(biāo)材料的反射率、太陽入射角度以及觀測條件等。天基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測的是空間碎片目標(biāo)反射的太陽光，因此，空間碎片目標(biāo)來源主要是太陽輻射的可見光譜段的能量。由于不同材質(zhì)、空間碎片目標(biāo)的不同部分以及空間結(jié)構(gòu)都會導(dǎo)致反射率的不同，因此，在星圖序列中，空間目標(biāo)的亮度存在一定程度的差異。

空間碎片目標(biāo)和恒星在空域上成像相似，都表現(xiàn)為單幀圖像上的孤立亮斑，且形狀相似。在天基天文光電觀測系統(tǒng)中，由于其口徑小，視場大，探測距離遠(yuǎn)，受傳感器成像分辨率的限制，空間目標(biāo)在CCD焦平面上幾乎為點(diǎn)目標(biāo)成像。但由于光學(xué)系統(tǒng)受點(diǎn)擴(kuò)散效應(yīng)的影響，空間目標(biāo)的能量彌散到相鄰的多個(gè)像元上。一般情況下，可對空間碎片目標(biāo)構(gòu)建二維高斯擬合模型，此時(shí)點(diǎn)目標(biāo)的能量密度在星圖上的分布函數(shù)可以表示為

(1)

式中：(x0,y0)為空間目標(biāo)中心位置的坐標(biāo)；s為目標(biāo)總亮度；σpsf為成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的參數(shù)——擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差。恒星和空間目標(biāo)成像灰度分布對比如圖2所示。

圖2 恒星和空間目標(biāo)成像灰度分布圖

碎片目標(biāo)在星圖中形成光斑的亮度分布近似于二維的高斯分布，光斑中心是信號的峰值，光斑周圍像素隨著離中心距離的增加，亮度逐漸減弱，直至接近星圖背景的亮度。

2.1.2 空間碎片目標(biāo)檢測算法

根據(jù)空間碎片目標(biāo)的成像特性，設(shè)計(jì)一種空間碎片目標(biāo)在軌實(shí)時(shí)檢測算法，算法過程如圖3所示。

圖3 空間碎片目標(biāo)檢測算法過程

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

星圖中，暗弱小目標(biāo)淹沒在背景噪聲中，通過頂帽變換等數(shù)據(jù)預(yù)處理，達(dá)到抑制背景噪聲，凸顯暗弱目標(biāo)，便于后續(xù)算法提取暗弱小目標(biāo)的目的。其中，頂帽變換主要由1組窗大小為29×29和5×5的膨脹和腐蝕運(yùn)算組成。

2)疑似目標(biāo)提取

根據(jù)目標(biāo)特性分析可知，空間目標(biāo)中心點(diǎn)具有高于背景并且為局部極大值的特點(diǎn)。針對該特性，設(shè)定合適的窗并利用圖像形態(tài)學(xué)里的膨脹操作來搜索局部最大值，若局部極值點(diǎn)大于高閾值則認(rèn)定為疑似強(qiáng)目標(biāo)點(diǎn)，若高于低閾值但低于高閾值則認(rèn)定為疑似弱目標(biāo)點(diǎn)。

3)疑似目標(biāo)確認(rèn)

對提取出的疑似目標(biāo)點(diǎn)，需要判斷其是否為目標(biāo)。以疑似目標(biāo)中心點(diǎn)為中心，動(dòng)態(tài)設(shè)定尺度來確定窗及核函數(shù)大小。對窗內(nèi)的灰度值進(jìn)行歸一化處理以消除光照變化造成的影響，對歸一化后的窗函數(shù)及核函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算，若響應(yīng)值大于預(yù)設(shè)閾值并且大于之前尺寸下的計(jì)算結(jié)果，則更新該點(diǎn)的尺寸以及響應(yīng)值信息。通過恒星位置以及目標(biāo)軌跡可剔除恒星、背景噪聲等干擾項(xiàng)，具體實(shí)施方法如下。

(1)核函數(shù)設(shè)計(jì)。相較于直接地二值化處理，設(shè)計(jì)合適的核函數(shù)，可在保證目標(biāo)灰度信息的情況下有效地確定目標(biāo)的中心及邊界。從之前分析可以知道目標(biāo)呈近似高斯分布，因此針對性地設(shè)計(jì)核函數(shù)。

Kernel(x,y)=

(2)

(2)恒星目標(biāo)剔除。由于檢測到的目標(biāo)包含目標(biāo)以及恒星，為了減少后續(xù)軌跡匹配的運(yùn)算量，將歷史中出現(xiàn)過疑似目標(biāo)的位置進(jìn)行存儲，若下一幀圖像中的疑似目標(biāo)在這些位置出現(xiàn)時(shí)，則認(rèn)為是恒星，可將其從檢測結(jié)果中剔除，如圖4，5所示。

圖4 匹配后的歷史信息圖

圖5 疑似目標(biāo)篩選

(3)目標(biāo)軌跡關(guān)聯(lián)。深空背景圖像中除深空背景以外，主要由噪聲、天體、航天器及碎片等構(gòu)成。針對這三類目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析：噪聲在圖像中是雜亂無章的，沒有固定的運(yùn)動(dòng)特性；天體目標(biāo)距離拍攝器件十分遙遠(yuǎn)，在圖像中的相對位置幾乎保持不變；航天器和碎片目標(biāo)由于其軌道特性，在圖像中呈現(xiàn)出接近勻速直線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。針對需檢測的目標(biāo)與其他兩類目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性的不一致，通過多幀圖像進(jìn)行軌跡關(guān)聯(lián)，可以剔除其他兩類目標(biāo)，篩選出需要的目標(biāo)。其運(yùn)動(dòng)特性可表示為

(3)

式中：xi+1，yi+1表示下一幀目標(biāo)的圖像像素位置；xi，yi表示目標(biāo)當(dāng)前幀的圖像像素位置；Δxk，Δyk表示目標(biāo)的第k條軌跡的運(yùn)動(dòng)特性，即目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)像素距離，同一條軌跡的運(yùn)動(dòng)特性基本保持不變。軌跡關(guān)聯(lián)方法如圖6所示：①目標(biāo)從第1幀根據(jù)預(yù)估的速度域在第2幀圖像上搜索匹配目標(biāo)；②第2幀圖像上搜索匹配到目標(biāo)后，計(jì)算兩幀之間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)特性預(yù)測目標(biāo)在第3幀圖像的大致范圍；③在第3幀圖像上的預(yù)測位置搜索目標(biāo)，搜索成功后，將搜索到的目標(biāo)歸入同一軌跡，搜索失敗后，轉(zhuǎn)步驟①，直至第2幀圖像中無法搜索匹配到目標(biāo)；④軌跡在后續(xù)序列圖像中繼續(xù)搜索匹配目標(biāo)，如果軌跡關(guān)聯(lián)到多個(gè)點(diǎn)，則認(rèn)為軌跡是真實(shí)存在的，否則認(rèn)為軌跡是誤檢所形成的。

圖6 軌跡關(guān)聯(lián)示意圖

2.2 天文定位

本文從空間目標(biāo)的軌道預(yù)報(bào)算法和恒星的運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)，對空間目標(biāo)天基測量天文定位的算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，算法流程如圖7所示。

天基空間碎片目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)是進(jìn)行空間目標(biāo)監(jiān)視與跟蹤的重要發(fā)展方向，利用高精度軌道的天基觀測平臺結(jié)合光學(xué)測量手段，根據(jù)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡指向視場中恒星的位置及目標(biāo)星的實(shí)時(shí)處理結(jié)果，計(jì)算出目標(biāo)天文定位數(shù)據(jù)。

圖7 天文定位算法流程

天基測量的天文定位不受國土范圍、大氣層、電離層的影響，而且通過姿態(tài)調(diào)整可以具備全天時(shí)探測優(yōu)勢，可以成為空間目標(biāo)精密定軌和空間碎片編目定軌的一種有效的數(shù)據(jù)來源，對于改進(jìn)空間目標(biāo)軌道精度，有效節(jié)約地面測量資源發(fā)揮重要作用。基于天基光學(xué)成像的目標(biāo)檢測和天文定位是空間目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和測量的重要手段。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)搭建

本文選用Xilinx公司現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)V7-690T與TI公司數(shù)字處理器(DSP)TMS320C6678，構(gòu)成FPGA+2DSP的經(jīng)典高性能處理架構(gòu)，用以完成實(shí)時(shí)處理功能驗(yàn)證。結(jié)合該FPGA和DSP外圍串行快速輸入輸出口(SRIO)、高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線(PCIe)和第三代雙沿存儲器(DDR3)等高速接口，形成可演示的實(shí)時(shí)信息處理系統(tǒng)。其中，根據(jù)FPGA和DSP不同的架構(gòu)特點(diǎn)，F(xiàn)PGA主要用于完成頂帽變換、三幀差以及標(biāo)注等圖像預(yù)處理工作，DSP主要用于完成疑似目標(biāo)提取、確認(rèn)以及天文定位等工作。

驗(yàn)證算法處理流程如圖8所示。

圖8 驗(yàn)證算法處理流程

功能驗(yàn)證的主要流程：PC機(jī)通過PCIe總線發(fā)送參數(shù)以及圖像數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA利用DDR3緩存中間處理數(shù)據(jù)，按照算法流程完成處理后將處理結(jié)果通過PCIe總線輸出給PC機(jī)進(jìn)行顯示。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

利用一組實(shí)際拍攝的星圖數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，具體信息如下：①圖像數(shù)量9幅；②圖像分辨率4096像素×4096像素；③圖像大小32 MByte；④圖像位數(shù)14 bit；⑤相機(jī)曝光時(shí)間0.5 s。檢測結(jié)果如圖9所示，圖中紅色圓圈為檢測出的空間碎片目標(biāo)。

3.3 性能分析

利用上述9幅實(shí)拍星圖進(jìn)行測試，得到測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

通過測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表可知：星圖中包含大量無效目標(biāo)，如果只是利用單幅圖像中的信息無法得出正確的檢測結(jié)果。因此，需要利用目標(biāo)軌道運(yùn)動(dòng)信息(多幀關(guān)聯(lián))，才能從海量的虛假信息(151 994個(gè)疑似點(diǎn)目標(biāo)信息中只有3個(gè)有效信息)中提取真實(shí)目標(biāo)信息。處理實(shí)時(shí)性方面，由于每幅圖像的復(fù)雜度不同，導(dǎo)致單幀圖像處理時(shí)間不定，在設(shè)計(jì)天基實(shí)時(shí)監(jiān)測處理系統(tǒng)時(shí)需考慮該情況，可以在信息處理平臺輸入端增加大容量快速存取單元解決。針對上述9幅圖像，本文設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)處理平臺平均處理速度為0.62秒/幀，處理實(shí)時(shí)性良好。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種空間碎片目標(biāo)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測處理方法，實(shí)現(xiàn)面向空間碎片監(jiān)測的光學(xué)載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，將在軌實(shí)時(shí)處理提取的碎片信息下傳給用戶。針對該空間碎片目標(biāo)成像特性，設(shè)計(jì)了一種滿足空間應(yīng)用需求的載荷數(shù)據(jù)處理單元以及空間碎片目標(biāo)檢測和定位方法，該信息處理單元可以完成載荷數(shù)據(jù)24小時(shí)不間斷的實(shí)時(shí)處理工作，處理延遲小于1 s。

本文設(shè)計(jì)的空間碎片目標(biāo)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測處理算法流程優(yōu)化、工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)、硬件資源占用合理，經(jīng)由衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性和實(shí)時(shí)性，為星上高速率載荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、數(shù)據(jù)快速應(yīng)用、快速提取信息提供了一種新的高效途徑。該方法可應(yīng)用到當(dāng)前的天基實(shí)時(shí)監(jiān)測處理系統(tǒng)中，通過在衛(wèi)星上完成空間碎片目標(biāo)檢測和天文定位等功能將顯著縮短衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，提高載荷利用率。隨著處理實(shí)時(shí)性、有效性及能效比等指標(biāo)的改善，星載信息處理單元的在軌運(yùn)行時(shí)間將大為增加，能有效提升天基觀測系統(tǒng)的效能。