高軌空間碎片自主捕獲觀測及跟蹤方法

莊海孝 張強(qiáng) 徐超 武江凱 賀東雷

(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

高軌空間存在的空間碎片在軌停留時間長,不僅擠占珍貴的軌位資源,還會危及正常航天器運(yùn)行,一旦發(fā)生碰撞會對高軌大量的高價值航天器造成損壞甚至解體,具有非常大的威脅。高軌空間碎片捕獲及觀測系統(tǒng)是一種可自主對高軌空間碎片目標(biāo)進(jìn)行觀測任務(wù)的新型敏感器,能夠完成對空間碎片搜索發(fā)現(xiàn)且能穩(wěn)定跟蹤至規(guī)定距離內(nèi),輸出有效方位信息,對碎片清除或規(guī)避具有意義。目前國外已有在軌應(yīng)用經(jīng)驗的遠(yuǎn)距離視線測量敏感器較少[1],比較著名的包括美國天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)和ESA新一代交會對接敏感器即激光紅外成像敏感器(LIRIS)均裝有紅外捕獲相機(jī)。但是上述系統(tǒng)不具備空間碎片自主識別能力,需要地面指定空間碎片有效位置進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。國內(nèi)有單位依據(jù)序列圖像借助于衛(wèi)星平臺姿態(tài)進(jìn)行圖像運(yùn)動參數(shù)預(yù)估[2],利用預(yù)估參數(shù)進(jìn)行圖像掩模而識別空間碎片目標(biāo),但是算法沒有考慮全自主工作機(jī)制也沒有實際應(yīng)用驗證[3]。

本文在繼承星敏感器的恒星圖像處理算法基礎(chǔ)上,依據(jù)恒星慣性空間位置不變性原理,研究基于星圖背景的遠(yuǎn)距離空間碎片識別技術(shù),可實現(xiàn)對不小于300km的遠(yuǎn)距離高軌空間碎片全自主捕獲跟蹤。

1 高軌空間碎片捕獲及觀測系統(tǒng)組成與原理

1.1 系統(tǒng)組成

本文提出并經(jīng)實際驗證的高軌空間碎片捕獲及觀測系統(tǒng)是基于空間碎片捕獲、觀測相機(jī)(NOPS)研制的新型系統(tǒng)。如圖1所示,該系統(tǒng)主要由光機(jī)主體、機(jī)箱結(jié)構(gòu)、處理電路、軟件組成?？赏瑫r對恒星、高軌空間碎片成像,在軌提供空間碎片或非恒星目標(biāo)視線方向,為空間碎片目標(biāo)位姿測量敏感器提供視線引導(dǎo)信息,完成對高軌空間碎片的跟蹤觀測任務(wù)。

注:DPU為數(shù)據(jù)處理單元。圖1 空間碎片捕獲及觀測系統(tǒng)組成Fig.1 Structure diagram of NOPS

1.2 工作原理

高軌空間碎片捕獲及觀測系統(tǒng)同時對恒星、空間碎片成像,依據(jù)恒星慣性空間位置不變性,通過連續(xù)幀圖像數(shù)據(jù)比對實現(xiàn)恒星目標(biāo)和空間碎片分離,完成基于星圖背景的非恒星目標(biāo)識別[4]。通過對圖像測量數(shù)據(jù)處理完成軌道確定,輸出三軸慣性姿態(tài)和地心矢量,得到三軸慣性姿態(tài)和空間碎片方位,完成空間碎片目標(biāo)的捕獲任務(wù)[5]。

空間碎片捕獲及觀測系統(tǒng)具有全天球捕獲、局部天區(qū)識別及窗口跟蹤功能可以將捕獲觀測系統(tǒng)的工作過程分為3個階段,即搜索發(fā)現(xiàn)、穩(wěn)定跟蹤、輔助開展位姿測量3個階段。當(dāng)空間碎片進(jìn)入相機(jī)測量范圍后能自主發(fā)現(xiàn)識別目標(biāo)并穩(wěn)定跟蹤,輸出目標(biāo)方位信息,在接收到請求數(shù)據(jù)發(fā)送信號后,捕獲及觀測系統(tǒng)發(fā)送測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息給空間碎片位姿測量敏感器聯(lián)合進(jìn)行位姿測量。

2 系統(tǒng)設(shè)計及目標(biāo)檢測跟蹤方法研究

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

捕獲及觀測系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)上分為如圖2所示的頭部和線路盒兩部分,捕獲及觀測系統(tǒng)光學(xué)頭部驅(qū)動圖像傳感器生成圖像,并將其傳輸給線路盒。線路盒的目標(biāo)捕獲電路通過處理捕獲相機(jī)圖像獲取目標(biāo)的位置信息,同時向GNC分系統(tǒng)輸出捕獲目標(biāo)的位姿參量,實現(xiàn)目標(biāo)捕獲和跟蹤功能。在圖像數(shù)據(jù)處理算法方面,在星敏感器的恒星圖像處理算法基礎(chǔ)上,增加空間碎片星確定算法,依據(jù)幀間信息確定慣性坐標(biāo)系下恒星目標(biāo)和變化目標(biāo)的軌跡,完成空間碎片跟蹤。

圖2 捕獲及觀測系統(tǒng)Fig.2 Outside view of thenon-operative pose sensor

2.2 空間碎片的初始位姿測量

空間碎片目標(biāo)初始位姿求解過程如圖3所示。

圖3 空間碎片初始位姿求解過程Fig.3 Initial pose solution procedure of space debris

本文采用基于模型的目標(biāo)追蹤算法[6],首先導(dǎo)入已知的空間碎片三維模型和標(biāo)定所得的相機(jī)內(nèi)部參數(shù);然后對空間碎片圖像序列特定幀圖像進(jìn)行位姿測量,求得空間碎片目標(biāo)追蹤所需的初始位姿;再利用求得的初始位姿對圖像序列中的空間碎片進(jìn)行逐幀追蹤,輸出其實時位姿并對位姿追蹤精度進(jìn)行判定,當(dāng)精度符合要求時繼續(xù)推進(jìn)跟蹤過程,而在目標(biāo)跟蹤結(jié)果出現(xiàn)異常時,則退出目標(biāo)跟蹤過程并重新求取空間碎片在特定位置時的位姿,將其作為新的初始位姿,以重啟目標(biāo)追蹤過程。

2.3 空間碎片自主檢測方法

在確定與空間碎片相對位置關(guān)系之前,需要在軌搜索、捕獲被觀測空間碎片目標(biāo),然后才能對其進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤[7]。本文從提高空間碎片自主檢測的穩(wěn)健性出發(fā),在不依賴先驗軌道信息的情況下,進(jìn)行空間碎片的精確識別,提出的空間碎片自主檢測和跟蹤流程如圖4所示。其中圖像預(yù)處理的目的是將原始圖像中的各物體從背景中分離出來,并進(jìn)行質(zhì)心定位,從而將圖像中各物體簡化為質(zhì)心列表,以便進(jìn)行后面的高精度姿態(tài)確定和初步恒星對象剔除等操作。通過從相機(jī)采集的原始圖像中檢測出所有感興趣的對象,在主動星粗略姿態(tài)已測得的基礎(chǔ)上進(jìn)行恒星識別,進(jìn)而推導(dǎo)出主動星的高精度姿態(tài)信息,并根據(jù)推導(dǎo)的主動星高精度姿態(tài)來確定捕獲觀測相機(jī)的精確指向,再結(jié)合恒星星表和相機(jī)成像模型進(jìn)行初步恒星對象剔除操作。然后根據(jù)不同對象在圖像中的運(yùn)動軌跡差異將感興趣的對象標(biāo)識為恒星、空間碎片目標(biāo)和相機(jī)熱點等,進(jìn)而從原始圖像中檢測出空間目標(biāo)。

圖4 空間碎片自主檢測和跟蹤流程Fig.4 Autonomous detection and tracking process

2.3.1 恒星對象剔除

在較遠(yuǎn)距離時,由于空間碎片目標(biāo)和其他物體在圖像中都呈亮點狀,所以無法從圖像中直接區(qū)分空間碎片目標(biāo)與相機(jī)成像后的其他物體。因此,在主動星粗略姿態(tài)已測得的基礎(chǔ)上進(jìn)行恒星識別,進(jìn)而推導(dǎo)出主動星的高精度姿態(tài)信息,利用推導(dǎo)的主動星高精度姿態(tài)信息來確定相機(jī)的精確指向,并根據(jù)恒星星表及相機(jī)的成像模型來進(jìn)行初步恒星對象剔除。

2.3.2 基于運(yùn)動軌跡差異的目標(biāo)識別

在進(jìn)行初步恒星對象剔除操作之后,其余未被識別的質(zhì)心就是空間碎片目標(biāo)以及其他可能的非恒星物體、未被識別的恒星和相機(jī)熱點等。接下來,組合多張連續(xù)的圖像,并提取各個未被識別物體的運(yùn)動軌跡,可以通過運(yùn)動軌跡差異清楚地區(qū)分空間碎片目標(biāo)和其他物體,進(jìn)而將空間碎片目標(biāo)從圖像中識別出來[8]。

1)重點關(guān)注目標(biāo)對象的檢測

首先,對原始圖像中所有對象按照恒星、空間碎片目標(biāo)以及相機(jī)熱點分為3類。將所有感興趣的重點對象稱為簇,簇是一組連通的像素集合,其每個像素灰度值都超過閾值I,閾值I可以設(shè)置為常量或者根據(jù)背景和恒星的亮度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

然后在J2000慣性坐標(biāo)系中通過赤經(jīng)α和赤緯δ確定恒星的視線矢量為

(1)

恒星在相機(jī)坐標(biāo)系下的視線矢量為

(2)

(3)

2)連續(xù)圖像匹配關(guān)聯(lián)

為了通過運(yùn)動軌跡的差異來識別空間碎片目標(biāo),需要將兩張連續(xù)圖像中的簇進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)。通過定義相似性度量的方式來描述兩張圖像中簇的匹配相似程度,其具體公式為

(4)

式中:ωp和ωl分別為位置偏差和亮度偏差的權(quán)重;Δp(i,j)和Δl(i,j)分別為位置偏差和亮度偏差。

式(4)中位置偏差為

(5)

亮度偏差為

(6)

(7)

可通過分別設(shè)定閾值Δpmax和Δlmax的方式來判斷連續(xù)兩幀圖像中簇的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)Δp(i,j)>Δpmax或Δl(i,j)>Δlmax時,則S(i,j)=∞,即沒有關(guān)聯(lián)性。在兩個簇實現(xiàn)匹配關(guān)聯(lián)后,可以計算簇在圖像中的平均移動速度,其公式可以表示為

(8)

式中:v(t)為前一幀圖像中簇的平均移動速度;N為能夠跟蹤到簇的先前圖像的數(shù)目。

3)目標(biāo)判別

空間碎片目標(biāo)為滿足以下條件的簇:首先,空間碎片目標(biāo)不能被標(biāo)記為恒星或相機(jī)熱點;其次,空間碎片目標(biāo)的位置偏差與平均位置偏差差異最大,其平均位置偏差eavg可被定義為

(9)

結(jié)合空間碎片目標(biāo)不是恒星也不是相機(jī)熱點的特性,識別出的空間碎片目標(biāo)Δpifixed應(yīng)滿足以下公式

(10)

式中:Imay為可能的空間碎片目標(biāo)候選集。通過上述步驟即可完成空間碎片目標(biāo)的精確識別。

2.4 空間碎片預(yù)測跟蹤方法

本文以解決空間碎片目標(biāo)近距離跟蹤為目的,采用預(yù)測跟蹤技術(shù)實現(xiàn)對空間碎片的自主跟蹤。采用預(yù)測跟蹤技術(shù),可以通過保存的歷史信息,對空間碎片目標(biāo)的下一狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,進(jìn)而實現(xiàn)跟蹤,降低算法滯后造成的影響。當(dāng)空間碎片目標(biāo)脫離視場時,也可以通過預(yù)測跟蹤算法估計出空間碎片目標(biāo)的下一時刻可能出現(xiàn)的位置,在空間碎片目標(biāo)重新出現(xiàn)時,再次及時地跟蹤。同時,通過預(yù)測下一幀空間碎片目標(biāo)出現(xiàn)的位置,可以調(diào)整空間碎片目標(biāo)檢測識別的作用范圍,降低運(yùn)行時間。對運(yùn)動狀態(tài)的預(yù)估可以快速及時的調(diào)整相機(jī)視野,達(dá)到準(zhǔn)確跟蹤的目的。

運(yùn)動目標(biāo)的空間位置隨著時間的變化而改變,目標(biāo)中心的移動軌跡是時間的函數(shù),可以用一條曲線來表示。據(jù)此,可以用一個多項式函數(shù)來近似表達(dá)空間碎片目標(biāo)在過去一段時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡,從而預(yù)測估計空間碎片目標(biāo)未來的位置。

空間碎片目標(biāo)的中心坐標(biāo)為(xc,yc),則以水平方向坐標(biāo)x為例?？紤]到空間碎片目標(biāo)運(yùn)動的復(fù)雜性,可通過N點平方預(yù)測算法使用二次多項式函數(shù)來擬合空間碎片目標(biāo)運(yùn)動軌跡,空間碎片目標(biāo)中心位置坐標(biāo)x(t)的最佳估計方程為

xq(t)=b0+b1t+b2t2

(11)

式中:b0,b1,b2是利用最小二乘法計算得到的最優(yōu)系數(shù)。

根據(jù)前N幀圖像空間碎片目標(biāo)的中心坐標(biāo)xi(t)(i=1,2…,N),由式(11)可以計算相對應(yīng)的估計值xqi(t),則N點估計的方差為

(12)

利用最小二乘法原理,可以得到

(13)

將式(13)代入式(11)中,計算可得最小方差原則下xi(t)的N點軌跡最佳估計方程的通解,下一幀圖像中的空間碎片目標(biāo)中心位置的x坐標(biāo)為

(14)

(15)

為了降低誤差,通常選用軌跡中靠近當(dāng)前時刻的前N幀的目標(biāo)位置作為預(yù)測的依據(jù)。參數(shù)N可視為預(yù)測計算的步長,其值由系統(tǒng)的實際環(huán)境和要求決定。當(dāng)空間碎片目標(biāo)高速運(yùn)動時,適當(dāng)減小N,可及時對空間碎片目標(biāo)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行更新,并提高精度。

3 地面測試及在軌應(yīng)用驗證

根據(jù)高軌空間碎片捕獲及觀測系統(tǒng)驗證要求,捕獲及觀測系統(tǒng)在地面測試階段除了開展標(biāo)定試驗用于建立視線指向和基準(zhǔn)境之間的關(guān)系外還開展了雜光保護(hù)試驗、雜光抑制試驗、觀星測試以及星模聯(lián)試工作。在軌實際應(yīng)用環(huán)境下主要開展空間碎片捕獲試驗及慣性姿態(tài)測量功能驗證。

3.1 雜光保護(hù)試驗

1)太陽直射試驗

NOPS正對著太陽、月球、地球時應(yīng)具有保護(hù)能力。應(yīng)能保證在太陽、月球、地球進(jìn)入視場時,NOPS器件不損壞,并在1000s內(nèi)給出雜光標(biāo)志。當(dāng)太陽、月球、地球移出視場后,NOPS應(yīng)能恢復(fù)正常工作。圖5為NOPS太陽直射試驗,NOPS直射太陽3600s時給出強(qiáng)光干擾標(biāo)志且太陽移出視場后成像一切正常。

圖5 捕獲及觀測相機(jī)太陽直射試驗Fig.5 Direct sunlight test of NOPS

2)雜光抑制試驗

NOPS雜光抑制試驗在暗室內(nèi)完成,NOPS視場直視消光錐(模擬空間暗背景),兩者通過平移支架連接一起至于轉(zhuǎn)動平臺上,太陽模擬器照射NOPS,通過調(diào)整轉(zhuǎn)動平臺模擬不同太陽照射角狀態(tài),拍攝NOPS在不同太陽照射角的圖像,分析圖像背景,獲取對恒星識別無干擾的背景圖像,其圖像對應(yīng)的太陽角度即為雜光抑制角。如圖6所示,通過地面太陽模擬器照射試驗,在設(shè)計的陽光抑制角外,捕獲及觀測相機(jī)在窗口跟蹤模式正常工作。

圖6 雜光抑制試驗過程Fig.6 Stray light suppression test

3.2 地面觀星測試

NOPS觀星測試在興隆國家天文臺完成,在地面對不同天區(qū)成像,評估其恒星測姿基礎(chǔ)功能,同時可以進(jìn)行恒星測姿精度評估、視場測試、靈敏度評估以及星敏感器動態(tài)性能評估等多項測試。

3.3 星模聯(lián)試

星模聯(lián)試包括靜態(tài)和動態(tài)星模聯(lián)試以及電子星模聯(lián)試。靜態(tài)和動態(tài)星模聯(lián)試是NOPS研制過程中整機(jī)測試項目,通過靜態(tài)和動態(tài)圖像模擬器模擬星空真實光學(xué)條件。經(jīng)過驗證,NOPS整機(jī)工作、圖像獲取及軟件運(yùn)行均正常。電子星模聯(lián)試試驗是NOPS研制過程中基礎(chǔ)功能測試,主要用于驗證NOPS軟件工作能力、數(shù)據(jù)更新率,同時可以輔助進(jìn)行通信驗證和半物理試驗驗證。測試結(jié)果表明NOPS空間碎片捕獲及恒星測姿功能正常。

3.4 在軌捕獲、觀測成像

NOPS隨搭載衛(wèi)星入軌后,針對空間碎片成功進(jìn)行多次定點捕獲、觀測試驗及快速跟蹤應(yīng)用,其中一次是以1998年發(fā)射的某高軌廢棄衛(wèi)星衍生的空間碎片為目標(biāo),完成捕獲、觀測成像,工作過程及詳細(xì)信息見圖7、圖8。其中圖7的縱坐標(biāo)即空間碎片能量是輻照強(qiáng)度,計量單位是μW/cm2。

圖7 空間碎片捕獲過程能量分布曲線Fig.7 Energy distribution curve in discovery process

圖8 高軌空間碎片和不明目標(biāo)(最亮目標(biāo))Fig.8 High orbit abandoned satellites debris and unknown target(the brightest target)

在該次捕獲及觀測過程起始段,NOPS圖像中有兩個非恒星強(qiáng)亮光目標(biāo),其中一個為某高軌廢棄衛(wèi)星衍生的空間碎片,另一個為不確定強(qiáng)光目標(biāo)。遙測數(shù)據(jù)包顯示四元素信息有效,自檢結(jié)果正常,即捕獲了某高軌廢棄衛(wèi)星衍生的空間碎片。

3.5 目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤測量驗證

直至衛(wèi)星軌道機(jī)動,某高軌廢棄衛(wèi)星衍生的空間碎片退出相機(jī)視場之后,NOPS進(jìn)行了強(qiáng)光目標(biāo)跟蹤,期間衛(wèi)星進(jìn)行多次大角度轉(zhuǎn)向,NOPS一直均能捕獲強(qiáng)光為空間碎片。在穩(wěn)定跟蹤近5min后退出空間碎片跟蹤,仍能重新捕獲該目標(biāo)。如圖9,根據(jù)連續(xù)時間間隔數(shù)據(jù)差分可知:在衛(wèi)星姿態(tài)變化最大角速度時,NOPS能夠穩(wěn)定跟蹤某高軌廢棄衛(wèi)星衍生的空間碎片,此速度變化條件下,空間碎片目標(biāo)移動范圍在預(yù)定跟蹤窗口內(nèi),不影響空間碎片目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

圖9 捕獲及觀測相機(jī)連續(xù)跟蹤空間碎片視線角變化曲線Fig.9 Line of sight angle curve of abandoned satellite debris in NOPS continuous tracking

3.6 小結(jié)

綜合地面及長期在軌實際應(yīng)用環(huán)境測試結(jié)果,當(dāng)太陽照射目標(biāo)角度滿足捕獲及觀測系統(tǒng)能量探測需求且位于相機(jī)視場內(nèi)時,能夠全程完成空間碎片捕獲,輸出有效方位信息。當(dāng)太陽光、地氣光在30°抑制角之外且不存在其它近相機(jī)強(qiáng)光反射時,捕獲及觀測系統(tǒng)能夠輸出空間碎片正常慣性姿態(tài)測量信息。

4 結(jié)束語

本文所介紹的基于新型捕獲、觀測相機(jī)的全自主高軌空間碎片捕獲、觀測及跟蹤系統(tǒng),依據(jù)恒星慣性空間位置不變性,通過連續(xù)幀圖像數(shù)據(jù)比對實現(xiàn)恒星目標(biāo)和非恒星目標(biāo)分離,完成空間碎片目標(biāo)識別。經(jīng)過在軌長期驗證,已成功完成對高軌空間碎片的捕獲、觀測與跟蹤任務(wù)。作為應(yīng)用于高軌空間實施中遠(yuǎn)距離空間碎片捕獲的全自主雙體制模式探測系統(tǒng),在兼顧空間碎片目標(biāo)捕獲、觀測的基礎(chǔ)上,同時還具備恒星測姿功能,經(jīng)過地面及在軌驗證表明:在對高軌空間碎片跟蹤過程中四元素結(jié)果穩(wěn)定,恒星測姿結(jié)果穩(wěn)定,相關(guān)成果可廣泛應(yīng)用于高軌道碎片目標(biāo)特別是地球同步軌道空間廢棄衛(wèi)星衍生碎片的觀測跟蹤與治理任務(wù)。