高軌空間碎片自主捕獲觀測及跟蹤方法

莊海孝 張強 徐超 武江凱 賀東雷

(北京空間飛行器總體設計部,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行,一旦發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是一種可自主對高軌空間碎片目標進行觀測任務的新型敏感器,能夠完成對空間碎片搜索發現且能穩定跟蹤至規定距離內,輸出有效方位信息,對碎片清除或規避具有意義。目前國外已有在軌應用經驗的遠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(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。但是上述系統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行目標跟蹤。國內有單位依據序列圖像借助于衛星平臺姿態進行圖像運動參數預估[2],利用預估參數進行圖像掩模而識別空間碎片目標,但是算法沒有考慮全自主工作機制也沒有實際應用驗證[3]。

本文在繼承星敏感器的恒星圖像處理算法基礎上,依據恒星慣性空間位置不變性原理,研究基于星圖背景的遠距離空間碎片識別技術,可實現對不小于300km的遠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組成與原理

1.1 系統組成

本文提出并經實際驗證的高軌空間碎片捕獲及觀測系統是基于空間碎片捕獲、觀測相機(NOPS)研制的新型系統。如圖1所示,該系統主要由光機主體、機箱結構、處理電路、軟件組成。可同時對恒星、高軌空間碎片成像,在軌提供空間碎片或非恒星目標視線方向,為空間碎片目標位姿測量敏感器提供視線引導信息,完成對高軌空間碎片的跟蹤觀測任務。

注:DPU為數據處理單元。圖1 空間碎片捕獲及觀測系統組成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同時對恒星、空間碎片成像,依據恒星慣性空間位置不變性,通過連續幀圖像數據比對實現恒星目標和空間碎片分離,完成基于星圖背景的非恒星目標識別[4]。通過對圖像測量數據處理完成軌道確定,輸出三軸慣性姿態和地心矢量,得到三軸慣性姿態和空間碎片方位,完成空間碎片目標的捕獲任務[5]。

空間碎片捕獲及觀測系統具有全天球捕獲、局部天區識別及窗口跟蹤功能可以將捕獲觀測系統的工作過程分為3個階段,即搜索發現、穩定跟蹤、輔助開展位姿測量3個階段。當空間碎片進入相機測量范圍后能自主發現識別目標并穩定跟蹤,輸出目標方位信息,在接收到請求數據發送信號后,捕獲及觀測系統發送測量數據和狀態信息給空間碎片位姿測量敏感器聯合進行位姿測量。

2 系統設計及目標檢測跟蹤方法研究

2.1 系統設計

捕獲及觀測系統在總體結構上分為如圖2所示的頭部和線路盒兩部分,捕獲及觀測系統光學頭部驅動圖像傳感器生成圖像,并將其傳輸給線路盒。線路盒的目標捕獲電路通過處理捕獲相機圖像獲取目標的位置信息,同時向GNC分系統輸出捕獲目標的位姿參量,實現目標捕獲和跟蹤功能。在圖像數據處理算法方面,在星敏感器的恒星圖像處理算法基礎上,增加空間碎片星確定算法,依據幀間信息確定慣性坐標系下恒星目標和變化目標的軌跡,完成空間碎片跟蹤。

圖2 捕獲及觀測系統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追蹤算法[6],首先導入已知的空間碎片三維模型和標定所得的相機內部參數;然后對空間碎片圖像序列特定幀圖像進行位姿測量,求得空間碎片目標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行逐幀追蹤,輸出其實時位姿并對位姿追蹤精度進行判定,當精度符合要求時繼續推進跟蹤過程,而在目標跟蹤結果出現異常時,則退出目標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系之前,需要在軌搜索、捕獲被觀測空間碎片目標,然后才能對其進行穩定跟蹤[7]。本文從提高空間碎片自主檢測的穩健性出發,在不依賴先驗軌道信息的情況下,進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,并進行質心定位,從而將圖像中各物體簡化為質心列表,以便進行后面的高精度姿態確定和初步恒星對象剔除等操作。通過從相機采集的原始圖像中檢測出所有感興趣的對象,在主動星粗略姿態已測得的基礎上進行恒星識別,進而推導出主動星的高精度姿態信息,并根據推導的主動星高精度姿態來確定捕獲觀測相機的精確指向,再結合恒星星表和相機成像模型進行初步恒星對象剔除操作。然后根據不同對象在圖像中的運動軌跡差異將感興趣的對象標識為恒星、空間碎片目標和相機熱點等,進而從原始圖像中檢測出空間目標。

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

在較遠距離時,由于空間碎片目標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分空間碎片目標與相機成像后的其他物體。因此,在主動星粗略姿態已測得的基礎上進行恒星識別,進而推導出主動星的高精度姿態信息,利用推導的主動星高精度姿態信息來確定相機的精確指向,并根據恒星星表及相機的成像模型來進行初步恒星對象剔除。

2.3.2 基于運動軌跡差異的目標識別

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

1)重點關注目標對象的檢測

首先,對原始圖像中所有對象按照恒星、空間碎片目標以及相機熱點分為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可以設置為常量或者根據背景和恒星的亮度進行動態調整。

然后在J2000慣性坐標系中通過赤經α和赤緯δ確定恒星的視線矢量為

(1)

恒星在相機坐標系下的視線矢量為

(2)

(3)

2)連續圖像匹配關聯

為了通過運動軌跡的差異來識別空間碎片目標,需要將兩張連續圖像中的簇進行匹配關聯。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)

可通過分別設定閾值Δpmax和Δlmax的方式來判斷連續兩幀圖像中簇的關聯性。當Δp(i,j)>Δpmax或Δl(i,j)>Δlmax時,則S(i,j)=∞,即沒有關聯性。在兩個簇實現匹配關聯后,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目。

3)目標判別

空間碎片目標為滿足以下條件的簇:首先,空間碎片目標不能被標記為恒星或相機熱點;其次,空間碎片目標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)

結合空間碎片目標不是恒星也不是相機熱點的特性,識別出的空間碎片目標Δpifixed應滿足以下公式

(10)

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

2.4 空間碎片預測跟蹤方法

本文以解決空間碎片目標近距離跟蹤為目的,采用預測跟蹤技術實現對空間碎片的自主跟蹤。采用預測跟蹤技術,可以通過保存的歷史信息,對空間碎片目標的下一狀態進行預測,進而實現跟蹤,降低算法滯后造成的影響。當空間碎片目標脫離視場時,也可以通過預測跟蹤算法估計出空間碎片目標的下一時刻可能出現的位置,在空間碎片目標重新出現時,再次及時地跟蹤。同時,通過預測下一幀空間碎片目標出現的位置,可以調整空間碎片目標檢測識別的作用范圍,降低運行時間。對運動狀態的預估可以快速及時的調整相機視野,達到準確跟蹤的目的。

運動目標的空間位置隨著時間的變化而改變,目標中心的移動軌跡是時間的函數,可以用一條曲線來表示。據此,可以用一個多項式函數來近似表達空間碎片目標在過去一段時間內的運動軌跡,從而預測估計空間碎片目標未來的位置。

空間碎片目標的中心坐標為(xc,yc),則以水平方向坐標x為例。考慮到空間碎片目標運動的復雜性,可通過N點平方預測算法使用二次多項式函數來擬合空間碎片目標運動軌跡,空間碎片目標中心位置坐標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系數。

根據前N幀圖像空間碎片目標的中心坐標xi(t)(i=1,2…,N),由式(11)可以計算相對應的估計值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中心位置的x坐標為

(14)

(15)

為了降低誤差,通常選用軌跡中靠近當前時刻的前N幀的目標位置作為預測的依據。參數N可視為預測計算的步長,其值由系統的實際環境和要求決定。當空間碎片目標高速運動時,適當減小N,可及時對空間碎片目標的運動軌跡進行更新,并提高精度。

3 地面測試及在軌應用驗證

根據高軌空間碎片捕獲及觀測系統驗證要求,捕獲及觀測系統在地面測試階段除了開展標定試驗用于建立視線指向和基準境之間的關系外還開展了雜光保護試驗、雜光抑制試驗、觀星測試以及星模聯試工作。在軌實際應用環境下主要開展空間碎片捕獲試驗及慣性姿態測量功能驗證。

3.1 雜光保護試驗

1)太陽直射試驗

NOPS正對著太陽、月球、地球時應具有保護能力。應能保證在太陽、月球、地球進入視場時,NOPS器件不損壞,并在1000s內給出雜光標志。當太陽、月球、地球移出視場后,NOPS應能恢復正常工作。圖5為NOPS太陽直射試驗,NOPS直射太陽3600s時給出強光干擾標志且太陽移出視場后成像一切正常。

圖5 捕獲及觀測相機太陽直射試驗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動平臺上,太陽模擬器照射NOPS,通過調整轉動平臺模擬不同太陽照射角狀態,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,在設計的陽光抑制角外,捕獲及觀測相機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,在地面對不同天區成像,評估其恒星測姿基礎功能,同時可以進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性能評估等多項測試。

3.3 星模聯試

星模聯試包括靜態和動態星模聯試以及電子星模聯試。靜態和動態星模聯試是NOPS研制過程中整機測試項目,通過靜態和動態圖像模擬器模擬星空真實光學條件。經過驗證,NOPS整機工作、圖像獲取及軟件運行均正常。電子星模聯試試驗是NOPS研制過程中基礎功能測試,主要用于驗證NOPS軟件工作能力、數據更新率,同時可以輔助進行通信驗證和半物理試驗驗證。測試結果表明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隨搭載衛星入軌后,針對空間碎片成功進行多次定點捕獲、觀測試驗及快速跟蹤應用,其中一次是以1998年發射的某高軌廢棄衛星衍生的空間碎片為目標,完成捕獲、觀測成像,工作過程及詳細信息見圖7、圖8。其中圖7的縱坐標即空間碎片能量是輻照強度,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(最亮目標)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亮光目標,其中一個為某高軌廢棄衛星衍生的空間碎片,另一個為不確定強光目標。遙測數據包顯示四元素信息有效,自檢結果正常,即捕獲了某高軌廢棄衛星衍生的空間碎片。

3.5 目標穩定跟蹤測量驗證

直至衛星軌道機動,某高軌廢棄衛星衍生的空間碎片退出相機視場之后,NOPS進行了強光目標跟蹤,期間衛星進行多次大角度轉向,NOPS一直均能捕獲強光為空間碎片。在穩定跟蹤近5min后退出空間碎片跟蹤,仍能重新捕獲該目標。如圖9,根據連續時間間隔數據差分可知:在衛星姿態變化最大角速度時,NOPS能夠穩定跟蹤某高軌廢棄衛星衍生的空間碎片,此速度變化條件下,空間碎片目標移動范圍在預定跟蹤窗口內,不影響空間碎片目標的穩定跟蹤。

圖9 捕獲及觀測相機連續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

綜合地面及長期在軌實際應用環境測試結果,當太陽照射目標角度滿足捕獲及觀測系統能量探測需求且位于相機視場內時,能夠全程完成空間碎片捕獲,輸出有效方位信息。當太陽光、地氣光在30°抑制角之外且不存在其它近相機強光反射時,捕獲及觀測系統能夠輸出空間碎片正常慣性姿態測量信息。

4 結束語

本文所介紹的基于新型捕獲、觀測相機的全自主高軌空間碎片捕獲、觀測及跟蹤系統,依據恒星慣性空間位置不變性,通過連續幀圖像數據比對實現恒星目標和非恒星目標分離,完成空間碎片目標識別。經過在軌長期驗證,已成功完成對高軌空間碎片的捕獲、觀測與跟蹤任務。作為應用于高軌空間實施中遠距離空間碎片捕獲的全自主雙體制模式探測系統,在兼顧空間碎片目標捕獲、觀測的基礎上,同時還具備恒星測姿功能,經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果穩定,恒星測姿結果穩定,相關成果可廣泛應用于高軌道碎片目標特別是地球同步軌道空間廢棄衛星衍生碎片的觀測跟蹤與治理任務。