交会对接成像软件的多目标跟踪改进*

魏高乐，高 进，牛和明，陈朝晖

(北京控制工程研究所，北京 100190)



交会对接成像软件的多目标跟踪改进*

魏高乐，高 进，牛和明，陈朝晖

(北京控制工程研究所，北京 100190)

介绍交会对接成像敏感器的工作原理以及由单组条带预判窗口跟踪模式的单一目标敏感器组成的交会对接测量系统.从敏感器嵌入式软件的层面，提出多目标窗口计算、多目标条带预判、多目标匹配计算和多目标测量结果处理等4项改进方法，在硬件系统完全不变的情况下，改善多目标跟踪交会对接敏感器性能.该项改进将单机系统提升为多机热备份系统，提高系统安全性.实现不同目标器之间的自主跟踪切换，优化交会对接流程.此外，变不同敏感器之间切换为敏感器处理对象切换，提升交会对接过程的可靠性.改进后的算法已在我国交会对接各重点型号试验中顺利应用.

嵌入式软件；交会对接；多目标；图像处理；敏感器

0 引 言

中国在空间交会对接技术方面发展突飞猛进，不仅完全掌握了交会对接技术，而且开展了所有交会对接测量设备的自主研发与应用[1-2].在对接过程中接近靠拢段，追踪飞行器利用相对位置、角度测量敏感器精确测量两个飞行器间的距离、相对速度和姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标最后逼近[3-4].其中所使用的测量敏感器即为交会对接光学成像敏感器，作为在此阶段测量两个飞行器相对位置、姿态的唯一敏感器，是任务成功的关键.

交会对接光学成像敏感器由安装在追踪飞行器的相机和安装在目标飞行器的目标标志器组成，其中每组目标标志器由若干个目标灯或角反射器依据协议布局构成.敏感器的任务是在对接过程中高频成像，通过实时对图像上各光点位置计算目标与相机的相对位置、角度关系.

为保证敏感器在整个接近靠拢段内测量结果的可靠稳定和数据有效性，相机和目标均由多套组成，互为备份，如图1所示.目标数量为N，成像敏感器数量为M，其中M=N×n，n=1，2，3……，即每个目标有一个或若干个敏感器光学探头对应成像、识别、计算.

图1 交会对接成像敏感器构成Fig.1 Constitution of RVD sensor

如果目标光点或布局过大会造成相机近距离内无法完整成像，如果过小又会造成远距离照片无法清晰成像.鉴于此，目标航天器的对接面上通常安装光点或布局大小不同的N组目标，如图2以N=3为例所示.3组目标分别在不同的相对距离区间下给予敏感器有效的测量图像，称为远场、近场、超近场目标，各目标成像敏感器则称为远场、近场、超近场敏感器.

多组敏感器在不同相对距离的有效性如图3所示.为确保交会对接过程始终能够输出有效测量数据，远场与近场、近场与超近场敏感器之间各存在一个有效区间重叠区域.未进入重叠区域时，只有一个目标的成像敏感器有数据输出.当相对距离进入重叠区域后，相对近距离的敏感器将能输出测量数据.再进一步靠近而离开重叠区域后，相对远距离的敏感器不再可用，以此实现各个不同敏感器的切换.

图2 3组大小不同的目标光点示意图Fig.2 Illustration of spots in 3 targets with different size

图3 各组目标的有效距离区间Fig.3 Illustration of working zone for different targets

1 单组目标条带预判算法

1.1 窗口跟踪原理

为提升敏感器数据更新率、降低图像搜索时长，系统引入窗口跟踪策略.嵌入式软件每次成功计算后记录每个光点在图像上的坐标位置，对下一周期新图像仅在以各光点所记录位置为中心的图像小窗口内进行搜点操作.缩小所处理图像像素个数，降低光点搜索耗时.

1.2 条带及偏移量算法

为减少探头拍图时间，成像敏感器探头能够实现针对特定行区间的拍图操作.嵌入式软件通过在敏感器探头每次拍图前，指定所需条带的数量以及每个条带的上下限行号，实时控制下一周期图像的条带情况.完整全图成像也可视为一个特别的条带图.

嵌入式软件通过光点预判搜索窗口预设相机探头需要成像的条带，同时计算每条带的偏移量.如图4 所示，图4(a)为完整相机镜头视场内的预判目标点的n个搜索窗口分布.图4(b)为需要拍图的N个成像条带及其之间的间隔.

图4 跟踪状态下的图像示意Fig.4 Illustration of tracking image

再通过所记录的每个条带对应的宽度和偏移量，将图4(c)恢复为图4(b)，从而计算每个光点的真实位置.

1.3 条带预判跟踪流程

具备条带预判跟踪功能的交会对接敏感器软件工作流程如图5所示.敏感器通过一次全图搜索计算成功后，即可进入并始终维持在条带窗口跟踪模式.实验结果表明：条带预判跟踪流程比全图捕获流程耗时短3个数量级，这是高频实时更新计算结果、交会对接任务成功的关键.

图5 交会对接成像敏感器软件流程Fig.5 Flow chart of the software for RVD image sensor

结合图3可见，交会对接相对远距离时只有远场敏感器能正常工作.由于远距离图像光点位置变化小，远场敏感器能在靠拢运行动态过程中完成全图捕获后顺利切换至高频跟踪模式.而近场、超近场敏感器则在远距离无法成功计算，始终工作在低频更新的全图搜索模式，直到进入有效区域后才能首次计算成功.与远场敏感器全图捕获工况不同，近距离图像动态变化较大.为避免切换到跟踪模式后，因全图计算时间过长而出现目标光点已不在窗口内从而无法跟踪的现象，交会对接过程在多套敏感器有效区间重叠区域特定设计了一定时间的“相对停泊”.为近场、超近场敏感器提供静态工况，使其能在静态图像状态下完成从全图模式到跟踪模式的切换.

2 跟踪软件的多目标改进

2.1 多目标光点窗口预测

为使近场、超近场目标跳过全图搜索，直接跟踪识别，敏感器嵌入式软件对光点预测窗口算法进行改进：成功运算后不简单记录每个有效光点位置，而是依照计算结果反推每套目标的所有光点在图像上的理论位置，作为下一个周期的跟踪窗口中心.

计算跟踪窗口过程如图6所示，远距离未识别出近场、超近场两套目标，软件通过对远场目标的识别、计算获取相对位置、姿态数据，反推所有3套目标在成像面上的理论位置如图6(b)所示.并以此开辟所有光点的搜索窗口.

图6 确认跟踪窗口过程Fig.6 Calculation process of track windows

2.2 多目标条带计算与优化

如果某组目标部分光点理论位置不在图像视场内，导致其理论上无法匹配计算，则舍弃该目标所有光点窗口.针对所有理论上能够实现匹配计算的目标器光点窗口，计算条带和偏移量.

拍摄条带图是为保证探头能在短时间内完成目标图和背景图的两次拍摄[5].相对于单组目标，多组目标同步计算条带势必增大条带的宽度.当宽度超过探头所能实现的上限时，则舍弃光点面积最大的远场目标所有窗口，重新计算新条带.如果不包含远场目标的条带宽度仍然超过限度，则舍弃近场窗口，仅保留超近场窗口计算条带.如图7所示.从而保证对接靠近过程中，条带的动态合理分布和各组目标的优化切换.

2.3 多目标同步匹配

敏感器软件通过向探头发送多目标条带参数信息，实现多目标条带图像的拍摄，再针对多目标条带开展多目标同步匹配操作.基于条带参数信息，将图像中具备所有目标标志器各进行一次搜图、匹配、计算操作，如图8所示.

2.4 多目标测量结果择优输出

通过多目标匹配计算流程，每个周期最多能得到3组不同目标的位姿结果.软件对测量结果进行处理，择优输出.根据图3有效区间分配，计算结果处理如下：

1)如果只有一组目标完成计算，则输出该组目标结果；

2)如果有包括近场目标在内的两组目标完成计算，则输出这两组结果；

3)由于远场与超近场目标器没有有效区间重合区域，如果3组目标都完成计算，则先认定作用区间居中的近场目标结果为有效数据进行输出，同时利用该数据对远场和超近场两组结果进行仲裁，认定与近场结果相近的数据同为有效结果进行输出；

4)如果近场目标未输出有效结果，而超近场和远场均完成了计算，则认为两个计算结果均为无效，不予以输出.

择优处理过程如图9所示.

图8 多目标匹配计算流程Fig.8 Flowchart of multi-target calculation

图9 多目标结果择优输出Fig.9 Optimization of the results by multi-target

3 多目标改进跟踪流程

在单目标算法的基础上，新增多目标窗口计算、多目标条带预判、多目标匹配计算和多目标测量结果处理等4个改进措施，形成可同时对视场内所有目标同步识别计算的多目标跟踪算法，如图10所示.

图10 多目标跟踪的软件流程Fig.10 Flowchart of multi-target tracing software

实验结果表明针对嵌入式软件进行多目标跟踪改进后，交会对接成像敏感器可实现针对有效光点所在条带的单独积分成像，且由于窗口合理删减，杂光干扰得到有效抑制，软件可删去文献[6]的图像阈值计算和文献[7-8]的光点分组筛选流程，有效降低计算耗时.针对大量图像实验结果如表1所示.

敏感器通过各项针对软件的改进后，不再具备目标特定属性，只要相机视场内有对应的目标成像，本体航天器上的所有敏感器都能同时作为远场、近场、超近场敏感器.特别是条带配置算法使交会对接靠近过程中，每个敏感器的目标条带自动从远场逐步向近场、超近场切换.避免了单目标系统下，远距离时的近场、超近场敏感器和近距离时的远场敏感器的闲置浪费.在硬件不变前提下，整个交会对接过程都实现了多机热备份，提升了交会对接成像测量系统的可靠性.

表1 大量图像试验结果及耗时数据Tab.1 Results and time consumption of a large number of image processes

每组目标的光点窗口和条带分布不再依据本组目标的历史数据.仅需任何一套目标成功计算，即可使所有目标直接进入跟踪模式，使近场、超近场目标器进入有效量程后直接实现高频跟踪.避免了每组目标独立全图搜索过程，使交会对接无需再设置安全区间停泊点，优化了任务流程.

两组目标器有效范围的重合区间，作为单目标系统不同敏感器正常工作的切换点是安全性最薄弱环节.而多目标系统仅切换图像条带而不切换敏感器本身，在重合区间每套敏感器都能同时实现两套目标跟踪计算，拓展了原有的安全瓶颈.

4 结 论

针对交会对接多目标配置和停泊点切换设置特性，在单一目标条带预判跟踪算法基础上，设计多目标窗口计算、多目标条带预判、多目标匹配计算和多目标测量结果处理等4项针对敏感器嵌入式软件的改进措施，实现了多目标跟踪的交会对接敏感器.实验结果表明，该改进算法在系统硬件配置不变的前提下，将单机系统提升为多机热备份系统，提高了安全性.同时改变了原有停泊点切换目标的设计理念，实现了相对近场目标器的直接跟踪切换，优化了整个交会对接任务流程.变不同敏感器之间切换为每个敏感器内部的处理对象变化，提升了交会对接过程的可靠性.

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Improvement of Track Software for Multi-Target Image inRendezvous and Docking

WEI Gaole, GAO Jin, NIU Heming, CHEN Zhaohui

(BeijingInstituteofControlEngineering，Beijing100190，China)

The principle of rendezvous and docking image (RVD) sensor is introduced. The measure system of one-target RVD image sensor with image track windows is presented. Without any change in the hardware of the sensor, four improvements of embedded software are brought to multi-target RVD image sensor, such as multi-target calculating track windows, multi-target prediction of image row windows, multi-target image match and multi-target results optimization. The safety level ascends when the measure system becomes multi-spare mode. The automatic switch within different targets improves the process of RVD. The independence level is greatly improved while the switch of different camera is replaced by different spots in images from one camera. The improvements are already used in many missions of RVD in China.

embedded software; RVD; multi-target; image process; sensor

*国防基础科研资助项目(JCKY2016203B006).

2016-12-05

V445.8;TP391.41

A

1674-1579(2017)02-0073-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.02.012

魏高乐(1985—)，男，工程师，研究方向为星(船)载嵌入式软件、模式识别；高 进(1972—)，男，研究员，研究方向为星(船)载嵌入式软件；牛和明(1983—)，男，工程师，研究方向为嵌入式软件测试、图像处理；陈朝晖(1969—)，男，研究员，研究方向为星(船)载嵌入式软件.