高轨空间碎片自主捕获观测及跟踪方法

庄海孝 张强 徐超 武江凯 贺东雷

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高轨空间存在的空间碎片在轨停留时间长,不仅挤占珍贵的轨位资源,还会危及正常航天器运行,一旦发生碰撞会对高轨大量的高价值航天器造成损坏甚至解体,具有非常大的威胁。高轨空间碎片捕获及观测系统是一种可自主对高轨空间碎片目标进行观测任务的新型敏感器,能够完成对空间碎片搜索发现且能稳定跟踪至规定距离内,输出有效方位信息,对碎片清除或规避具有意义。目前国外已有在轨应用经验的远距离视线测量敏感器较少[1],比较著名的包括美国天基红外系统(SBIRS)和ESA新一代交会对接敏感器即激光红外成像敏感器(LIRIS)均装有红外捕获相机。但是上述系统不具备空间碎片自主识别能力,需要地面指定空间碎片有效位置进行目标跟踪。国内有单位依据序列图像借助于卫星平台姿态进行图像运动参数预估[2],利用预估参数进行图像掩模而识别空间碎片目标,但是算法没有考虑全自主工作机制也没有实际应用验证[3]。

本文在继承星敏感器的恒星图像处理算法基础上,依据恒星惯性空间位置不变性原理,研究基于星图背景的远距离空间碎片识别技术,可实现对不小于300km的远距离高轨空间碎片全自主捕获跟踪。

1 高轨空间碎片捕获及观测系统组成与原理

1.1 系统组成

本文提出并经实际验证的高轨空间碎片捕获及观测系统是基于空间碎片捕获、观测相机(NOPS)研制的新型系统。如图1所示,该系统主要由光机主体、机箱结构、处理电路、软件组成。可同时对恒星、高轨空间碎片成像,在轨提供空间碎片或非恒星目标视线方向,为空间碎片目标位姿测量敏感器提供视线引导信息,完成对高轨空间碎片的跟踪观测任务。

注:DPU为数据处理单元。图1 空间碎片捕获及观测系统组成Fig.1 Structure diagram of NOPS

1.2 工作原理

高轨空间碎片捕获及观测系统同时对恒星、空间碎片成像,依据恒星惯性空间位置不变性,通过连续帧图像数据比对实现恒星目标和空间碎片分离,完成基于星图背景的非恒星目标识别[4]。通过对图像测量数据处理完成轨道确定,输出三轴惯性姿态和地心矢量,得到三轴惯性姿态和空间碎片方位,完成空间碎片目标的捕获任务[5]。

空间碎片捕获及观测系统具有全天球捕获、局部天区识别及窗口跟踪功能可以将捕获观测系统的工作过程分为3个阶段,即搜索发现、稳定跟踪、辅助开展位姿测量3个阶段。当空间碎片进入相机测量范围后能自主发现识别目标并稳定跟踪,输出目标方位信息,在接收到请求数据发送信号后,捕获及观测系统发送测量数据和状态信息给空间碎片位姿测量敏感器联合进行位姿测量。

2 系统设计及目标检测跟踪方法研究

2.1 系统设计

捕获及观测系统在总体结构上分为如图2所示的头部和线路盒两部分,捕获及观测系统光学头部驱动图像传感器生成图像,并将其传输给线路盒。线路盒的目标捕获电路通过处理捕获相机图像获取目标的位置信息,同时向GNC分系统输出捕获目标的位姿参量,实现目标捕获和跟踪功能。在图像数据处理算法方面,在星敏感器的恒星图像处理算法基础上,增加空间碎片星确定算法,依据帧间信息确定惯性坐标系下恒星目标和变化目标的轨迹,完成空间碎片跟踪。

图2 捕获及观测系统Fig.2 Outside view of thenon-operative pose sensor

2.2 空间碎片的初始位姿测量

空间碎片目标初始位姿求解过程如图3所示。

图3 空间碎片初始位姿求解过程Fig.3 Initial pose solution procedure of space debris

本文采用基于模型的目标追踪算法[6],首先导入已知的空间碎片三维模型和标定所得的相机内部参数;然后对空间碎片图像序列特定帧图像进行位姿测量,求得空间碎片目标追踪所需的初始位姿;再利用求得的初始位姿对图像序列中的空间碎片进行逐帧追踪,输出其实时位姿并对位姿追踪精度进行判定,当精度符合要求时继续推进跟踪过程,而在目标跟踪结果出现异常时,则退出目标跟踪过程并重新求取空间碎片在特定位置时的位姿,将其作为新的初始位姿,以重启目标追踪过程。

2.3 空间碎片自主检测方法

在确定与空间碎片相对位置关系之前,需要在轨搜索、捕获被观测空间碎片目标,然后才能对其进行稳定跟踪[7]。本文从提高空间碎片自主检测的稳健性出发,在不依赖先验轨道信息的情况下,进行空间碎片的精确识别,提出的空间碎片自主检测和跟踪流程如图4所示。其中图像预处理的目的是将原始图像中的各物体从背景中分离出来,并进行质心定位,从而将图像中各物体简化为质心列表,以便进行后面的高精度姿态确定和初步恒星对象剔除等操作。通过从相机采集的原始图像中检测出所有感兴趣的对象,在主动星粗略姿态已测得的基础上进行恒星识别,进而推导出主动星的高精度姿态信息,并根据推导的主动星高精度姿态来确定捕获观测相机的精确指向,再结合恒星星表和相机成像模型进行初步恒星对象剔除操作。然后根据不同对象在图像中的运动轨迹差异将感兴趣的对象标识为恒星、空间碎片目标和相机热点等,进而从原始图像中检测出空间目标。

图4 空间碎片自主检测和跟踪流程Fig.4 Autonomous detection and tracking process

2.3.1 恒星对象剔除

在较远距离时,由于空间碎片目标和其他物体在图像中都呈亮点状,所以无法从图像中直接区分空间碎片目标与相机成像后的其他物体。因此,在主动星粗略姿态已测得的基础上进行恒星识别,进而推导出主动星的高精度姿态信息,利用推导的主动星高精度姿态信息来确定相机的精确指向,并根据恒星星表及相机的成像模型来进行初步恒星对象剔除。

2.3.2 基于运动轨迹差异的目标识别

在进行初步恒星对象剔除操作之后,其余未被识别的质心就是空间碎片目标以及其他可能的非恒星物体、未被识别的恒星和相机热点等。接下来,组合多张连续的图像,并提取各个未被识别物体的运动轨迹,可以通过运动轨迹差异清楚地区分空间碎片目标和其他物体,进而将空间碎片目标从图像中识别出来[8]。

1)重点关注目标对象的检测

首先,对原始图像中所有对象按照恒星、空间碎片目标以及相机热点分为3类。将所有感兴趣的重点对象称为簇,簇是一组连通的像素集合,其每个像素灰度值都超过阈值I,阈值I可以设置为常量或者根据背景和恒星的亮度进行动态调整。

然后在J2000惯性坐标系中通过赤经α和赤纬δ确定恒星的视线矢量为

(1)

恒星在相机坐标系下的视线矢量为

(2)

(3)

2)连续图像匹配关联

为了通过运动轨迹的差异来识别空间碎片目标,需要将两张连续图像中的簇进行匹配关联。通过定义相似性度量的方式来描述两张图像中簇的匹配相似程度,其具体公式为

(4)

式中:ωp和ωl分别为位置偏差和亮度偏差的权重;Δp(i,j)和Δl(i,j)分别为位置偏差和亮度偏差。

式(4)中位置偏差为

(5)

亮度偏差为

(6)

(7)

可通过分别设定阈值Δpmax和Δlmax的方式来判断连续两帧图像中簇的关联性。当Δp(i,j)>Δpmax或Δl(i,j)>Δlmax时,则S(i,j)=∞,即没有关联性。在两个簇实现匹配关联后,可以计算簇在图像中的平均移动速度,其公式可以表示为

(8)

式中:v(t)为前一帧图像中簇的平均移动速度;N为能够跟踪到簇的先前图像的数目。

3)目标判别

空间碎片目标为满足以下条件的簇:首先,空间碎片目标不能被标记为恒星或相机热点;其次,空间碎片目标的位置偏差与平均位置偏差差异最大,其平均位置偏差eavg可被定义为

(9)

结合空间碎片目标不是恒星也不是相机热点的特性,识别出的空间碎片目标Δpifixed应满足以下公式

(10)

式中:Imay为可能的空间碎片目标候选集。通过上述步骤即可完成空间碎片目标的精确识别。

2.4 空间碎片预测跟踪方法

本文以解决空间碎片目标近距离跟踪为目的,采用预测跟踪技术实现对空间碎片的自主跟踪。采用预测跟踪技术,可以通过保存的历史信息,对空间碎片目标的下一状态进行预测,进而实现跟踪,降低算法滞后造成的影响。当空间碎片目标脱离视场时,也可以通过预测跟踪算法估计出空间碎片目标的下一时刻可能出现的位置,在空间碎片目标重新出现时,再次及时地跟踪。同时,通过预测下一帧空间碎片目标出现的位置,可以调整空间碎片目标检测识别的作用范围,降低运行时间。对运动状态的预估可以快速及时的调整相机视野,达到准确跟踪的目的。

运动目标的空间位置随着时间的变化而改变,目标中心的移动轨迹是时间的函数,可以用一条曲线来表示。据此,可以用一个多项式函数来近似表达空间碎片目标在过去一段时间内的运动轨迹,从而预测估计空间碎片目标未来的位置。

空间碎片目标的中心坐标为(xc,yc),则以水平方向坐标x为例。考虑到空间碎片目标运动的复杂性,可通过N点平方预测算法使用二次多项式函数来拟合空间碎片目标运动轨迹,空间碎片目标中心位置坐标x(t)的最佳估计方程为

xq(t)=b0+b1t+b2t2

(11)

式中:b0,b1,b2是利用最小二乘法计算得到的最优系数。

根据前N帧图像空间碎片目标的中心坐标xi(t)(i=1,2…,N),由式(11)可以计算相对应的估计值xqi(t),则N点估计的方差为

(12)

利用最小二乘法原理,可以得到

(13)

将式(13)代入式(11)中,计算可得最小方差原则下xi(t)的N点轨迹最佳估计方程的通解,下一帧图像中的空间碎片目标中心位置的x坐标为

(14)

(15)

为了降低误差,通常选用轨迹中靠近当前时刻的前N帧的目标位置作为预测的依据。参数N可视为预测计算的步长,其值由系统的实际环境和要求决定。当空间碎片目标高速运动时,适当减小N,可及时对空间碎片目标的运动轨迹进行更新,并提高精度。

3 地面测试及在轨应用验证

根据高轨空间碎片捕获及观测系统验证要求,捕获及观测系统在地面测试阶段除了开展标定试验用于建立视线指向和基准境之间的关系外还开展了杂光保护试验、杂光抑制试验、观星测试以及星模联试工作。在轨实际应用环境下主要开展空间碎片捕获试验及惯性姿态测量功能验证。

3.1 杂光保护试验

1)太阳直射试验

NOPS正对着太阳、月球、地球时应具有保护能力。应能保证在太阳、月球、地球进入视场时,NOPS器件不损坏,并在1000s内给出杂光标志。当太阳、月球、地球移出视场后,NOPS应能恢复正常工作。图5为NOPS太阳直射试验,NOPS直射太阳3600s时给出强光干扰标志且太阳移出视场后成像一切正常。

图5 捕获及观测相机太阳直射试验Fig.5 Direct sunlight test of NOPS

2)杂光抑制试验

NOPS杂光抑制试验在暗室内完成,NOPS视场直视消光锥(模拟空间暗背景),两者通过平移支架连接一起至于转动平台上,太阳模拟器照射NOPS,通过调整转动平台模拟不同太阳照射角状态,拍摄NOPS在不同太阳照射角的图像,分析图像背景,获取对恒星识别无干扰的背景图像,其图像对应的太阳角度即为杂光抑制角。如图6所示,通过地面太阳模拟器照射试验,在设计的阳光抑制角外,捕获及观测相机在窗口跟踪模式正常工作。

图6 杂光抑制试验过程Fig.6 Stray light suppression test

3.2 地面观星测试

NOPS观星测试在兴隆国家天文台完成,在地面对不同天区成像,评估其恒星测姿基础功能,同时可以进行恒星测姿精度评估、视场测试、灵敏度评估以及星敏感器动态性能评估等多项测试。

3.3 星模联试

星模联试包括静态和动态星模联试以及电子星模联试。静态和动态星模联试是NOPS研制过程中整机测试项目,通过静态和动态图像模拟器模拟星空真实光学条件。经过验证,NOPS整机工作、图像获取及软件运行均正常。电子星模联试试验是NOPS研制过程中基础功能测试,主要用于验证NOPS软件工作能力、数据更新率,同时可以辅助进行通信验证和半物理试验验证。测试结果表明NOPS空间碎片捕获及恒星测姿功能正常。

3.4 在轨捕获、观测成像

NOPS随搭载卫星入轨后,针对空间碎片成功进行多次定点捕获、观测试验及快速跟踪应用,其中一次是以1998年发射的某高轨废弃卫星衍生的空间碎片为目标,完成捕获、观测成像,工作过程及详细信息见图7、图8。其中图7的纵坐标即空间碎片能量是辐照强度,计量单位是μW/cm2。

图7 空间碎片捕获过程能量分布曲线Fig.7 Energy distribution curve in discovery process

图8 高轨空间碎片和不明目标(最亮目标)Fig.8 High orbit abandoned satellites debris and unknown target(the brightest target)

在该次捕获及观测过程起始段,NOPS图像中有两个非恒星强亮光目标,其中一个为某高轨废弃卫星衍生的空间碎片,另一个为不确定强光目标。遥测数据包显示四元素信息有效,自检结果正常,即捕获了某高轨废弃卫星衍生的空间碎片。

3.5 目标稳定跟踪测量验证

直至卫星轨道机动,某高轨废弃卫星衍生的空间碎片退出相机视场之后,NOPS进行了强光目标跟踪,期间卫星进行多次大角度转向,NOPS一直均能捕获强光为空间碎片。在稳定跟踪近5min后退出空间碎片跟踪,仍能重新捕获该目标。如图9,根据连续时间间隔数据差分可知:在卫星姿态变化最大角速度时,NOPS能够稳定跟踪某高轨废弃卫星衍生的空间碎片,此速度变化条件下,空间碎片目标移动范围在预定跟踪窗口内,不影响空间碎片目标的稳定跟踪。

图9 捕获及观测相机连续跟踪空间碎片视线角变化曲线Fig.9 Line of sight angle curve of abandoned satellite debris in NOPS continuous tracking

3.6 小结

综合地面及长期在轨实际应用环境测试结果,当太阳照射目标角度满足捕获及观测系统能量探测需求且位于相机视场内时,能够全程完成空间碎片捕获,输出有效方位信息。当太阳光、地气光在30°抑制角之外且不存在其它近相机强光反射时,捕获及观测系统能够输出空间碎片正常惯性姿态测量信息。

4 结束语

本文所介绍的基于新型捕获、观测相机的全自主高轨空间碎片捕获、观测及跟踪系统,依据恒星惯性空间位置不变性,通过连续帧图像数据比对实现恒星目标和非恒星目标分离,完成空间碎片目标识别。经过在轨长期验证,已成功完成对高轨空间碎片的捕获、观测与跟踪任务。作为应用于高轨空间实施中远距离空间碎片捕获的全自主双体制模式探测系统,在兼顾空间碎片目标捕获、观测的基础上,同时还具备恒星测姿功能,经过地面及在轨验证表明:在对高轨空间碎片跟踪过程中四元素结果稳定,恒星测姿结果稳定,相关成果可广泛应用于高轨道碎片目标特别是地球同步轨道空间废弃卫星衍生碎片的观测跟踪与治理任务。