CN103075971A

CN103075971A - 一种空间目标主体长度测量方法

Info

Publication number: CN103075971A
Application number: CN2012105932037A
Authority: CN
Inventors: 张天序; 左芝勇; 肖聪; 尹卓; 詹丽娟; 吴惠平; 朱生国; 周钢
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: CN103075971B

Abstract

本发明属于航天技术与计算机视觉交叉领域，具体涉及一种空间目标主体长度测量的方法，该方法尤其适用于空间卫星的长度测量。本发明利用空间目标的轨道根数在STK中仿真得到空间目标的坐标；然后根据空间目标的坐标和观测站的坐标得到空间目标的侧投影长度；最后以观测站，空间目标及地心三者的相对位置为基础，得到卫星主体的实际长度。本发明方法结合STK仿真软件可以较准确的计算出空间目标主体的长度(其误差小于8％)，从而提高地基观测系统对空间目标观测的性能和效能。

Description

一种空间目标主体长度测量方法

技术领域

本发明属于航天技术与计算机视觉交叉领域，具体涉及一种空间目标主体长度测量的方法，该方法尤其适用于空间卫星主体的长度测量。

背景技术

美国、俄罗斯、欧盟等航天大国发射了大量的侦察卫星、通信卫星、全球定位卫星等，对我国国家安全构成极大威胁。对非合作空间卫星进行地基光电观察，分析并研究其结构与功能，具有重要的军事价值。空间目标的功能可由其结构推断估计出来，因此获得良好的空间目标图像并重建其三维结构是达到上述目的的必由之路。由于地基望远镜系统的空间分辨率限制、大气环境对长距离光学成像的随机干扰以及成像过程中还存在大气湍流的影响，使得地基传感器获取图像品质严重下降，导致图像的品质不能满足结构详查、功能判别的基本要求。因此，必须开展旨在提高图像品质、超分辨率处理和三维重建方法的研究，提取特征、挖掘地基望远系统获取的序列图像中的隐含信息，提高地基观测系统对空间目标观测的性能和效能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种空间目标主体长度测量方法，该方法利用待测空间目标的图像信息测量空间目标主体的尺寸。

本发明提供的一种空间目标主体长度测量方法，包括下述步骤：

(1)由输入的待测空间目标的图像即待测图像中得到目标成像时刻t；

(2)根据空间目标的类型索引得到该空间目标的轨道根数；

(3)对待测图像进行预处理，包括图像去噪和图像校正；

(4)获取空间目标时刻t的空间位置坐标(x_t，y_t，z_t)；

(5)计算空间目标主体在空间中侧投影的尺寸L，单位为米；

(6)计算空间目标的实际长度l，单位为米：

l = \frac{L}{\cos α}

其中，

\cos α = \frac{h_{1}^{2} + h_{2}^{2} - h_{3}^{2}}{2 h_{1} h_{2}}

h_{1} = \sqrt{{(x_{t} - x_{m})}^{2} + {(y_{t} - y_{m})}^{2} + {(z_{t} - z_{m})}^{2}}

h_{2} = \sqrt{x_{t}^{2} + y_{t}^{2} + z_{t}^{2}}

h_{3} = \sqrt{x_{m}^{2} + y_{m}^{2} + z_{m}^{2}} .

本发明方法主要是针对空间目标的主体进行长度分析，利用空间目标的轨道根数在STK中仿真得到空间目标的坐标；然后根据空间目标的坐标和观测站的坐标得到空间目标的侧投影长度；最后以观测站，空间目标及地心三者的相对位置为基础，得到卫星主体的实际长度。本发明方法结合STK仿真软件可以较准确的计算出空间目标主体的长度(其误差小于8％)，从而提高地基观测系统对空间目标观测的性能和效能。

附图说明

图1是本发明的空间目标的主体长度测量基本流程图；

图2是STK二次开发流程图；

图3是STK场景轨道仿真软件示意图；

图4是空间目标主体的测投影尺寸测量原理图；

图5是空间目标主体的实际长度测量示意图；

图6，图9，图12是实拍的天宫一号图退化图像；

图7，图10，图13是校正后的天宫一号图像；

图8，图11，图14是天宫一号主体长度测量结果图；

图15，图18，图21是实拍的长曲3号退化图像；

图16，图19，图22是校正后的长曲3号图像；

图17，图20，图23是长曲3号主体长度测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明主要讲述空间目标主体的长度测量，下面以空间卫星为例，结合图1说明本发明方法的具体实现步骤：

(1)由输入的待测图像中得到目标成像时刻t。

待测图像为待测空间目标的图像，根据待测图像的拍摄数据格式中，直接读取目标成像时刻t。

(2)根据空间目标的类型从轨道数据库中索引得到相应空间目标的轨道根数；

轨道数据库是以空间目标的类型为索引建立的数据库，该数据库主要包含两个属性，主键为空间目标的类型，另一个属性为轨道根数。采用数据库的查询功能可以得到该空间目标的轨道根数。

轨道根数可以通过STK仿真软件(美国Analytical Graphics公司开发的卫星工具包软件，其二次开发流程如图2所示)进行仿真验证，并将仿真轨迹成像结果与实际拍摄结果进行比对，以验证轨道数据的有效性。

如长曲棍球3(25017)在2010年1月24日的轨道根数模拟其在轨场景，轨道根数如下所示：

125017U 10024.00000000 .00000088 00000-0 50662-5 0 000002 25017 57.0107 253.9158 0003558 93.2642 181.9245 14.7160839100000

地面站的位置为：经度100.1°，纬度26.6°，高度3000米。场景轨道仿真结果如图3所示。

(3)对输入的待测图像进行预处理；

空间目标成像测量数据噪声很大、信噪比低，而且模糊严重。因此在对成像数据进行后续处理之前，必须首先对成像数据进行预处理，即首先对成像数据进行去噪，随后针对成像数据的特点，利用有效的校正算法对空间目标图像进行图像恢复处理。对于实测图像的预处理技术的算法种类有很多，主要包括去噪算法和校正算法。其中，去噪算法通过建立空间目标图像噪声模型，去除图像噪声，从而减小噪声对校正算法的影响。

(4)获取空间目标时刻t时的空间位置坐标(x_t，y_t，z_t)；

根据(2)获得的轨道根数，利用STK仿真软件模拟空间目标在轨场景，导出空间目标各个时刻的位置坐标，从中获得t时刻的空间位置坐标(x_t，y_t，z_t)。

(5)计算空间目标主体在空间中侧投影的尺寸L；

从待测图像获取目标主体的像元长度n，利用步骤(4)得到的t时刻空间目标的空间坐标(x_t，y_t，z_t)和已知的观测站位置坐标(x_m，y_m，z_m)计算出空间目标在空间中t时刻的侧投影尺寸L。

图4中，R表示t时刻空间目标到观测站的距离，即为

R = \sqrt{{(x_{t} - x_{m})}^{2} + {(y_{t} - y_{m})}^{2} + {(z_{t} - z_{m})}^{2}},

单位为米，β表示待测图像的像元角，β的值由拍摄相机属性确定。

根据需要，我们要从待测图像中获取目标主体的像元长度n，再结合t时刻空间目标到观测站的距离R，根据如下尺寸计算公式进行测量。

估算空间目标主体在空间中侧投影的尺寸L，单位为米：

L = \frac{n \times β \times π \times R \times 1000}{3600 \times 180}

(6)根据空间目标，观测站和地心的空间几何关系，计算实际空间目标的长度l。

由于空间目标的主体所在轴线一直与地心垂直，通过这样的先验知识可以给出测量卫星主体长度的示意图，如图5所示。

在卫星主体，观测站，地心形成的三角形中，可以计算的：

\cos α = \frac{h_{1}^{2} + h_{2}^{2} - h_{3}^{2}}{{2 h}_{1} h_{2}}

其中：

h_{1} = \sqrt{{(x_{t} - x_{m})}^{2} + {(y_{t} - y_{m})}^{2} + {(z_{t} - z_{m})}^{2}}

h_{2} = \sqrt{x_{t}^{2} + y_{t}^{2} + z_{t}^{2}}

h_{3} = \sqrt{x_{m}^{2} + y_{m}^{2} + z_{m}^{2}}

在卫星主体成像面中有：

lcosα＝L

即得卫星主体正投影的尺寸l估算：

l = \frac{L}{\cos α}

在卫星的成像面中，L可以依据上述公式获得，最终求得卫星主体的长度l。

实例：

为了验证本发明方法的有效性，实例中使用天空一号和长曲3号卫星。

本实例中，去噪算法选用小波去噪算法，校正算法选用最大似然估计算法(MAP)，待测图像的像元角β为0.029。

注：在说明书附图中a表示卫星主体实际长度，即前文中的l。天宫一号的主体实际长度为10.4米；长曲3号的主体长度约为6米。

在图8中，天宫一号主体长度a为10.0，其相对误差为3.84％。

在图11中，天宫一号主体长度a为9.81，其相对误差为5.67％。

在图14中，天宫一号主体长度a为11.02，其相对误差为5.96％。

在图17中，长曲3号的主体长度a为5.54米，相对误差为7.66％。

在图20中，长曲3号的主体长度a为6.31米，相对误差为5.16％。

在图23中，长曲3号的主体长度a为5.76米，相对误差为4.0％。

通过分析知道误差主要由于图像中提取图像像元的长度及求解假设(卫星主体与地心，观测点三者在同一平面)三者导致的。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种空间目标主体长度测量方法，包括下述步骤：

(2)根据空间目标的类型索引得到该空间目标的轨道根数；

(3)对待测图像进行预处理，包括图像去噪和图像校正；

(4)获取空间目标时刻t的空间位置坐标(x_t，y_t，z_t)；

(5)计算空间目标主体在空间中侧投影的尺寸L，单位为米；

(6)计算空间目标的实际长度l，单位为米：

l = \frac{L}{\cos α}

其中，

\cos α = \frac{h_{1}^{2} + h_{2}^{2} - h_{3}^{2}}{{2 h}_{1} h_{2}}

h_{1} = \sqrt{{(x_{t} - x_{m})}^{2} + {(y_{t} - y_{m})}^{2} + {(z_{t} - z_{m})}^{2}}

h_{2} = \sqrt{x_{t}^{2} + y_{t}^{2} + z_{t}^{2}}

h_{3} = \sqrt{x_{m}^{2} + y_{m}^{2} + z_{m}^{2}} .

2.根据权利要求1所述的空间目标主体长度测量方法，其特征在于，

步骤(4)具体为：根据步骤(2)获得的轨道根数，利用STK仿真软件模拟空间目标在轨场景，导出空间目标各个时刻的位置坐标，从中获得t时刻的空间位置坐标(x_t，y_t，z_t)。

3.根据权利要求1或2所述的空间目标主体长度测量方法，其特征在于，步骤(5)具体为：从待测图像获取目标主体的像元长度n，利用步骤(4)得到的t时刻空间目标的空间坐标(x_t，y_t，z_t)和已知的观测站位置坐标(x_m，y_m，z_m)计算出空间目标在空间中t时刻的侧投影尺寸：

L = \frac{n \times β \times π \times R \times 1000}{3600 \times 180}

R表示时刻t空间目标到观测站的距离，

R = \sqrt{{(x_{t} - x_{m})}^{2} + {(y_{t} - y_{m})}^{2} + {(z_{t} - z_{m})}^{2}},

单位为米，β表示待测图像的像元角。