一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方法，利用單目監(jiān)視相機(jī)連續(xù)成像拍攝返回式航天器與服務(wù)艙分離的圖像序列，將圖像序列按照從分離前至完成分離的時(shí)間先后順序進(jìn)行人工排序并進(jìn)行畸變校正，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行色彩分割、物體邊緣檢測(cè)、獲取邊緣，得到分離速度。該測(cè)量方法利用重量較輕的監(jiān)視相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一種較為簡(jiǎn)便的返回式航天器在軌分離速度測(cè)量。
【專利說(shuō)明】
一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及返回式航天器在分離時(shí)刻的分離速度測(cè)量方法，具體為利用經(jīng)過(guò)標(biāo)定 的單目監(jiān)視相機(jī)，實(shí)現(xiàn)在分離時(shí)刻的相對(duì)速度測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)航天器分離速度測(cè)量主要依賴于雷達(dá)測(cè)量或者激光測(cè)距儀。在地面使用雷達(dá) 進(jìn)行相對(duì)速度測(cè)量時(shí)，在航天器中安裝激光測(cè)距儀進(jìn)行連續(xù)距離測(cè)量時(shí)能夠獲得較高的精 度，但激光測(cè)距儀設(shè)備復(fù)雜、占用資源多、費(fèi)效比低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是利用單目監(jiān)視相機(jī)，在深空背景環(huán)境中對(duì)返回式航天器 (以下簡(jiǎn)稱為"返回器"）分離過(guò)程進(jìn)行拍攝，得到精確的相對(duì)分離速度。
[0004] 本發(fā)明提出的一種用于返回式航天器（返回器）的分離速度測(cè)量方法，包括以下 步驟：
[0005] 1)利用單目監(jiān)視相機(jī)連續(xù)成像拍攝返回式航天器與服務(wù)艙分離的圖像序列；
[0006] 2)圖像序列按照從分離前至完成分離的時(shí)間先后順序進(jìn)行排序并通過(guò)單目監(jiān)視 相機(jī)畸變標(biāo)定的參數(shù)校正圖像畸變；
[0007] 3)對(duì)圖像進(jìn)行色彩分割，將返回式航天器與深空背景分離；
[0008] 4)通過(guò)canny算子對(duì)步驟3)獲得的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，用于獲得返回式航天器邊 緣，以便計(jì)算返回式航天器長(zhǎng)軸在像面的長(zhǎng)度；
[0009] 5)根據(jù)所提取的返回式航天器的邊緣進(jìn)行霍夫變換獲得返回式航天器底面橢圓 形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度；
[0010] 6)根據(jù)步驟5)獲得的橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，通過(guò)小孔模型計(jì)算出每張圖像對(duì)應(yīng)的返 回式航天器與相機(jī)的距離；
[0011] 7)根據(jù)步驟2)所得到圖像序列以及步驟6)獲得的每張圖像對(duì)應(yīng)的返回式航天器 與相機(jī)的距離，通過(guò)最小二乘法擬合，得到分離速度。
[0012] 本發(fā)明提出的測(cè)量方法利用重量較輕的監(jiān)視相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一種較為簡(jiǎn)便的返回式 航天器在軌分離速度測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是返回器分離過(guò)程圖像；圖1(a)-(v)為分離過(guò)程圖像手動(dòng)排序的序列圖；
[0014] 圖2是返回器與深空背景顏色分割圖；
[0015] 圖3是返回器底面橢圓形邊緣提取示意圖；
[0016] 圖4是通過(guò)霍夫變換獲得返回器底面橢圓形結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖5是返回器分離速度擬合結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0019] 對(duì)于安裝在服務(wù)艙上的拍攝返回式航天器（返回器）圖像所用的單目監(jiān)視相機(jī)的 要求如下：
[0020] (1)單目監(jiān)視相機(jī)分辨率至少需要達(dá)到640*480像素。
[0021] (2)單目監(jiān)視相機(jī)安裝要求在分離過(guò)程中，至少有2幀圖像能夠完整覆蓋返回器。 相機(jī)的光軸指向需要指向分離場(chǎng)景的中心處。為了實(shí)現(xiàn)完整覆蓋，相機(jī)視場(chǎng)角需要滿足以 下算式：
[0022] 2arctan (D/2/(L〇+vsnt)) < 9 < 2arctan (D/2/(L〇+vs (n+1) t)) (0.1)
[0023] 其中0為所需要的相機(jī)視場(chǎng)角，D為分離場(chǎng)景的最大包絡(luò)直徑，L。為未分離時(shí)刻 分離場(chǎng)景中心與相機(jī)的距離，v s為分離速度，t為連續(xù)拍攝間隔時(shí)間，n為第n幀拍攝到的 分離圖像。滿足式（〇. 1)即滿足了在分離過(guò)程中2幀圖像能夠完整覆蓋返回器。
[0024] (3)單目監(jiān)視相機(jī)需要經(jīng)過(guò)畸變標(biāo)定，通過(guò)畸變標(biāo)定確定參數(shù)，以用來(lái)校正返回器 圖像的畸變?；兊臄?shù)學(xué)模型如式所示：
[0025] 8 x= k iX (x2+y2) + (Pi (3x2+y2) +2p2xy) +Si (x2+y2)
[0026] 8 y= k 2x (x2+y2) + (p2 (3x2+y2) +2piXy) +s2 (x2+y2) (0? 2)
[0027] 其中S ^ x方向的畸變，S $ y方向的畸變，k p k2, Pl，p2, Sl，s2為測(cè)得的畸變 參數(shù)。通過(guò)畸變校正的圖像符合相機(jī)成像小孔模型，該模型在本算法中用于求解返回器與 相機(jī)的距離。
[0028] 返回器實(shí)體應(yīng)該滿足以下要求：
[0029] 1?返回器底部為正圓形。
[0030] 2.返回器底部在正常曝光拍攝時(shí)，獲取的圖像與深空背景有明確的區(qū)分，即獲得 的返回器底部圖像與深空背景的DN值差異大于40。
[0031] 拍攝時(shí)需保證曝光時(shí)間使返回器的最大外輪廓可以在圖像中提取。
[0032] 對(duì)返回式航天器分離速度進(jìn)行測(cè)量的主要步驟如下：
[0033] 第一步，利用單目監(jiān)視相機(jī)連續(xù)成像拍攝返回器與服務(wù)艙分離的圖像序列，如圖1 所示，該序列經(jīng)過(guò)手動(dòng)排序。
[0034] 第二步，圖像序列按照從分離前至完成分離的時(shí)間先后順序進(jìn)行排序并進(jìn)行畸變 校正，以使畸變校正的圖像符合相機(jī)成像小孔模型。
[0035] 第三步，對(duì)圖像進(jìn)行色彩分割，將返回器與深空背景分離，色彩分割采用的算法如 式（〇. 3)所示： , \Kx,y) (i(x,y)>T)
[0036] I(x,y) = i { 255 (i(x,y)<T) (〇? 3)
[0037] T為分割閾值，根據(jù)在軌拍攝情況選擇合適的分割值，該值計(jì)算方法如所示：
[0038] T = (Aspace+Aprobe)/2 (0. 4)
[0039] 其中Asp_為深空背景的平均DN值，A p-為返回器的平均DN值。
[0040] 以某返回航天器為例，對(duì)圖像進(jìn)行色彩分割，閾值取128,分割結(jié)果如圖2所示
[0041] 其中I (x，y)是（x，y)點(diǎn)處色彩分割后結(jié)果圖像，i (x，y)是（x，y)點(diǎn)處的原始圖 像。如果是彩色圖像，則i (x，y)的計(jì)算方法如式（0. 5)所示：
[0042] i (x，y) = (R(x，y)+G(x，y)+B(x，y))/3 (0. 5)
[0043] R表示紅色通道DN值，G表示綠色通道DN值，B表示藍(lán)色通道DN值。
[0044] 第四步，物體邊緣檢測(cè)：通過(guò)canny算子（Canny算子邊緣檢測(cè)是一組標(biāo)準(zhǔn)方法） 對(duì)上一步的結(jié)果圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，用于獲得返回器邊緣，邊緣提取如圖3所示，以便計(jì)算 返回器直徑（長(zhǎng)軸）在像面的長(zhǎng)度。
[0045] 第五步，根據(jù)所提取邊緣返回器的邊緣進(jìn)行霍夫變換（霍夫變換是一組標(biāo)準(zhǔn)方 法）獲橢圓信息，即獲取返回器底面橢圓形結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，如圖4所示。
[0046] 第六步，根據(jù)步驟五獲得的橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，通過(guò)小孔模型計(jì)算出每張圖像對(duì)應(yīng) 的返回器與相機(jī)的距離，如式所示：
[0047] r = Dphyf/Nd (0? 6)
[0048] 分離監(jiān)視相機(jī)焦距為f，像元尺寸為d，返回器底面圓盤(pán)直徑為N個(gè)像素，d為像元 尺寸，D phy為返回器底面圓盤(pán)的物理尺寸，r即為返回器與相機(jī)的距離。
[0049] 第七步，根據(jù)步驟二所得到圖像序列及步驟六獲得的每張圖像對(duì)應(yīng)的返回器與相 機(jī)的距離，通過(guò)最小二乘法擬合，得到分離速度，如圖5所示。
[0050] 設(shè)連續(xù)成像時(shí)圖像拍攝時(shí)刻為t = (tptytj，對(duì)應(yīng)的每張圖像所獲得返回器與 相機(jī)的距離為r = (rl，r2…rn)，則分離速度V如式（0.7)所示 ：
[0052] 本發(fā)明中未說(shuō)明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 利用單目監(jiān)視相機(jī)連續(xù)成像拍攝返回式航天器與服務(wù)艙分離的圖像序列； 2) 圖像序列按照從分離前至完成分離的時(shí)間先后順序進(jìn)行排序并通過(guò)單目監(jiān)視相機(jī) 畸變標(biāo)定的參數(shù)校正圖像畸變； 3) 對(duì)圖像進(jìn)行色彩分割，將返回式航天器與深空背景分離； 4) 通過(guò)canny算子對(duì)步驟3)獲得的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，用于獲得返回式航天器邊緣， 以便計(jì)算返回式航天器長(zhǎng)軸在像面的長(zhǎng)度； 5) 根據(jù)所提取的返回式航天器的邊緣進(jìn)行霍夫變換獲得返回式航天器底面橢圓形結(jié) 構(gòu)的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度； 6) 根據(jù)步驟5)獲得的橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，通過(guò)小孔模型計(jì)算出每張圖像對(duì)應(yīng)的返回式 航天器與相機(jī)的距離； 7) 根據(jù)步驟2)所得到圖像序列以及步驟6)獲得的每張圖像對(duì)應(yīng)的返回式航天器與相 機(jī)的距離，通過(guò)最小二乘法擬合，得到分離速度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方法，其特征在于， 步驟3)所述的色彩分割的方法如下：T為分割閾值，根據(jù)在軌拍攝情況選擇合適的分割值，該值計(jì)算方法： T = (Aspace+Aprobe) /2 (2)， 其中Asp_為深空背景的平均DN值，A prab^返回式航天器的平均DN值， 其中I (X，y)是（X，y)點(diǎn)處色彩分割后結(jié)果圖像，i (X，y)是（X，y)點(diǎn)處的原始圖像； 如果是彩色圖像，則i (X，y)的計(jì)算方法： i(x.y) = (R(x, y)+G(x, y)+B(x, y))/3 (3)， 其中R表示紅色通道DN值，G表示綠色通道DN值，B表示藍(lán)色通道DN值； 步驟6)中當(dāng)返回式航天器底面圓盤(pán)直徑為N個(gè)像素時(shí)，所述的返回式航天器距離相機(jī) 光心的距離： r = Dphyf/Nd (4) 其中r為返回式航天器底面距離相機(jī)光心的距離，d為像元尺寸，Dphy為返回式航天器 底面圓盤(pán)的物理尺寸，f分離監(jiān)視相機(jī)焦距為； 步驟7)中，當(dāng)連續(xù)成像時(shí)圖像拍攝時(shí)刻為t= (tpV-O，對(duì)應(yīng)的每張圖像所獲得返 回式航天器與相機(jī)的距離為r = (Γι，巧…rn)，則分離速度V :3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任一權(quán)利要求所述的一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方 法，其特征在于，所述的單目監(jiān)視相機(jī)滿足以下要求： 單目監(jiān)視相機(jī)分辨率至少需要達(dá)到640*480像素； 單目監(jiān)視相機(jī)安裝要求在分離過(guò)程中，至少有2幀圖像能夠完整覆蓋返回式航天器； 單目監(jiān)視相機(jī)經(jīng)過(guò)畸變標(biāo)定，確定用以校正圖像畸變的相關(guān)參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方法，其特征在于， 相機(jī)視場(chǎng)角滿足以下要求，以實(shí)現(xiàn)至少有2幀圖像能夠完整覆蓋返回式航天器： 2arctan (D/2/(L〇+vsnt)) < θ < 2arctan (D/2/(L〇+vs (n+1) t)) (6)， 其中Θ為所需要的相機(jī)視場(chǎng)角，D為分離場(chǎng)景的最大包絡(luò)直徑，L。為未分離時(shí)刻分離 場(chǎng)景中心與相機(jī)的距離，Vs為分離速度，t為連續(xù)拍攝間隔時(shí)間，η為第η幀拍攝到的分離 圖像； 所述的單目相機(jī)畸變方法為： δ x= k iX (x2+y2) + (P1 (3x2+y2) +2p2xy) +S1 (x2+y2) δ y = k 2x (x2+y2) + (p2 (3x2+y2) +2p!xy) +s2 (x2+y2) (7)， 其中S 方向的畸變，δ 方向的畸變，k p2，Sl，s2為測(cè)得的畸變參數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任一權(quán)利要求所述的一種用于返回式航天器的分離速度測(cè)量方 法，其特征在于，獲得的返回式航天器底部圖像與深空背景的DN值差異大于40。
【文檔編號(hào)】G01P3/68GK105891535SQ201510036002
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日
【發(fā)明人】薛博, 顧征, 張伍, 彭兢, 鄧湘金, 鄒昕, 陳麗平, 王彤, 溫博
【申請(qǐng)人】北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部