專利名稱：一種用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，屬于空間光學(xué)成像敏感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在奔火、環(huán)火弧段均需要對(duì)火星等其他深空探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行拍照并確定火星矢量指向。由于太陽(yáng)光照、軌道位置等制約火星圖像將出現(xiàn)類似月球的晨昏線，此時(shí)用于火星中心矢量擬合的點(diǎn)若使用了晨昏線點(diǎn)將直接影響到定位精度，必須在擬合過(guò)程中判斷出晨昏線點(diǎn)并且進(jìn)行排除，因此必須設(shè)計(jì)晨昏線判斷方法。文獻(xiàn)1，李正，晨昏線的判定，中學(xué)政史地教學(xué)指導(dǎo)版，2011 (5)，對(duì)晨昏線的概念、特點(diǎn)、分類、運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了描述和說(shuō)明，但未對(duì)晨昏線成像模型及識(shí)別方法進(jìn)行研究；文獻(xiàn)2，楊艷華，巧用晨昏線判斷太陽(yáng)直射點(diǎn)，新課程(中學(xué)版)，2010(3)，針對(duì)地球晨昏線的位置特點(diǎn)，研究了太陽(yáng)直射地球緯度的確定方法。上述文獻(xiàn)均未解決從成像角度進(jìn)行晨昏線的識(shí)別與判斷問(wèn)題，無(wú)法用于深空探測(cè)成像敏感器目標(biāo)天體中心矢量的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，解決了深空探測(cè)目標(biāo)天體中心矢量高精度測(cè)量問(wèn)題。本發(fā)明技術(shù)方案一種用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，實(shí)現(xiàn)步驟為(I)目標(biāo)天體圖像的邊緣提取，使用傳統(tǒng)邊緣算子法進(jìn)行邊緣點(diǎn)提取；(2)計(jì)算天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)的梯度大?。?3)從0°開(kāi)始以90°弧段為單位，每間隔30°進(jìn)行一次弧段選擇，并計(jì)算該90°弧段內(nèi)所含有邊緣點(diǎn)梯度大小的均值，對(duì)所有弧段進(jìn)行梯度均值排序，選擇均值最小的弧段作為晨昏線候選弧段，同時(shí)將晨昏候選弧段正的90°弧段選擇為邊緣候選弧段；(4)對(duì)上述晨昏候選弧段、邊緣候選弧段分別進(jìn)行圓擬合，若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差小于等于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個(gè)像元)，則說(shuō)明目標(biāo)天體成像中沒(méi)有晨昏線，將目標(biāo)天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)進(jìn)行重新擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置；若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差大于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個(gè)像元)，則進(jìn)行所述圓擬合誤差比較，若晨昏線候選弧段圓擬合誤差大于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則說(shuō)明目標(biāo)天體圖像存在晨昏線且位置在候選弧段附近，此時(shí)將邊緣候選弧段在起始端點(diǎn)、終止端點(diǎn)分別延伸30°將原來(lái)90°弧段延長(zhǎng)形成150°的邊緣點(diǎn)重新進(jìn)行擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置；若晨昏線候選弧段圓擬合誤差小于等于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則轉(zhuǎn)入步驟(5)進(jìn)行晨昏線補(bǔ)充判斷；(5)晨昏線補(bǔ)充判斷，按照步驟(3)的弧段劃分方法，以90°弧段為單位，進(jìn)行所有弧段進(jìn)行圓擬合并記錄擬合誤差，擬合輸出中心位置點(diǎn)坐標(biāo)(Xi,Yi)，對(duì)XY坐標(biāo)分別進(jìn)行排序選擇中間值(Xm，Ym)設(shè)為O點(diǎn)，距離O點(diǎn)最遠(yuǎn)的輸出中心位置點(diǎn)(Xp γρ對(duì)應(yīng)的擬合弧段為晨昏候選弧段，選擇其正對(duì)的弧段為邊緣候選弧段，將邊緣候選弧段在起始端、終止端分別擴(kuò)張30°形成150°的邊緣點(diǎn)重新進(jìn)行擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置。所述步驟(2)中計(jì)算天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)的梯度大小如下Gradx (x, y) = f (χ+λ，y)+f (χ+λ-1，y) + …+f (χ, y) - [f (χ-l, y)+f (χ-2, y)+…+f (x- λ , y)]Grady (χ, y) = f (χ, y+λ )+f (χ, y+λ-I) + …+f (χ, y) - [f (χ, y-1)+f (χ, y-2)+...+f (χ, y-λ)] Grad = sqrt (Gradx2+Grady2)其中Gradx代表X方向梯度,Grady代表Y方向梯度,Grad代表總梯度大小，f (X，y)代表圖像中(x，y)像素灰度，χ為天體圖像橫坐標(biāo)、y為天體圖像縱坐標(biāo)，上述λ代表梯度計(jì)算長(zhǎng)度取值為3 5，sqrt為求均方符號(hào)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)為(I)空間目標(biāo)的晨昏線若不進(jìn)行判斷并剔除則將直接影響目標(biāo)天體圖像中心位置的擬合精度，本發(fā)明解決了行星際探測(cè)中目標(biāo)天體晨昏線判斷的問(wèn)題，通過(guò)晨昏線判斷找到真正的邊緣點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)天體中心位置擬合，提升了天體圖像目標(biāo)中心的定位精度(由1°誤差提聞提升到O. 05° )。(2)本發(fā)明為高魯棒性(適用于不同星相)、高刷新率(優(yōu)于O. 5Hz)、高精度(優(yōu)于O. 05° )導(dǎo)航天體敏感器的研制具有重要工程使用價(jià)值。


圖I為深空天體目標(biāo)圖像的示意圖；圖2為本發(fā)明步驟(3)的弧段選擇圖；圖3為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖I所示為輸入的目標(biāo)天體圖像，因?yàn)樘?yáng)照射及敏感器拍攝位置引起的目標(biāo)天體圖像(a，b均存在晨昏線c不存在晨昏線)，存在晨昏線的目標(biāo)天體圖像顯然無(wú)法直接由其360°的邊緣點(diǎn)擬合出中心位置。如圖3所示，本發(fā)明具體實(shí)施步驟如下(I)目標(biāo)天體圖像的邊緣提取，使用閾值法對(duì)目標(biāo)天體圖像進(jìn)行分割，然后使用切線法提取天體圖像的邊緣點(diǎn)；(2)計(jì)算邊緣點(diǎn)梯度大小，計(jì)算目標(biāo)天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)的梯度大小如下Gradx (x, y) = f (χ+λ，y)+f (χ+λ-1，y) + …+f (χ, y) - [f (χ-l, y)+f (χ-2, y)+…+f (x- λ , y)]
Grady (x, y) = f (x, y+λ )+f (χ, y+λ-I) + …+f (χ, y) - [f (χ, y-1)+f (χ, y-2)+...+f (χ, y-λ)]Grad = sqrt (Gradx2+Grady2)其中Gradx代表X方向梯度,Grady代表Y方向梯度,Grad代表總梯度大小，f (X，y)代表圖像中(x，y)像素灰度，χ為天體圖像橫坐標(biāo)、y為天體圖像縱坐標(biāo)，上述λ代表梯度計(jì)算長(zhǎng)度取值為3 5，sqrt為求均方符號(hào)。(3)候選弧段選擇，如圖2所示從0°開(kāi)始以90°弧段為單位，每間隔30°進(jìn)行一次弧段選擇，逆時(shí)針第I個(gè)弧段為
，第2弧段為[30° 120° ]以此類推共12個(gè)弧段，其中第12個(gè)弧段為[330° 420° ]，正對(duì)關(guān)系為I弧段對(duì)7弧段，2弧段對(duì)8弧段，3弧段對(duì)9弧段，4弧段對(duì)10弧段，5弧段對(duì)11弧段，6弧段對(duì)12弧段。
計(jì)算該90°弧段內(nèi)所含有邊緣點(diǎn)梯度大小的均值，對(duì)所有弧段進(jìn)行梯度均值排序，選擇均值最小的弧段作為晨昏線候選弧段，同時(shí)將晨昏候選弧段正對(duì)的90°弧段選擇為邊緣候選弧段；(4)擬合判斷對(duì)上述晨昏候選弧段、邊緣候選弧段分別進(jìn)行圓擬合，若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差小于等于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個(gè)像元)，則說(shuō)明目標(biāo)天體成像中沒(méi)有晨昏線，將目標(biāo)天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)進(jìn)行重新擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置；若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差大于設(shè)定閾值(一般選擇為O. 2 3個(gè)像元)，則進(jìn)行所述圓擬合誤差比較，若晨昏線候選弧段圓擬合誤差大于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則說(shuō)明目標(biāo)天體圖像存在晨昏線且位置在候選弧段附近，此時(shí)將邊緣候選弧段在起始端點(diǎn)、終止端點(diǎn)分別延伸30°將原來(lái)90°弧段延長(zhǎng)形成150°的邊緣點(diǎn)重新進(jìn)行擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置；若晨昏線候選弧段圓擬合誤差小于等于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則轉(zhuǎn)入步驟(5)進(jìn)行晨昏線補(bǔ)充判斷；(5)晨昏線補(bǔ)充判斷按照步驟(3)的弧段劃分方法，以90°弧段為單位，進(jìn)行所有弧段進(jìn)行圓擬合并記錄擬合誤差，擬合輸出中心位置點(diǎn)坐標(biāo)(Xi, Yi),對(duì)XY坐標(biāo)分別進(jìn)行排序選擇中間值(xm，Yffl)設(shè)為O點(diǎn)，距離O點(diǎn)最遠(yuǎn)的輸出中心位置點(diǎn)(Xj，Yj)對(duì)應(yīng)的擬合弧段為晨昏候選弧段，選擇其正對(duì)的弧段為邊緣候選弧段，將邊緣候選弧段在起始端、終止端分別擴(kuò)張30°形成150°的邊緣點(diǎn)重新進(jìn)行擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置。本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟為 (1)目標(biāo)天體圖像的邊緣提取，使用傳統(tǒng)邊緣算子法進(jìn)行邊緣點(diǎn)提取； (2)計(jì)算天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)的梯度大?。? (3)從0°開(kāi)始以90°弧段為單位，每間隔30°進(jìn)行一次弧段選擇，并計(jì)算該90°弧段內(nèi)所含有邊緣點(diǎn)梯度大小的均值，對(duì)所有弧段進(jìn)行梯度均值排序，選擇均值最小的弧段作為晨昏線候選弧段，同時(shí)將晨昏候選弧段正對(duì)的90°弧段選擇為邊緣候選弧段； (4)對(duì)上述晨昏候選弧段、邊緣候選弧段分別進(jìn)行圓擬合，若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差小于等于設(shè)定閾值，則說(shuō)明目標(biāo)天體成像中沒(méi)有晨昏線，將目標(biāo)天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)進(jìn)行重新擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置；若晨昏候選弧段擬合中心與邊緣候選弧段擬合中心位置的偏差大于設(shè)定閾值，則進(jìn)行所述圓擬合誤差比較，若晨昏線候選弧段圓擬合誤差大于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則說(shuō)明目標(biāo)天體圖像存在晨昏線且位置在候選弧段附近，此時(shí)將邊緣候選弧段在起始端點(diǎn)、終止端點(diǎn)分別延伸30°將原來(lái)90°弧段延長(zhǎng)形成150°的邊緣點(diǎn)重新進(jìn)行擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置；若晨昏線候選弧段圓擬合誤差小于等于邊緣候選弧段圓擬合誤差，則轉(zhuǎn)入步驟(5)進(jìn)行晨昏線補(bǔ)充判斷； (5)晨昏線補(bǔ)充判斷，按照步驟(3)的弧段劃分方法，以90°弧段為單位，進(jìn)行所有弧段進(jìn)行圓擬合并記錄擬合誤差，擬合輸出中心位置點(diǎn)坐標(biāo)(Xi, Yi)，對(duì)XY坐標(biāo)分別進(jìn)行排序選擇中間值(Xm，Ym)設(shè)為O點(diǎn)，距離O點(diǎn)最遠(yuǎn)的輸出中心位置點(diǎn)(Xp Yp對(duì)應(yīng)的擬合弧段為晨昏候選弧段，選擇其正對(duì)的弧段為邊緣候選弧段，將邊緣候選弧段在起始端、終止端分別擴(kuò)張30°形成150°的邊緣點(diǎn)重新進(jìn)行擬合得到最終的目標(biāo)天體圖像中心位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于所述步驟(2)中計(jì)算天體圖像360°所有邊緣點(diǎn)的梯度大小如下 Gradx (x, y) = f (χ+ λ , y) +f (χ+ λ -I, y) + …+f (χ, y) -[f (χ-1, y) +f (χ-2, y) +...+f (χ- λ , y)]Grady (χ, y) = f (χ, y+ λ ) +f (χ, y+λ - I)+…+f (χ, y) -[f (χ, y-1) +f (χ, y_2)+...+f (χ, y-λ)]Grad = sqrt (Gradx2+Grady2) 其中Gradx代表X方向梯度,Grady代表Y方向梯度,Grad代表總梯度大小,f (x, y)代表圖像中(x，y)像素灰度，χ為天體圖像橫坐標(biāo)、y為天體圖像縱坐標(biāo)，λ為梯度計(jì)算長(zhǎng)度，sqrt為求均方符號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于所述步驟(4)中的設(shè)定閾值為O. 2 3個(gè)像元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于λ取值為3 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，其特征在于所述步驟(I)中的橫向、縱向的間隔為I 5像元。
全文摘要
一種用于深空探測(cè)自主導(dǎo)航的目標(biāo)天體圖像晨昏線判斷方法，目標(biāo)天體圖像的邊緣提取，使用傳統(tǒng)邊緣算子法進(jìn)行邊緣點(diǎn)提?。缓蜻x弧段選擇；擬合判斷；晨昏線補(bǔ)充判斷；本發(fā)明中的空間目標(biāo)的晨昏線若不進(jìn)行判斷并剔除則將直接影響目標(biāo)天體圖像中心位置的擬合精度，本發(fā)明解決了行星際探測(cè)中目標(biāo)天體晨昏線判斷的問(wèn)題，通過(guò)晨昏線判斷找到真正的邊緣點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)天體中心位置擬合，提升了天體圖像目標(biāo)中心的定位精度；具有高魯棒性、高刷新率、高精度導(dǎo)航天體敏感器的研制具有重要工程使用價(jià)值。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102944239SQ20121040905
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者王立, 周建濤, 余成武, 王大軼, 黃翔宇 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所