航天器相對(duì)角度光學(xué)測(cè)量辦法分析

李勝宇　關(guān)覃粼

摘 要：隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天飛行器的數(shù)目也在不斷增加，因此航天飛行器之間的相對(duì)空間位置的測(cè)量對(duì)于航天器之間的相互獨(dú)立運(yùn)行，以及實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作具有極大的重要性。本文針對(duì)兩顆航天飛行器的相對(duì)角度測(cè)量介紹一種基于單目計(jì)算機(jī)視覺(jué)的測(cè)量方法。通過(guò)透視投影成像技術(shù)，科學(xué)分析空間目標(biāo)內(nèi)的空間位置、圖像坐標(biāo)以及測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)之間的集合關(guān)系，最終得出較為準(zhǔn)確的角度測(cè)量。本文從航天器相對(duì)角度光學(xué)測(cè)量的運(yùn)用重要性展開(kāi)分析，說(shuō)明其中的測(cè)量原理，探究影響光學(xué)測(cè)量的檢測(cè)方法以及提升測(cè)量精度的策略，希望對(duì)這一技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用與發(fā)展帶來(lái)一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué);角度測(cè)量;方位角測(cè)量;高低角測(cè)量

我國(guó)的航天技術(shù)發(fā)展極為迅速，雖然起步較晚，但是取得的成果極為巨大，已經(jīng)成為目前世界的航天強(qiáng)國(guó)，航天器的數(shù)目與質(zhì)量都達(dá)到了一個(gè)較高的水平，而航天器數(shù)目的增加與運(yùn)行質(zhì)量的提升也帶來(lái)了新的需求，那就是面對(duì)航天器空間站的交會(huì)對(duì)接與對(duì)太空垃圾的回收清掃都對(duì)航天飛行器的運(yùn)行的可靠性、精確性以及實(shí)時(shí)性都有了更高的要求，因此需要對(duì)空間運(yùn)動(dòng)的位姿進(jìn)行研究測(cè)量，而航天器之間的相對(duì)角度是相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的一個(gè)主要參數(shù)，需要進(jìn)一步的研究分析。

一、航天器間相對(duì)角度光學(xué)測(cè)量的必要性

1.1 航天器的相對(duì)角度的測(cè)量的重要性

航天技術(shù)的不斷發(fā)展推動(dòng)了人類對(duì)于星空的認(rèn)識(shí)，但是人類的求知欲是無(wú)窮無(wú)盡的，因此對(duì)技術(shù)的要求也在不斷提高。更重要的是，航天器空間站的交會(huì)、退役衛(wèi)星等太空垃圾的回收清掃等新問(wèn)題都對(duì)航天器相對(duì)角度測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求，對(duì)于空間目標(biāo)的識(shí)別跟蹤、逼近以及航天器之間的相對(duì)位置有更高精度的測(cè)量需求。因此為了達(dá)到以上的技術(shù)目的，需要尋找新的更加科學(xué)精密的測(cè)量技術(shù)對(duì)于我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展是極為重要的。

1.2 光學(xué)測(cè)量技術(shù)的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

隨著激光測(cè)距技術(shù)的不斷發(fā)展完善，在太空環(huán)境下的看見(jiàn)目標(biāo)斜距測(cè)量精度可以達(dá)到一個(gè)較高的水平，但是空間目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程不是難以用點(diǎn)的軌跡進(jìn)行描述，在測(cè)量坐標(biāo)系中，不僅僅要對(duì)空間目標(biāo)的三維位置進(jìn)行精確定位，還需要對(duì)空間目標(biāo)的方位角以及高低角進(jìn)行高精度的測(cè)量。而光學(xué)測(cè)量一直以來(lái)都以其對(duì)角高的測(cè)量精度極高。由于光學(xué)測(cè)量的測(cè)量方法是非接觸式的，其測(cè)量的結(jié)果是少干擾的、高精度的，靈敏性也可以達(dá)到一個(gè)較高的水準(zhǔn)，因此受到廣泛的重視。其基本原理是利用高精度的光學(xué)照相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)拍攝，再對(duì)目標(biāo)進(jìn)行較高效的圖像處理，最終計(jì)算出目標(biāo)的相對(duì)角度，主要是方位角與高低角。目前運(yùn)用的主要光學(xué)測(cè)量手段是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的單幀圖像分析方法，其求解過(guò)程較為簡(jiǎn)單，其測(cè)量系統(tǒng)的噪聲干擾較小而精度極高，已成為各國(guó)實(shí)現(xiàn)航天器間相對(duì)狀態(tài)的高精度自主測(cè)量的主要方法。

二、基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的單幀圖像測(cè)角方法

首先利用傳統(tǒng)理念將目標(biāo)航天器進(jìn)行點(diǎn)目標(biāo)的解構(gòu)，在提取多點(diǎn)位的運(yùn)動(dòng)參數(shù)特征之后，利用相應(yīng)的角度計(jì)算公式得到最終的求解目標(biāo)，本文主要對(duì)特征的提取與測(cè)量方法進(jìn)行介紹說(shuō)明。

2.1 單目計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像分割特征提取

單目計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像確定空間目標(biāo)的三維姿態(tài)具有更加重要的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值，而實(shí)際上從圖像獲取而言，單目計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像的質(zhì)量早已可以滿足光學(xué)測(cè)量的精度需求，目前的主要難點(diǎn)在于圖像的處理，如何高速高精度的提取空間目標(biāo)的輪廓。而圖像分析的重點(diǎn)之一就是對(duì)光測(cè)圖像的預(yù)處理工作，只有在經(jīng)過(guò)合適的圖像預(yù)處理工作之后，后續(xù)的姿態(tài)測(cè)量工作才有繼續(xù)實(shí)行的基礎(chǔ)。預(yù)處理工作雖然重要但是其工作原理并不復(fù)雜，因此本文的重點(diǎn)在于后續(xù)的姿態(tài)測(cè)量，對(duì)于姿態(tài)測(cè)量而言，圖像分割是極為重要且具有難度的一項(xiàng)工作，它需要將圖像按照特征提取出感興趣的目標(biāo)，提取的標(biāo)準(zhǔn)可以由需求改變。這對(duì)于人而言似乎是一個(gè)極為自然的功能，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，這是一個(gè)極為復(fù)雜的“病態(tài)”問(wèn)題，它是模糊的、多解的，為了解決這一問(wèn)題，目前已經(jīng)有了幾種圖像分割方法的發(fā)展方向。第一，基于邊緣的圖像分割方法，它利用了目標(biāo)與其運(yùn)動(dòng)背景的差異，達(dá)到較好的圖像分割效果，這一技術(shù)的難點(diǎn)也在于需要分割的區(qū)域也就是目標(biāo)與背景之間的邊緣對(duì)比，造成邊緣檢測(cè)的抗噪性與測(cè)量精度之間的矛盾，在提升測(cè)量精度的同時(shí)不可避免的帶來(lái)輪廓的不合理，而在提高抗噪性時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏檢和位置偏差的可能。第二，基于區(qū)域的圖像分割方法，它直接進(jìn)行區(qū)域?qū)ふ?，是根?jù)事先定義的標(biāo)準(zhǔn)將像素或子區(qū)域聚合成更大區(qū)域的過(guò)程，首先進(jìn)行分類分割，利用已知的訓(xùn)練樣本集在圖像的特征空間中找到?jīng)Q策的劃分點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的區(qū)域劃分，此外還可以利用閾值分割法進(jìn)行區(qū)域提取，通過(guò)設(shè)定每一個(gè)特征的閥值進(jìn)行區(qū)域劃分，這一中區(qū)域劃分方法更加快速簡(jiǎn)便，但是實(shí)際上很難找到一個(gè)合適的閾值。第三，邊緣與區(qū)域結(jié)合的圖像分割方法，以上兩種方法各有優(yōu)劣，因此對(duì)這兩種方法進(jìn)行最大程度的綜合對(duì)于光學(xué)測(cè)量而言是很有價(jià)值的，同時(shí)利用目標(biāo)對(duì)象的邊緣信息與圖像的全局信息進(jìn)行分割，對(duì)于特定區(qū)域的提取效果較好。例如活動(dòng)輪廓模型。該類方法通過(guò)使用從圖像數(shù)據(jù)獲得的約束信息和目標(biāo)的其他參數(shù)信息，如位置、大小、形狀等等，可以較好的均衡目標(biāo)分割匹配的精度與抗噪性的關(guān)系，達(dá)到一個(gè)較好的結(jié)果。由此可知，圖像分割對(duì)于空間目標(biāo)的三維姿態(tài)測(cè)量有著極大的運(yùn)用價(jià)值。并且好的圖像分割方法有助于實(shí)現(xiàn)后續(xù)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)三維姿態(tài)測(cè)量。

2.2 基于特征結(jié)構(gòu)的相對(duì)角度測(cè)量方法

在提取精確的圖像特征之后，需要進(jìn)一步利用這些特征進(jìn)行目標(biāo)航天器的俯仰角和偏航角的計(jì)算。本文的基于單目計(jì)算機(jī)視覺(jué)的光學(xué)測(cè)量方法的角度計(jì)算過(guò)程較為簡(jiǎn)單，由于較好的避免了噪聲的干擾，因此計(jì)算模型也較為準(zhǔn)確，運(yùn)算量相對(duì)較小，測(cè)量的運(yùn)算速度快。測(cè)量系統(tǒng)的核心是測(cè)量航天去光學(xué)相機(jī)，為了更好的得到測(cè)量結(jié)果，還需要對(duì)特征點(diǎn)安裝激光發(fā)射管，這對(duì)于航天器的運(yùn)動(dòng)影響極低，在通過(guò)特征點(diǎn)成像之后，就可以利用角度計(jì)算公式即可求解出特征點(diǎn)相對(duì)于相機(jī)的偏航角和俯仰角。

三、影響測(cè)量系統(tǒng)精度的因素及提高精度的方法

要得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量精度只要你從圖像中獲得準(zhǔn)確的目標(biāo)點(diǎn)圖像坐標(biāo)，再根據(jù)其他相關(guān)參數(shù)如鏡頭焦距等進(jìn)行三角法的分析。但是實(shí)際上存在以下幾個(gè)造成測(cè)量誤差的影響因素，第一，相機(jī)鏡頭的焦距標(biāo)稱值的誤差與相機(jī)光軸與 CCD 光敏面的垂直誤差等因素，這是難以避免的檢測(cè)誤差。第二，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理方法存在的計(jì)算誤差。第三，光學(xué)成像系統(tǒng)誤差。前二者的優(yōu)化需要改進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施，因此本文主要對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，其中包括了鏡頭誤差、圖像采集誤差以及探測(cè)器誤差。鏡頭誤差需要加強(qiáng)光學(xué)相機(jī)的焦距標(biāo)校與鏡頭畸變校正。探測(cè)器誤差則需要提升采樣頻率，這也可以進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)處理的精度。因此要降低測(cè)量系統(tǒng)的誤差需要對(duì)圖像采集工作進(jìn)行較為科學(xué)嚴(yán)密的優(yōu)化處理，提升圖像質(zhì)量與分析數(shù)據(jù)的精確度。

四、結(jié)語(yǔ)

本次研究是介紹和分析一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的一種航天器相對(duì)角度光學(xué)測(cè)量方法，它具有原理簡(jiǎn)單、計(jì)算系統(tǒng)高效、測(cè)量結(jié)果精確的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展具有一定的理論價(jià)值與使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊寧， 申景詩(shī)， 張建德，等. 基于立體視覺(jué)的空間非合作航天器相對(duì)位姿自主測(cè)量[J]. 光學(xué)精密工程， 2017， 25（5）：1331-1339.

[2]葉小威， 沈鋒. 航天器軌道動(dòng)力學(xué)模型及瞄準(zhǔn)提前量誤差分析[J]. 中國(guó)激光， 2017（6）：190-200.

[3]汪啟躍， 王中宇. 基于單目視覺(jué)的航天器位姿測(cè)量[J]. 應(yīng)用光學(xué)， 2017， 38（2）：250-255.