基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置制造方法及图纸

本申请公开了一种基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法包括以下步骤：步骤S100：获取目标在卫星视角图像中的坐标信息；步骤S200：根据坐标信息解算卫星视角图像采样时刻，卫星本体坐标系下卫星的实际姿态到期望姿态的误差四元数与误差角速度，以所述误差四元数与误差角速度为反馈量，采用比例微分控制器控制卫星进行姿态调整；步骤S300：判断目标是否处于卫星视角图像的中央，如果否则重复步骤S100～S200，如果是则停止。该方法能通过视频卫星对非合作运动目标进行凝视跟踪成像。本申请的又一方面还提供了该方法的装置。

Image-guided Video Satellite Moving Target Tracking and Imaging Method and Its Device

This application discloses a video satellite moving target tracking and imaging method based on image guidance, which includes the following steps: 00: obtaining coordinate information of the target in the satellite view image; 220: calculating the sampling time of the satellite view image according to coordinate information; the error quaternion and angular velocity of the actual attitude of the satellite to the desired attitude in the satellite body coordinate system; The error quaternion and the error angular velocity are feedback variables, and the proportional differential controller is used to control the satellite attitude adjustment. 00: To determine whether the target is in the center of the satellite view image or not, if it is not repeated from 00 to S200, if it is stopped. This method can gaze, track and image non-cooperative moving targets by video satellite. Another aspect of this application also provides a device for this method.

【技术实现步骤摘要】
基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置
本申请涉及一种基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置，属于自动控制领域。
技术介绍
视频卫星是一种采用视频成像、视频数据实时传输、人在回路交互式操作工作方式的天基信息获取类微小卫星。与传统卫星相比，视频卫星可提供实时视频图像，与静止单幅图像相比增加了时域信息，可获取目标的动态过程信息，能够探测到动态事件的发生，并可以基于视频图像中的序列图像进行图像重构获得更高分辨率的图像，为抗灾救灾、战时监控、计划决策提供第一手资料。当目标为合作目标时，现有视频卫星对运动目标的凝视跟踪成像，可通过已知的目标运动方程提前计算姿态控制的期望姿态，或通过人在回路的方式实时调整卫星姿态。当目标为非合作运动目标时，其位置与速度信息无法提前知晓，也就无法由目标位置实时计算期望姿态，难以实现对目标的自主凝视跟踪成像。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，该方法能通过视频卫星对非合作运动目标进行凝视跟踪成像。参见图1～2，本申请提供的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，包括以下步骤：步骤S100：获取目标在所述卫星视角图像中的坐标信息；步骤S200：根据所述坐标信息解算所述卫星视角图像采样时刻，卫星本体坐标系下所述卫星实际姿态到期望姿态的误差四元数与误差角速度，以所述期望角速度误差为反馈量，采用比例微分控制器控制所述卫星进行姿态调整；步骤S300：判断所述目标是否处于所述卫星视角图像的中央，如果否则重复步骤S100～S200，如果是则停止。本文中卫星视角图像是指通过在轨视频卫星实时获取的目标图像。本方法中为详述步骤均按现有方法进行处理。在一种实施方式中，参见图2，基于图像反馈的姿态控制：首先通过星载相机获取目标图像后，由视频图像感知得到目标在图像中的坐标信息(此部分内容参见CN201510507109.9和CN201810111223.3公开方法)。由此解算卫星本体坐标系下卫星实际姿态到期望姿态的误差四元数与误差角速度，以误差四元数与误差角速度作为反馈量，传递给比例微分(PD)控制器，控制器控制执行机构完成姿态调整，使目标成像在画面中央，实现对运动目标的凝视跟踪成像。可选地，所述姿态调整步骤包括以下步骤：a)控制视频卫星绕ObYb轴旋转，使r与r1重合；b)控制视频卫星绕ObXb旋转，使r与rP重合；其中，rP为卫星本体坐标系Ob-XbYbZb下目标视线方向，r为所述视频卫星本体在ObZb方向的单位向量，d为像元尺寸，f为星载相机焦距，(u,v)为预测得到所述目标在下一帧所述卫星视角图像中的位置坐标。可选地，所述卫星本体坐标系Ob-XbYbZb下目标视线方向：其中，，(u,v)为通过卡尔曼滤波预测得到所述目标在下一帧所述卫星视角图像中的位置坐标，d为像元尺寸，f为星载相机焦距，xp，yp，zp分别为rp在卫星本体坐标系X轴、Y轴、Z轴的分量。可选地，所述目标在下一帧所述卫星视角图像中的位置(u,v)，采用卡尔曼滤波算法预测得到。可选地，所述步骤a)中所述视频卫星绕ObYb轴旋转的旋转角度为：可选地，所述步骤b)中所述视频卫星绕ObXb旋转的旋转角度为参见图11，根据本申请的又一个方面，提供了一种基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像装置，包括：坐标获取模块，用于获取目标在所述卫星视角图像中的坐标信息；误差获取模块，用于根据所述坐标信息解算所述卫星视角图像采样时刻，卫星本体坐标系下所述卫星实际姿态到期望姿态的误差四元数与误差角速度，以所述误差四元数与误差角速度为反馈量，采用比例微分控制器控制所述卫星进行姿态调整；判断模块，用于判断所述目标是否处于所述卫星视角图像的中央，如果否则返回所述坐标获取模块，如果是则停止。可选地，所述误差获取姿态调整模块包括：第一旋转模块，用于控制视频卫星绕ObYb轴旋转，使r与r1重合；第二旋转模块，用于控制视频卫星绕ObXb旋转，使r与rP重合；其中，rP为卫星本体坐标系Ob-XbYbZb下目标视线方向，r为所述视频卫星本体在ObZb方向的单位向量，d为像元尺寸，f为星载相机焦距，(u,v)为预测得到所述目标在下一帧所述卫星视角图像中的位置坐标。可选地，所述视频卫星绕ObYb轴旋转的旋转角度为：可选地，所述视频卫星绕ObXb旋转的旋转角度为本申请能产生的有益效果包括：1)本申请所提供的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置，现有方法不利用图像信息，而是首先计算目标的空间位置，然后转换为画面上的坐标，按此步骤进行转换会导致较大的误差。本申请采用图像信息反馈进行姿态跟踪，将光学传感器中的目标偏差作为反馈量去求解误差四元数和误差角速度，控制目标让目标视线与光轴重合，消除偏差，从而让目标保持在画面中央。提高图像处理精度，误差可保持在几个像素以内，能够提高控制反馈输入量精度，减小噪声对跟踪结果的影响。2)本申请所提供的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置，对于非合作运动目标，其位置与速度信息无法提前知晓，也就无法采用现有方法由目标的位置实时计算期望姿态，难以实现对目标的凝视跟踪成像。采用图像信息反馈的控制系统，能够实时感知运动目标在图像平面中的位置，将其作为反馈量输入控制回路中，使目标成像保持在画面中央，实现对非合作运动目标的凝视跟踪成像。3)本申请所提供的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置，算法简单快捷，便于工程实现。这里只是没有强调预测，所述的偏差就是卡尔曼滤波器预测的(u,v)，因为原点就是画面中心，所以坐标就是与画面中心的偏差。对于每一帧图像，都会根据当前感知的坐标去预测下一帧的坐标(u,v)，是实时的，预测错了在下一帧也能纠正，这是卡尔曼滤波的功能，进一步提高了跟踪成像的性能。4)本申请所提供的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置，在跟踪过程中不会绕光轴旋转，从而画面不会发生旋转，成像更加稳定，便于进行图像观察与分析。5)本申请所提供的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法及其装置，在跟踪成像过程中，依据目标视线与视轴的偏差角度选择不同的PD控制器参数，能够更快地使目标到达画面中央，同时在对目标持续跟踪时，画面也更稳定。附图说明图1为本申请一种实施方式中基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法流程示意图；图2为本申请一种实施方式中图像反馈的姿态控制回路示意图；图3为本申请一种实施方式中坐标系示意图；图4为本申请一种实施方式中目标在像平面上偏差示意图；图5为本申请一种优选实施例最小机动时间的误差欧拉角示意图，其中框图为对应区域曲线的局部放大图；图6为本申请一种优选实施例最小跟踪误差的误差欧拉角示意图；图7为本申请一种优选实施例中视频卫星按本申请提供方法对空间运动目标凝视跟踪过程示意图，其中a)为视频卫星对空间运动目标凝视跟踪第1帧图像，b)为视频卫星对空间运动目标凝视跟踪第12帧图像，c)为视频卫星对空间运动目标凝视跟踪第125帧图像，d)为视频卫星对空间运动目标凝视跟踪第312帧图像，e)为视频卫星对空间运动目标凝视跟踪第500帧图像，f)为视频卫星对空间运动目标凝视跟踪第625帧图像；图8A为本申请一种优选实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：获取目标在所述卫星视角图像中的坐标信息；步骤S200：根据所述坐标信息解算所述卫星视角图像采样时刻，卫星本体坐标系下所述卫星的实际姿态到期望姿态的误差四元数与误差角速度，以所述误差四元数与误差角速度为反馈量，采用比例微分控制器控制所述卫星进行姿态调整；步骤S300：判断所述目标是否处于所述卫星视角图像的中央，如果否则重复步骤S100～S200，如果是则停止。

【技术特征摘要】
1.一种基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：获取目标在所述卫星视角图像中的坐标信息；步骤S200：根据所述坐标信息解算所述卫星视角图像采样时刻，卫星本体坐标系下所述卫星的实际姿态到期望姿态的误差四元数与误差角速度，以所述误差四元数与误差角速度为反馈量，采用比例微分控制器控制所述卫星进行姿态调整；步骤S300：判断所述目标是否处于所述卫星视角图像的中央，如果否则重复步骤S100～S200，如果是则停止。2.根据权利要求1所述的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，其特征在于，所述姿态调整步骤包括以下步骤：a)控制视频卫星绕ObYb轴旋转，使r与r1重合；b)控制视频卫星绕ObXb旋转，使r与rP重合；其中，rP为卫星本体坐标系Ob-XbYbZb下目标视线方向，r为所述视频卫星本体在ObZb方向的单位向量，d为像元尺寸，f为星载相机焦距，(u,v)为通过卡尔曼滤波预测得到所述目标在下一帧所述卫星视角图像中的位置坐标。3.根据权利要求2所述的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，其特征在于，所述步骤a)中所述视频卫星绕ObYb轴旋转的旋转角度为：4.根据权利要求2所述的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，其特征在于，所述步骤b)中所述视频卫星绕ObXb旋转的旋转角度为5.根据权利要求2所述的基于图像引导的视频卫星运动目标跟踪成像方法，其特征在于，所述卫星本体坐标系Ob-XbYbZb下目标视线方向：其中，(u,v)为通过卡尔曼滤波预测得到所述目标在下一帧所述卫星视角图像中的位置坐标，d为像元尺寸，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学阳，肖龙龙，胡敏，杨雅君，潘升东，刘俊琦，潘显俊，马聪慧，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11