顧 征，楊孟飛，薛 博，張 伍，彭 兢，鄒 昕，陳麗平，王 彤

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094）

航天器動(dòng)作狀態(tài)的可視化遙測(cè)方法研究

顧 征1，楊孟飛2，薛 博1，張 伍1，彭 兢1，鄒 昕1，陳麗平1，王 彤1

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094）

遙測(cè)是航天器在軌狀態(tài)監(jiān)控的重要手段，隨著任務(wù)形式逐漸復(fù)雜，航天器在軌動(dòng)作也越來(lái)越多，常規(guī)的信息遙測(cè)手段難以滿(mǎn)足要求。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出一種可視化遙測(cè)方法，使用相機(jī)在軌拍攝圖像對(duì)航天器動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行直觀監(jiān)測(cè)，并通過(guò)分析計(jì)算，獲得航天器動(dòng)作的速度、位移等關(guān)鍵信息，通過(guò)月地高速再入返回飛行器在軌驗(yàn)證，證明了該方法的有效性。

航天器；動(dòng)作狀態(tài)；可視化遙測(cè)；視覺(jué)測(cè)量

1 引言

航天器遙測(cè)技術(shù)是航天領(lǐng)域在軌狀態(tài)監(jiān)控的一種常用手段，通過(guò)遙測(cè)，可以判斷航天器在軌指令執(zhí)行情況，以及能源、姿態(tài)、通信等的健康狀態(tài)。隨著航天器的組成和任務(wù)形式的逐漸復(fù)雜，航天器在軌飛行時(shí)，還會(huì)有機(jī)構(gòu)展開(kāi)、交會(huì)對(duì)接、艙器分離、轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)等動(dòng)作，所引起的狀態(tài)變化通常由狀態(tài)量遙測(cè)來(lái)反映，通過(guò)采集相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的電壓、電流變化來(lái)判斷動(dòng)作是否正常，運(yùn)動(dòng)是否到位等。目前常規(guī)的航天器遙測(cè)方法存在以下不足［1］：

1）可獲得的遙測(cè)信息有限。在航天器動(dòng)作時(shí)，通過(guò)觸發(fā)事先設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生電壓或電流的變化，被遙測(cè)電路所采集，形成二值化的遙測(cè)信息。此種方法只能獲得動(dòng)作結(jié)果正確與否來(lái)判斷信息，動(dòng)作過(guò)程中的速度、姿態(tài)、距離變化、動(dòng)作前后的形態(tài)變化等信息則無(wú)法獲得。

2）遙測(cè)信息只能間接反應(yīng)狀態(tài)，不直觀。遙測(cè)信息本質(zhì)上都是電壓、電流等信號(hào)，對(duì)于機(jī)構(gòu)展開(kāi)、艙器分離等動(dòng)作來(lái)說(shuō)，均是通過(guò)間接方式來(lái)判斷狀態(tài)，中間環(huán)節(jié)如觸發(fā)機(jī)構(gòu)失效、觸發(fā)開(kāi)關(guān)失靈等均會(huì)造成遙測(cè)信息與實(shí)際動(dòng)作不符，無(wú)法對(duì)狀態(tài)進(jìn)行直觀可靠的判斷。

國(guó)外對(duì)基于視覺(jué)的非合作航天器位姿測(cè)量方法開(kāi)展了較多研究［2?3］，但研究多集中于圖像獲取之后的目標(biāo)識(shí)別與匹配算法設(shè)計(jì)，對(duì)于可視化遙測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是測(cè)量目標(biāo)的分析、測(cè)量系統(tǒng)的配置等則較少涉及。

基于此，本文提出一種可視化遙測(cè)方法，在對(duì)遙測(cè)目標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，確定相機(jī)配置、參數(shù)和安裝布局，并通過(guò)視景仿真技術(shù)確認(rèn)設(shè)計(jì)的合理性；通過(guò)圖像信息遙測(cè)目標(biāo)在軌狀態(tài)，并運(yùn)用圖像分析與處理技術(shù)，分析目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度、位移等信息，實(shí)現(xiàn)直觀判斷和定量遙測(cè)的有機(jī)統(tǒng)一。

2 可視化遙測(cè)原理

航天器的可視化遙測(cè)基于視覺(jué)測(cè)量的理論，通過(guò)分析圖像或圖像序列，獲取目標(biāo)物的狀態(tài)（位置、姿態(tài)）和其一階（線(xiàn)位移和角位移）、二階（速度）、三階（加速度）等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

視覺(jué)測(cè)量技術(shù)建立在透視成像模型的基礎(chǔ)上［4］，如圖1所示，坐標(biāo)系O1xcamycam是中心在O1點(diǎn)（光軸Z與圖像平面的交點(diǎn)，也稱(chēng)為主點(diǎn)）的圖像坐標(biāo)系，p點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y），f為理想成像系統(tǒng)的焦距，（X，Y，Z）是空間點(diǎn)P在坐標(biāo)系OXY下的三維坐標(biāo)。

空間上任何一點(diǎn)P在圖像上的成像位置可以用針孔模型近似表示，即任何點(diǎn)P在圖像上的投影位置p為投影中心O與P的連線(xiàn)與圖像平面的交點(diǎn)，這種關(guān)系稱(chēng)為中心射影或透視投影。比例關(guān)系如式（1）所示：

采用齊次坐標(biāo)與矩陣表示上述透視投影關(guān)系為式（2）：

一般來(lái)說(shuō)，視覺(jué)技術(shù)可分為如下幾個(gè)階段［5］：視覺(jué)采集階段、低級(jí)處理階段、中級(jí)處理階段、高級(jí)處理階段。視覺(jué)采集階段主要是涉及相機(jī)的成像過(guò)程，包括相機(jī)配置和相機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)、標(biāo)定，以及圖像的獲??；低級(jí)處理階段涉及像素一級(jí)的運(yùn)算操作，包括濾波、邊緣檢測(cè)和閾值區(qū)域分割等；中級(jí)處理階段研究的是物體形狀、紋理、色彩、距離、遮擋，以及幾何不變性等，根據(jù)區(qū)域的性質(zhì)和特征，找出區(qū)域間的關(guān)系，推導(dǎo)出相應(yīng)的三維場(chǎng)景描述；高級(jí)處理階段主要研究普遍適用的三維場(chǎng)景的解釋、理解和物體識(shí)別理論技術(shù)，研究通用的邏輯推理等智能推理甚至決策過(guò)程。

可視化遙測(cè)就是充分運(yùn)用各個(gè)階段視覺(jué)處理技術(shù)，通過(guò)在航天器配置相機(jī)并分析在軌所獲的圖像，計(jì)算遙測(cè)目標(biāo)的位置、速度等狀態(tài)參數(shù)。在具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，相機(jī)的配置與安裝布局、特征提取與圖像匹配、位姿參數(shù)估計(jì)是關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。

3 可視化遙測(cè)方法

可視化遙測(cè)在設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，主要分為五個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。

其中，目標(biāo)分析、相機(jī)配置設(shè)計(jì)、仿真分析三個(gè)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段實(shí)施，圖像／圖像序列獲取為飛行時(shí)在軌實(shí)施的項(xiàng)目，圖像判讀及分析計(jì)算是飛控時(shí)地面根據(jù)下傳的圖像進(jìn)行實(shí)施的項(xiàng)目。

3.1目標(biāo)分析

遙測(cè)目標(biāo)分析是可視化遙測(cè)的初始環(huán)節(jié)，分析的內(nèi)容包括工作場(chǎng)景、目標(biāo)形態(tài)、目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)三個(gè)方面，在此基礎(chǔ)上確定相機(jī)配置。

1）工作場(chǎng)景分析

工作場(chǎng)景分析主要確定工作時(shí)的光照條件和成像場(chǎng)景的特點(diǎn)，若光照條件充足（例如在月表工作時(shí)成像），環(huán)境光照可以達(dá)到10000 lx以上，此時(shí)使用可見(jiàn)光譜段相機(jī)即可滿(mǎn)足要求，若光照條件欠佳（如目標(biāo)物處在陰影區(qū)時(shí)），需要考慮增加主動(dòng)照明措施。

成像場(chǎng)景特點(diǎn)主要分析場(chǎng)景中目標(biāo)的分布和遮擋情況，為相機(jī)最佳像面位置確定和安裝布局提供設(shè)計(jì)輸入。

在月地高速返回飛行任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)工作場(chǎng)景的分析如下：

返回器分離時(shí)，可視化遙測(cè)的主要目標(biāo)是分離擺桿的擺開(kāi)情況和返回器的飛行情況，根據(jù)飛行軌道計(jì)算得遙測(cè)目標(biāo)的光照情況如表1所示。

表1 分離時(shí)光照情況Table 1 Illumination condition at the time of separation

從表中可以看出，在飛行器的發(fā)射窗口中，遙測(cè)目標(biāo)（返回器和分離擺桿）既有可能位于陰影區(qū)也有可能位于光照區(qū)，需增加主動(dòng)照明設(shè)備，以適應(yīng)不同發(fā)射窗口的需求。

返回器和分離擺桿的安裝布局如圖3所示。從圖中可以看出，返回器為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)觀測(cè)方向無(wú)特殊要求，相機(jī)在布局時(shí)，主要考慮其視場(chǎng)能夠覆蓋分離擺桿的擺開(kāi)包絡(luò)，應(yīng)安裝在分離擺桿同側(cè)。此外，由于探測(cè)器平臺(tái)安裝尺寸限制，相機(jī)距離分離擺桿的距離約0.5 m，相機(jī)的最佳成像距離應(yīng)滿(mǎn)足要求。

2）目標(biāo)形態(tài)分析

目標(biāo)形態(tài)分析包括目標(biāo)的尺寸、表面特征和表面反射率等。

目標(biāo)的尺寸決定了相機(jī)的分辨率指標(biāo)，一般情況下，認(rèn)為目標(biāo)在像面中占據(jù)10個(gè)像素以上是能夠分辨的，以此為依據(jù)，結(jié)合相機(jī)的安裝距離，綜合考慮相機(jī)的視場(chǎng)角和像元分辨率，有如式（3）所示的關(guān)系：

其中，d為待分辨最小尺寸，L為成像距離，α為相機(jī)的垂直（水平）視場(chǎng)角，p為垂直（水平）有效像元數(shù)。

目標(biāo)的表面特征豐富與否決定了可視化遙測(cè)的精度，若目標(biāo)表面過(guò)于單一，需要考慮涂覆或者粘貼特征靶標(biāo)來(lái)提高目標(biāo)的可識(shí)別度，從而確保測(cè)量的高精度；目標(biāo)的表面反射率對(duì)于相機(jī)的曝光設(shè)計(jì)至關(guān)重要，通常相機(jī)需具有自動(dòng)曝光和手動(dòng)曝光調(diào)節(jié)的功能，以適應(yīng)不同的目標(biāo)反射率，而目標(biāo)反射率的分布情況，決定了相機(jī)的最短和最長(zhǎng)曝光時(shí)間，以及曝光調(diào)節(jié)的檔位配置。

月地高速返回飛行器分離過(guò)程可視化遙測(cè)的目標(biāo)形態(tài)分析如下：

如圖3所示，監(jiān)視目標(biāo)為返回器和分離擺桿，返回器縱向最大外徑約1250 mm，高約1300 mm，表面噴涂白漆，反照率約85%，擺桿桿件為端面約40 mm×13 mm的矩形桿，表面為熱控多層包覆，反照率約80%。相機(jī)的分辨率需能夠清晰分辨返回器和擺桿桿件，即滿(mǎn)足公式（3）的要求。返回器和分離擺桿的表面特征較為豐富，無(wú)需增加特征靶標(biāo)來(lái)提高識(shí)別度。由于分離過(guò)程為動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著光照角度的變化，目標(biāo)表面反光狀態(tài)會(huì)發(fā)生較大變化，相機(jī)需具備自動(dòng)曝光功能且適應(yīng)監(jiān)視過(guò)程目標(biāo)反照率的變化。

3）目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析

目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)主要包括運(yùn)動(dòng)速度和軌跡。運(yùn)動(dòng)速度決定相機(jī)的最短曝光時(shí)間，在相機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，其CMOS的曝光性能需要適應(yīng)遙測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，避免由于運(yùn)動(dòng)造成的成像模糊，一般地面對(duì)線(xiàn)性像移模糊的恢復(fù)能力為10像素左右，超過(guò)10像素獲得的恢復(fù)圖像質(zhì)量效果不理想，因此，運(yùn)動(dòng)速度與最短曝光時(shí)間的關(guān)系如式（4）所示：

其中，t為最短曝光時(shí)間，v垂軸為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度在垂直于相機(jī)光軸方向的分量。

目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡是確定相機(jī)視場(chǎng)角的重要依據(jù)，要求相機(jī)的視場(chǎng)角可以覆蓋目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)于航天器分離、交會(huì)對(duì)接等大范圍、長(zhǎng)距離的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)多臺(tái)相機(jī)組合完成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋。

月地高速返回飛行器分離過(guò)程可視化遙測(cè)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析如下：

返回器分離時(shí)，分離速度約0.6 m／s，整個(gè)分離過(guò)程中從分離電連接器脫落到艙器分離完成的時(shí)間約120 s，此時(shí)，返回器距離服務(wù)艙的距離約70 m。由于分離過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)區(qū)域有較大跨度，使用單臺(tái)相機(jī)難以完全兼顧近景細(xì)節(jié)和較遠(yuǎn)的成像距離，需要使用兩臺(tái)相機(jī)組合完成可視化遙測(cè)任務(wù)，兩臺(tái)相機(jī)累加視場(chǎng)需要覆蓋目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，分離擺桿擺開(kāi)速度約180°／s，展開(kāi)角度約45°，相機(jī)的幀頻設(shè)計(jì)需與返回器的分離速度和分離擺桿的展開(kāi)速度匹配，即曝光時(shí)間設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足公式（4）。

3.2相機(jī)配置設(shè)計(jì)

通過(guò)目標(biāo)分析，確定配置寬窄視場(chǎng)兩臺(tái)分離監(jiān)視相機(jī)。為了在視場(chǎng)內(nèi)覆蓋全部返回器和艙器分離面，特別是分離擺桿擺開(kāi)前后的狀態(tài)，分離監(jiān)視相機(jī)A的視場(chǎng)角設(shè)計(jì)為140°×140°，進(jìn)行近距離細(xì)節(jié)觀測(cè)，監(jiān)視初始分離過(guò)程；為了在艙器分離后，能夠在視場(chǎng)內(nèi)觀察到整個(gè)返回器，且清晰度較高，另一臺(tái)分離監(jiān)視相機(jī)B的視場(chǎng)角設(shè)計(jì)為40° ×40°，進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測(cè)。分離監(jiān)視相機(jī)A／B的像元分辨率均為1024×1024，同樣，為了監(jiān)視分離的動(dòng)態(tài)過(guò)程，兩相機(jī)均具有動(dòng)態(tài)攝像的功能，幀頻為4 fps，與分離速度相匹配。

相機(jī)的視場(chǎng)分布如圖4所示。分離過(guò)程監(jiān)視相機(jī)A距離成像目標(biāo)最近約0.5 m，其在該處的分辨率約為0.85 mm，13 mm的桿件在1024× 1024的圖像中約占16個(gè)像素的寬度，可以清晰分辨。在返回器與服務(wù)艙分離約10 m處，分離監(jiān)視相機(jī)A的分辨率仍可達(dá)到約1.7 cm，1250 mm返回器在1024×1024的圖像中約占73個(gè)像素的寬度，能夠清晰分辨返回器的輪廓。對(duì)于分離監(jiān)視相機(jī)B，在返回器與服務(wù)艙分離約10 m處，返回器剛剛進(jìn)入其相機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)，其視場(chǎng)可以完全覆蓋1250 mm的返回器，分辨率約為6.8 mm，此時(shí)，兩臺(tái)相機(jī)能夠較好地進(jìn)行任務(wù)交替。當(dāng)返回器距離服務(wù)艙70 m時(shí)，分離監(jiān)視相機(jī)B的分辨率約為4.8 cm，返回器在1024×1024的圖像中約占26個(gè)像素的寬度，仍然能夠清晰分辨其輪廓。

為滿(mǎn)足不同發(fā)射窗口和分離姿態(tài)的光照要求，使得監(jiān)視目標(biāo)處在陰影區(qū)時(shí)也能良好成像，配置照明燈為分離過(guò)程監(jiān)視提供主動(dòng)照明。如圖5所示，照明燈的照度約6000 lx，與分離過(guò)程監(jiān)視相機(jī)A的光軸指向平行，視場(chǎng)重疊且均能覆蓋返回器和分離擺桿。

3.3視景仿真分析

在完成相機(jī)配置設(shè)計(jì)，確定了相機(jī)的視場(chǎng)角、分辨率、安裝布局等技術(shù)參數(shù)后，通過(guò)視景仿真系統(tǒng)對(duì)相機(jī)在軌實(shí)際成像效果進(jìn)行仿真，確認(rèn)設(shè)計(jì)狀態(tài)是否滿(mǎn)足需求。

圖6為分離監(jiān)視相機(jī)A視景仿真圖與在軌實(shí)拍圖的比較，從圖中可以看出，視景仿真的圖片與在軌實(shí)拍圖具有很好的一致性，從視景仿真的結(jié)果能夠確認(rèn)相機(jī)視場(chǎng)可以完整覆蓋返回器和分離擺桿，目標(biāo)物在視場(chǎng)內(nèi)的分布狀態(tài)良好，滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

4 飛行結(jié)果

在探月三期再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)實(shí)施過(guò)程中，對(duì)太陽(yáng)翼展開(kāi)、艙器分離等多個(gè)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)拍攝，獲得了大量的圖像數(shù)據(jù)［6］。

圖7為分離擺桿擺開(kāi)過(guò)程監(jiān)視圖像，從圖（a）分離擺桿擺開(kāi)前一直到圖（f）分離擺桿完全擺開(kāi)并穩(wěn)定，可以看出，分離擺桿擺開(kāi)過(guò)程完全被相機(jī)視場(chǎng)覆蓋，擺桿清晰可分辨，且擺開(kāi)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)模糊較小，設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足要求。

圖8為艙器分離過(guò)程中分離監(jiān)視相機(jī)拍攝的圖像，圖（a）為分離監(jiān)視相機(jī)A拍攝，圖（b）為分離監(jiān)視相機(jī)B拍攝。從圖中可以看出，返回器、分離擺桿等全部出現(xiàn)在相機(jī)A的視場(chǎng)中，且細(xì)節(jié)可以清晰分辨，在返回器飛離后，進(jìn)入相機(jī)B的視場(chǎng)，兩相機(jī)接力監(jiān)視，設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足要求。

5 圖像分析計(jì)算

1）分離擺桿擺開(kāi)過(guò)程分析

擺桿展開(kāi)過(guò)程主要由圖7（b）、（c）兩幀圖像體現(xiàn)。以擺桿根部的連桿作為測(cè)量基線(xiàn)，以?xún)蓭g連桿變化角度作為測(cè)量展開(kāi)角速度的依據(jù)。將圖7（b）幀和（c）幀的測(cè)量進(jìn)行疊加，如圖9所示。

此兩線(xiàn)段間的夾角即為擺桿展開(kāi)角在像平面的投影，經(jīng)過(guò)測(cè)量，此角度為45.38°，考慮2幀間時(shí)間差為250 ms，此展開(kāi)角速度為181.52°／s。

2）艙器分離過(guò)程分析

如圖10所示，對(duì)艙器分離過(guò)程的圖像進(jìn)行色彩分割、邊緣提取和橢圓查找，識(shí)別圖像序列中的返回器，通過(guò)幀間圖像計(jì)算分離速度，具體過(guò)程如下：

根據(jù)橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，通過(guò)小孔模型計(jì)算出返回器與相機(jī)的距離，如式（5）所示：

其中D為返回器底面直徑，d為像元尺寸，N為返回器底面直徑所占像素個(gè)數(shù)。

則分離速度v可以通過(guò)最小二乘擬合求得，如式（6）所示：

其中，連續(xù)成像時(shí)圖像拍攝時(shí)可為t＝（t1，t2…tn），對(duì)應(yīng)每張圖像所獲得返回器的距離為r＝（r1，r2…rn）。

獲得的艙器分離速度如圖 11所示，約0.59 m／s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)期和任務(wù)要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種航天器動(dòng)作狀態(tài)的可視化遙測(cè)方法，使用在軌圖像和視頻信息直觀遙測(cè)目標(biāo)狀態(tài)，并能夠定量計(jì)算目標(biāo)的位置、姿態(tài)等信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙測(cè)方法遙測(cè)信息有限且只能間接反映目標(biāo)狀態(tài)的不足。本文方法在探月三期月地高速再入返回飛行任務(wù)中的成功實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)可視化遙測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：康金蘭）

Research on Visual Telemetry Method for Spacecraft Motion Status

GU Zheng1，YANG Mengfei2，XUE Bo1，ZHANG Wu1，PENG Jing1，ZOU Xin1，CHEN Liping1，WANG Tong1

（1.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Telemetry is an important method for monitoring the status of the spacecraft on orbit. With the increasing complexity of the mission，more complex in?orbit motions of the spacecraft need to be achieved，but the conventional telemetry means can hardly meet the requirements.In this pa?per，a visual telemetry method was proposed.Images taken by orbit camera were used to monitor the spacecraft motion visually，and the spacecraft’s velocity，displacement，and other key information were obtained through analysis and calculation.The flight results of circumlunar return and reentry spacecraft of the 3rd phase of China Lunar Exploration Program proved the validity of this method.

：spacecraft；motion status；visual telemetry；visual measurement

TH112

：B

：1674?5825（2017）02?0185?06

2016?08?26；

2017?03?01

顧征，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯羁仗綔y(cè)器總體設(shè)計(jì)及工程參數(shù)測(cè)量設(shè)計(jì)。E?mail：guzhbird＠163.com