李宗凌 汪路元 禹霽陽 蔣帥 吳雨航

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

隨著人類航天活動的增加，空間碎片會日益增加，僅美國空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)編目和記錄的直徑大于5 cm的空間碎片累計就達(dá)38 000多個[1]。隨著時間推移，這些空間碎片可能會對在軌航天器造成不可估量的影響，如果空間碎片與在軌航天器發(fā)生碰撞，將會直接導(dǎo)致其損壞或者解體。此外，空間碎片再入大氣層，還將給人類帶來不可估量的災(zāi)難。因此，有效快速地對空間碎片進(jìn)行監(jiān)測、管理和預(yù)報是構(gòu)建太空安全環(huán)境的基石，已經(jīng)成為各個航天大國的研究熱點。

空間目標(biāo)監(jiān)測平臺主要分為地基和天基兩種。由于不受體積、質(zhì)量等因素的限制，地基觀測平臺可以實現(xiàn)較高的空間分辨率和較遠(yuǎn)的觀測距離。我國的地基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)受布站區(qū)域的限制，不能實現(xiàn)對空間目標(biāo)的全覆蓋，而且存在監(jiān)視的實時性不高和對中小尺寸碎片的探測能力有限的問題，因此，迫切需要天基監(jiān)視手段去彌補[2]。相比于地基平臺，天基觀測平臺最大的優(yōu)勢是可以在地球大氣層外的空間軌道上運行，進(jìn)而不受國界、空域和氣象條件的限制，同時，天基觀測不受地球大氣的影響，具有較高的靈敏性，可以減少光學(xué)可見期的影響，從而增加觀測時間。因此，天基觀測更可能獲取長時間廣范圍的觀測數(shù)據(jù)，滿足我國國情及發(fā)展需要。

近些年來，基于天基平臺的空間目標(biāo)觀測受到廣泛的關(guān)注[3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種可同時實現(xiàn)三波段探測的多光譜光學(xué)載荷相機(jī)系統(tǒng)，可滿足天基空間碎片觀測系統(tǒng)需求。文獻(xiàn)[5]對空間碎片光譜特性進(jìn)行研究，可以用來獲取碎片材料等信息。文獻(xiàn)[6]刻畫并分析了天基觀測的系統(tǒng)誤差，設(shè)計相應(yīng)方法有效抑制了觀測和模型結(jié)構(gòu)誤差對觀測精度的影響。文獻(xiàn)[7]研究了信息處理技術(shù)在天基碎片觀測系統(tǒng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[8]針對地球同步衛(wèi)星定軌，提出了利用魯棒性估計方法消除異常測量值的影響。

空間碎片目標(biāo)在軌實時監(jiān)測的核心是“快”、“準(zhǔn)”、“穩(wěn)”，其中“快”是指實時，“準(zhǔn)”是指高準(zhǔn)確率、低虛警率，“穩(wěn)”是指應(yīng)對復(fù)雜背景。地面已有的信息處理、目標(biāo)檢測跟蹤方法面臨巨大挑戰(zhàn)，無法滿足天基應(yīng)用需求。針對上述問題和需求，本文提出了一種空間碎片目標(biāo)在軌實時監(jiān)測處理方法，主要實現(xiàn)面向空間碎片監(jiān)測的光學(xué)載荷數(shù)據(jù)的實時處理，將在軌實時處理得到的目標(biāo)檢測結(jié)果、天文位置等結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)下傳給用戶，實現(xiàn)空間碎片目標(biāo)快速定位和管理。

1 在軌實時監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

在軌實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包含衛(wèi)星平臺、載荷、數(shù)據(jù)傳輸和信息處理等功能單元，通過在軌實時處理技術(shù)，快速從載荷數(shù)據(jù)中提取空間碎片目標(biāo)位置、亮度等信息，針對重點目標(biāo)完成在軌自動跟蹤和確認(rèn)，并將處理結(jié)果下傳至地面，進(jìn)一步對目標(biāo)進(jìn)行編目和確認(rèn)管理。具體流程(圖1)如下：載荷信息處理單元從相機(jī)載荷獲取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，對于緩存的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮，然后進(jìn)行碎片目標(biāo)檢測、跟蹤和天文定位，壓縮碼流和處理結(jié)果返回給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。載荷信息處理單元可以從平臺獲取姿態(tài)軌道等輔助數(shù)據(jù)，用于碎片提取和定位計算。

1.2 信息處理平臺設(shè)計

考慮衛(wèi)星載荷布局以及在軌持續(xù)穩(wěn)定工作的需求，設(shè)計一種基于SpaceVPX標(biāo)準(zhǔn)總線的一體化信息處理架構(gòu)，各功能板卡采用SpaceVPX 6U標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，根據(jù)需要可擴(kuò)展。分機(jī)功能板卡采用主備雙份冗余設(shè)計，數(shù)據(jù)接口采用交叉主備冗余設(shè)計，信息處理平臺各模塊的分工如表1所示。

表1 信息處理平臺組成

2 空間碎片目標(biāo)在軌監(jiān)測方法

2.1 空間碎片目標(biāo)檢測方法

2.1.1 空間碎片目標(biāo)成像特性分析

星圖主要由恒星、空間碎片目標(biāo)和深空背景構(gòu)成。星圖的成像特點是在暗背景下離散分布著近似于高斯分布的點狀光斑，同時星圖中還夾雜著一定程度的背景噪聲，且噪聲成均勻分布[1]。

1)恒星目標(biāo)成像特性

恒星是星圖的重要組成部分。在星圖中為點狀，受成像條件的影響，恒星表現(xiàn)為向四周彌散的一個近似對稱的高斯分布的亮斑，點源成像的光度分布函數(shù)又稱為點擴(kuò)散函數(shù)。點擴(kuò)散函數(shù)對圖像的作用在數(shù)學(xué)上可表示為點擴(kuò)散函數(shù)與圖像的卷積，由于點擴(kuò)散函數(shù)的不確定性，恒星亮斑包含的像素數(shù)從幾個像素到幾十個像素不等。在星圖中，恒星成像特征與動目標(biāo)的成像特征有很強(qiáng)的相似性，都表現(xiàn)為近高斯分布的亮斑，因此嚴(yán)重影響星圖目標(biāo)監(jiān)測和識別的效果。

2)空間碎片目標(biāo)成像特性

空間碎片目標(biāo)在星圖上表現(xiàn)為點狀分布的小目標(biāo)，一般占據(jù)一個或幾個像素，沒有明顯的幾何、結(jié)構(gòu)信息、紋理信息等，同時由于空間目標(biāo)的運動特性，空間碎片目標(biāo)在序列星圖中成像亮度不穩(wěn)定。影響目標(biāo)亮度的因素包括：空間碎片目標(biāo)的尺寸、目標(biāo)與傳感器的距離、目標(biāo)材料的反射率、太陽入射角度以及觀測條件等。天基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測的是空間碎片目標(biāo)反射的太陽光，因此，空間碎片目標(biāo)來源主要是太陽輻射的可見光譜段的能量。由于不同材質(zhì)、空間碎片目標(biāo)的不同部分以及空間結(jié)構(gòu)都會導(dǎo)致反射率的不同，因此，在星圖序列中，空間目標(biāo)的亮度存在一定程度的差異。

空間碎片目標(biāo)和恒星在空域上成像相似，都表現(xiàn)為單幀圖像上的孤立亮斑，且形狀相似。在天基天文光電觀測系統(tǒng)中，由于其口徑小，視場大，探測距離遠(yuǎn)，受傳感器成像分辨率的限制，空間目標(biāo)在CCD焦平面上幾乎為點目標(biāo)成像。但由于光學(xué)系統(tǒng)受點擴(kuò)散效應(yīng)的影響，空間目標(biāo)的能量彌散到相鄰的多個像元上。一般情況下，可對空間碎片目標(biāo)構(gòu)建二維高斯擬合模型，此時點目標(biāo)的能量密度在星圖上的分布函數(shù)可以表示為

(1)

式中：(x0,y0)為空間目標(biāo)中心位置的坐標(biāo)；s為目標(biāo)總亮度；σpsf為成像系統(tǒng)的點擴(kuò)散函數(shù)的參數(shù)——擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差。恒星和空間目標(biāo)成像灰度分布對比如圖2所示。

圖2 恒星和空間目標(biāo)成像灰度分布圖

碎片目標(biāo)在星圖中形成光斑的亮度分布近似于二維的高斯分布，光斑中心是信號的峰值，光斑周圍像素隨著離中心距離的增加，亮度逐漸減弱，直至接近星圖背景的亮度。

2.1.2 空間碎片目標(biāo)檢測算法

根據(jù)空間碎片目標(biāo)的成像特性，設(shè)計一種空間碎片目標(biāo)在軌實時檢測算法，算法過程如圖3所示。

圖3 空間碎片目標(biāo)檢測算法過程

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

星圖中，暗弱小目標(biāo)淹沒在背景噪聲中，通過頂帽變換等數(shù)據(jù)預(yù)處理，達(dá)到抑制背景噪聲，凸顯暗弱目標(biāo)，便于后續(xù)算法提取暗弱小目標(biāo)的目的。其中，頂帽變換主要由1組窗大小為29×29和5×5的膨脹和腐蝕運算組成。

2)疑似目標(biāo)提取

根據(jù)目標(biāo)特性分析可知，空間目標(biāo)中心點具有高于背景并且為局部極大值的特點。針對該特性，設(shè)定合適的窗并利用圖像形態(tài)學(xué)里的膨脹操作來搜索局部最大值，若局部極值點大于高閾值則認(rèn)定為疑似強(qiáng)目標(biāo)點，若高于低閾值但低于高閾值則認(rèn)定為疑似弱目標(biāo)點。

3)疑似目標(biāo)確認(rèn)

對提取出的疑似目標(biāo)點，需要判斷其是否為目標(biāo)。以疑似目標(biāo)中心點為中心，動態(tài)設(shè)定尺度來確定窗及核函數(shù)大小。對窗內(nèi)的灰度值進(jìn)行歸一化處理以消除光照變化造成的影響，對歸一化后的窗函數(shù)及核函數(shù)進(jìn)行卷積運算，若響應(yīng)值大于預(yù)設(shè)閾值并且大于之前尺寸下的計算結(jié)果，則更新該點的尺寸以及響應(yīng)值信息。通過恒星位置以及目標(biāo)軌跡可剔除恒星、背景噪聲等干擾項，具體實施方法如下。

(1)核函數(shù)設(shè)計。相較于直接地二值化處理，設(shè)計合適的核函數(shù)，可在保證目標(biāo)灰度信息的情況下有效地確定目標(biāo)的中心及邊界。從之前分析可以知道目標(biāo)呈近似高斯分布，因此針對性地設(shè)計核函數(shù)。

Kernel(x,y)=

(2)

(2)恒星目標(biāo)剔除。由于檢測到的目標(biāo)包含目標(biāo)以及恒星，為了減少后續(xù)軌跡匹配的運算量，將歷史中出現(xiàn)過疑似目標(biāo)的位置進(jìn)行存儲，若下一幀圖像中的疑似目標(biāo)在這些位置出現(xiàn)時，則認(rèn)為是恒星，可將其從檢測結(jié)果中剔除，如圖4，5所示。

圖4 匹配后的歷史信息圖

圖5 疑似目標(biāo)篩選

(3)目標(biāo)軌跡關(guān)聯(lián)。深空背景圖像中除深空背景以外，主要由噪聲、天體、航天器及碎片等構(gòu)成。針對這三類目標(biāo)的運動特性進(jìn)行分析：噪聲在圖像中是雜亂無章的，沒有固定的運動特性；天體目標(biāo)距離拍攝器件十分遙遠(yuǎn)，在圖像中的相對位置幾乎保持不變；航天器和碎片目標(biāo)由于其軌道特性，在圖像中呈現(xiàn)出接近勻速直線的運動狀態(tài)。針對需檢測的目標(biāo)與其他兩類目標(biāo)運動特性的不一致，通過多幀圖像進(jìn)行軌跡關(guān)聯(lián)，可以剔除其他兩類目標(biāo)，篩選出需要的目標(biāo)。其運動特性可表示為

(3)

式中：xi+1，yi+1表示下一幀目標(biāo)的圖像像素位置；xi，yi表示目標(biāo)當(dāng)前幀的圖像像素位置；Δxk，Δyk表示目標(biāo)的第k條軌跡的運動特性，即目標(biāo)的運動像素距離，同一條軌跡的運動特性基本保持不變。軌跡關(guān)聯(lián)方法如圖6所示：①目標(biāo)從第1幀根據(jù)預(yù)估的速度域在第2幀圖像上搜索匹配目標(biāo)；②第2幀圖像上搜索匹配到目標(biāo)后，計算兩幀之間目標(biāo)的運動特性，并根據(jù)運動特性預(yù)測目標(biāo)在第3幀圖像的大致范圍；③在第3幀圖像上的預(yù)測位置搜索目標(biāo)，搜索成功后，將搜索到的目標(biāo)歸入同一軌跡，搜索失敗后，轉(zhuǎn)步驟①，直至第2幀圖像中無法搜索匹配到目標(biāo)；④軌跡在后續(xù)序列圖像中繼續(xù)搜索匹配目標(biāo)，如果軌跡關(guān)聯(lián)到多個點，則認(rèn)為軌跡是真實存在的，否則認(rèn)為軌跡是誤檢所形成的。

圖6 軌跡關(guān)聯(lián)示意圖

2.2 天文定位

本文從空間目標(biāo)的軌道預(yù)報算法和恒星的運動模型為基礎(chǔ)，對空間目標(biāo)天基測量天文定位的算法進(jìn)行了設(shè)計，算法流程如圖7所示。

天基空間碎片目標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)是進(jìn)行空間目標(biāo)監(jiān)視與跟蹤的重要發(fā)展方向，利用高精度軌道的天基觀測平臺結(jié)合光學(xué)測量手段，根據(jù)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡指向視場中恒星的位置及目標(biāo)星的實時處理結(jié)果，計算出目標(biāo)天文定位數(shù)據(jù)。

圖7 天文定位算法流程

天基測量的天文定位不受國土范圍、大氣層、電離層的影響，而且通過姿態(tài)調(diào)整可以具備全天時探測優(yōu)勢，可以成為空間目標(biāo)精密定軌和空間碎片編目定軌的一種有效的數(shù)據(jù)來源，對于改進(jìn)空間目標(biāo)軌道精度，有效節(jié)約地面測量資源發(fā)揮重要作用。基于天基光學(xué)成像的目標(biāo)檢測和天文定位是空間目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和測量的重要手段。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證

3.1 系統(tǒng)搭建

本文選用Xilinx公司現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)V7-690T與TI公司數(shù)字處理器(DSP)TMS320C6678，構(gòu)成FPGA+2DSP的經(jīng)典高性能處理架構(gòu)，用以完成實時處理功能驗證。結(jié)合該FPGA和DSP外圍串行快速輸入輸出口(SRIO)、高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線(PCIe)和第三代雙沿存儲器(DDR3)等高速接口，形成可演示的實時信息處理系統(tǒng)。其中，根據(jù)FPGA和DSP不同的架構(gòu)特點，F(xiàn)PGA主要用于完成頂帽變換、三幀差以及標(biāo)注等圖像預(yù)處理工作，DSP主要用于完成疑似目標(biāo)提取、確認(rèn)以及天文定位等工作。

驗證算法處理流程如圖8所示。

圖8 驗證算法處理流程

功能驗證的主要流程：PC機(jī)通過PCIe總線發(fā)送參數(shù)以及圖像數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA利用DDR3緩存中間處理數(shù)據(jù)，按照算法流程完成處理后將處理結(jié)果通過PCIe總線輸出給PC機(jī)進(jìn)行顯示。

3.2 驗證結(jié)果

利用一組實際拍攝的星圖數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行驗證，具體信息如下：①圖像數(shù)量9幅；②圖像分辨率4096像素×4096像素；③圖像大小32 MByte；④圖像位數(shù)14 bit；⑤相機(jī)曝光時間0.5 s。檢測結(jié)果如圖9所示，圖中紅色圓圈為檢測出的空間碎片目標(biāo)。

3.3 性能分析

利用上述9幅實拍星圖進(jìn)行測試，得到測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

通過測試結(jié)果統(tǒng)計表可知：星圖中包含大量無效目標(biāo)，如果只是利用單幅圖像中的信息無法得出正確的檢測結(jié)果。因此，需要利用目標(biāo)軌道運動信息(多幀關(guān)聯(lián))，才能從海量的虛假信息(151 994個疑似點目標(biāo)信息中只有3個有效信息)中提取真實目標(biāo)信息。處理實時性方面，由于每幅圖像的復(fù)雜度不同，導(dǎo)致單幀圖像處理時間不定，在設(shè)計天基實時監(jiān)測處理系統(tǒng)時需考慮該情況，可以在信息處理平臺輸入端增加大容量快速存取單元解決。針對上述9幅圖像，本文設(shè)計實時處理平臺平均處理速度為0.62秒/幀，處理實時性良好。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種空間碎片目標(biāo)在軌實時監(jiān)測處理方法，實現(xiàn)面向空間碎片監(jiān)測的光學(xué)載荷數(shù)據(jù)的實時處理，將在軌實時處理提取的碎片信息下傳給用戶。針對該空間碎片目標(biāo)成像特性，設(shè)計了一種滿足空間應(yīng)用需求的載荷數(shù)據(jù)處理單元以及空間碎片目標(biāo)檢測和定位方法，該信息處理單元可以完成載荷數(shù)據(jù)24小時不間斷的實時處理工作，處理延遲小于1 s。

本文設(shè)計的空間碎片目標(biāo)在軌實時監(jiān)測處理算法流程優(yōu)化、工程可實現(xiàn)性強(qiáng)、硬件資源占用合理，經(jīng)由衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)驗證了算法的有效性和實時性，為星上高速率載荷數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)快速應(yīng)用、快速提取信息提供了一種新的高效途徑。該方法可應(yīng)用到當(dāng)前的天基實時監(jiān)測處理系統(tǒng)中，通過在衛(wèi)星上完成空間碎片目標(biāo)檢測和天文定位等功能將顯著縮短衛(wèi)星觀測系統(tǒng)的反應(yīng)時間，提高載荷利用率。隨著處理實時性、有效性及能效比等指標(biāo)的改善，星載信息處理單元的在軌運行時間將大為增加，能有效提升天基觀測系統(tǒng)的效能。