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单平台成像目标运动特性反演方法

更新时间：2019-12-30 12:25:27 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：运动参数估计反向追踪 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对单平台观测条件下目标运动特性反演问题,提出了基于序列图像的目标空间位置重建及运动参数估计模型和方法。为抑制大气折射对位置重建精度的影响,提出将大气视为球面分层,并划分若干层,采用反向追踪策略,从成像系统的入射光线出发,逆向计算出光线在每一层大气中的传输路径,根据追踪路径与目标发射面的交点确定目标空间位置。为减少发射面等先验参数误差的影响,以目标加速度参数一致性作为优化准则,采用迭代估计,在先验误差范围内搜索最优发射面,修正重建误差。通过以上过程反演得到目标运动轨迹以及运动参数,在先验误差范围内,反演的位置误差在200 m以下,速度误差在60 m/s以下。


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1577679921单平台成像目标运动特性反演方法.pdf 2M

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2018  
12  
December 2018  
Vol． 44 No. 12  
年
月
北 京 航 空 航 天 大 学 学 报  
44  
12  
期
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics  
第
卷 第  
http: bhxb． buaa． edu． cn  
∥
jbuaa@ buaa． edu． cn  
DOI: 10． 13700 /j． bh． 1001-5965． 2018． 0340  
单平台成像目标运动特性反演方法  
1
1，*  
2
，
谌炳汉 左峥嵘  
，
夏鲁瑞  
( 1．  
，
华中科技大学 自动化学院 多谱信息处理技术国家级重点实验室 武汉  
430074;  
2． ， 101416)  
航天工程大学 太空安全研究中心 北京  
: ，  
要 针对单平台观测条件下目标运动特性反演问题 提出了基于序列图像的目  
摘
。 ，  
标空间位置重建及运动参数估计模型和方法 为抑制大气折射对位置重建精度的影响 提出  
， ， ， ，  
将大气视为球面分层 并划分若干层 采用反向追踪策略 从成像系统的入射光线出发 逆向计  
，
算出光线在每一层大气中的传输路径 根据追踪路径与目标发射面的交点确定目标空间位置  
。
， ，  
为减少发射面等先验参数误差的影响 以目标加速度参数一致性作为优化准则 采用迭代估  
， ， 。  
计 在先验误差范围内搜索最优发射面 修正重建误差 通过以上过程反演得到目标运动轨迹  
， ，  
以及运动参数 在先验误差范围内 反演的位置误差在  
200 m ， 60 m/s  
以下 速度误差在  
。
以下  
: ; ; ; ;  
词 运动参数估计 反向追踪 大气折射 分段拟合 先验信息优化  
关
键
: TP391． 41  
中图分类号  
: A  
: 1001-5965( 2018) 12-2528-08  
文章编号  
文献标识码  
，
，
问题 该类方法还不足以支撑目标参数测量的需  
目标的遥感测量可有效获取目标运动特性  
。
有助于对目标飞行试验效果进行评估 目标的轨  
迹重建是遥感测量系统获取目标信息的关键技  
。 ，  
因此 本文结合实际应用中所能获得的目标  
求
，
先验知识 研究具有更高估计精度的目标特性反  
。
，
术 目标的空间轨迹及运动参数通常需要双平台  
演方法  
， ，  
观察 并采用双目视觉方法进行重建 这提高了观  
1
单平台目标运动特性反演模型  
， ，  
测系统的复杂度 例如 天基红外预警系统的高轨  
4 2  
部分包括 颗静止轨道卫星和 颗大椭圆轨道卫  
:
在单平台下目标轨迹重建思路为 对获取的  
［1］  
，
星 低轨部分由  
21 ～ 28  
，
其部  
颗小型卫星组成  
，
序列图像进行目标的提取 确定目标在图像上的  
， ， ，  
署和维护成本极大 因此 在实际观测系统中 常  
， 。  
位置 获得不同成像时刻的目标图像位置 对每  
［2］  
。
常只进行单平台的观测  
这对单平台观测条  
， ，  
一个目标位置 根据对应的成像参数 计算目标视  
。
件下的目标运动特性反演提出了迫切的需求  
研
， ，  
线的方向矢量 从成像器所在位置出发 考虑大气  
究人员对单星条件下的目标运动参数估计方法进  
， ，  
折射 对目标视线的光学路径进行反向追踪 追踪  
，
行了较多的研究 参数估计方法主要包括基于弹  
，
路径与发射面的交点即为目标的空间位置 并通  
［3-4］  
道模板的弹道参数估计方法  
和基于目标运动  
过多帧图像反演获得的序列目标空间位置进行拟  
［5］  
。
，
为提高估计精度  
特性建模的参数估计方法  
， ，  
合处理 修正目标空间位置 反演目标运动参数  
。
研究人员进一步将目标动力特征的先验知识应用  
，
计算过程中所需的发射面参数可根据经验设定  
［6］  
，
于单星弹道导弹参数估计中  
但目前基于单星  
。
也可以由其他计算方式获得 单平台下成像目标  
1 。  
运动特性反演的总流程如图 所示  
的目标运动特性反演方法仍存在反演精度较低的  
: 2018-06-07;  
: 2018-07-13;  
: 2018-08-22 14: 37  
网络出版时间  
收稿日期  
网络出版地址  
． E-mail: zhrzuo@ mail． hust． edu． cn  
录用日期  
: kns． cnki． net/kcms/detail/11． 2625． V． 20180820． 1751． 010． html  
*
通信作者  
: ， ， ．  
引用格式 谌炳汉 左峥嵘 夏鲁瑞 单平台成像目标运动特性反演方法  
［J］．  
，2018 ，44 (12 ) : 2528-2535．  
北京航空航天大学学报  
CHEN B H ，ZUO Z R ，XIA L R． Motion characteristic inversion method of single platform imaging target［J］． Journal of Beijing  
University of Aeronautics and Astronautics，2018 ，44 (12 ) : 2528-2535 ( in Chinese ) ．  
2529  
12  
， :  
谌炳汉 等 单平台成像目标运动特性反演方法  
第
期
，
通过目标的提取 获得成像时刻在相机成像  
T
k
的第 帧图像上目标的位置  
p = ( x ，y ) ，  
图像行  
，
进而可求出  
k
k
r c，  
数 及列数 以及像元视场角   
pixel  
(
该位置对应于目标相对于光轴的偏角 α α  
x
， )  
为
y
= ( x － c/2)  
k
α
pixel  
x
y
{
= ( y － r/2)  
k
α
pixel  
2
目 标 视 线 方 向 矢 量 示 意 图 如 图 所 示  
，
O -X Y Z  
se se se se  
。
为传感器坐标系 根据光轴的偏角  
，
可计算得到由相机发出并最终到达目标的光线在  
［7-8］  
T =  
c
传感器成像坐标系下的初始方向向量  
( sin cos ，sin ，cos cos ) 。  
α α α  
y
α
α
x
y
y
x
3
根据如图 所示的成像投影相关坐标系的关  
，
系 可将先验获得的发射点位置及发射面转换到  
，
地心坐标系下 同时将目标视线矢量和发射面方  
，
程转换到统一的地心坐标系 坐标系变换涉及传  
、 、 、  
感器坐标系 平台坐标系 轨道坐标系 地心坐标  
［9-10］  
。
系等坐标系之间的转换  
3
图
成像投影相关坐标系的关系示意图  
3， t  
参见图 成像时刻 时的坐标系转换矩阵为  
k
Fig． 3 Schematic diagram of relationship between image  
projection related coordinate systems  
－1  
M = M  
k
M = M  
c
M
M
( 1)  
O -X Y Z  
到轨道坐  
c
sat2sensor  
orbit2sat  
earth2orbit  
: M  
式中  
为地心坐标系  
earth2orbit  
e
e
e
e
O -X Y Z  
o o o  
; M  
标系  
的转换矩阵  
为轨道坐标  
orbit2sat  
o
O -X Y Z  
o o o  
O -X Y Z  
的转换矩  
s
系
到平台坐标系  
o
s
s
s
; M  
O -X Y Z  
到传感器坐  
s
阵
为平台坐标系  
sat2sensor  
s
s
s
O -X Y Z  
se se se se  
。
3 e  
中的 和 α  
pt pt  
标系  
的转换矩阵  
图
O -X Y Z  
s s s  
分别为传感器指向在  
下的俯仰角和方  
s
。
位角  
根据目标视线方向及平台位置可得到过目标  
的射线方程为  
x － x  
y － y  
z － z  
s
s
s
=
=
( 2)  
t
t
t
x
y
z
: ( x ，y ，z )  
s s s  
; ( t ，t ，t )  
为传感器的空间位置  
x
式中  
y
z
1
图
实现方案总流程图  
; ( x，y，z)  
P
为目标点 的空间位  
为射线的法向量  
Fig． 1 General flowchart of implementation scheme  
，
置 可由以下联立方程解得  
x － x  
y － y  
z － z  
s
s
s
=
=
t
t
t
( 3)  
x
y
z
{
q x + q y + q z = 0  
x y z  
: ( q ，q ，q )  
x y z  
。
为平面法向量  
式中  
2
考虑大气折射影响的单平台目标  
空间位置反演  
，
由于受到地心引力的作用 地表大气密度分  
。 ，  
布不均 大量的实验研究表明 大气垂直方向比  
［11］  
1 ～ 3  
。
因此在  
水平方向的变化要大  
个数量级  
2
图
目标视线方向矢量示意图  
Fig． 2 Schematic diagram of target line-of-sight  
direction vector  
，
实际研究大气折射对光线传播的影响时 常常忽  

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