[发明专利]一种深空光通信扩展信标捕获跟踪方法

摘要

一种深空光通信扩展信标捕获跟踪方法，它涉及扩展信标图像的处理方法。它解决传统方法对扩展信标进行捕获和跟踪时精度低、误差大的问题。本发明把实际信标图像的噪声合理的近似为附加高斯白噪声，采用最小二乘法捕获信标图像，确定信标图像的中心位置，使系统进入跟踪模式，然后基于离散傅立叶变换和极大似然算法对信标图像的旋转角度和平移量进行计算，根据平移量和旋转角度的计算值，可以计算出信标图像的中心，根据该中心位置更新光通信终端天线的指向。本发明通过缩小探测器视场、提高测量精度、采用天线扫描结合像素扫描的方法进行扩展信标捕获，节省捕获时间，信标的成功捕获概率为98％以上；同时，本发明的控制光学天线光学天线的跟踪误差控制在5％以内。

主权项

1、一种深空光通信扩展信标捕获跟踪方法，其特征在于：一、按以下步骤捕获扩展信标位置：①在深空激光通信链路建立和运行的过程中，根据自然天体和飞行器星历表确定惯性坐标系下的光通信终端初始对准方向，该方向指向所要捕获的扩展信标；②将上述惯性坐标系中的瞄准方向矢量通过坐标变换转换到星上俯仰坐标系中，使所述通信光束的控制在飞行器的星上俯仰坐标系中进行；③根据航天器的相关技术参数，结合统计学原理确定不确定区域平面视场角；④在上述不确定区域内按照预定角间隔进行天线扫描，在扫描过程中，使天线在扫描轨迹上各位置点停留一段时间，信标探测器对所对准的区域成像，然后将获得的实际扩展信标图像和预存在系统内的标准扩展信标图像的二维矩阵分别先进行傅立叶-梅林变换并取二者的幅度矩阵，再利用二次插值将二者的幅度矩阵转换到对数极坐标系，并按下述公式(1)计算上述二者幅度矩阵的误差系数，L=Σi=1MΣj=1N[Ms(i,j)-MF(i,j)]2---(1)]]>上式中，L为上述二者幅度矩阵的误差系数，M为插值到对数极坐标系中矩阵的行数，N为插值到对数极坐标系中矩阵的列数，M_S(i，j)为上述标准扩展信标图像在对数极坐标系中的傅立叶-梅林变换的幅度，M_F(i，j)为实际信标图像在对数极坐标系中的傅立叶-梅林变换的幅度；⑤控制探测器的光通信终端天线对准上述误差系数取最小值时的位置，于是完成捕获过程；二、在上述捕获过程结束后进入扩展信标的跟踪过程，跟踪的具体步骤如下：I、第一次跟踪时，将上述预存在系统内的标准扩展信标图像或上述捕获完成后跟踪过程初始时刻的信标图像作为这次跟踪的参考图像，然后利用探测器获得此时发生了相对运动的扩展信标的实测图像；II、按以下步骤计算在直角坐标系中实测图像相对于参考图像的旋转角：A、将实测图像看成是参考图像和附加高斯白噪声之和，然后对跟踪探测到的实际图像和参考图像分别进行离散傅立叶变换并取模，获得上述两图像的幅度谱；B、将实际图像和参考图像的幅度谱利用二次插值转换到极坐标系下获得上述两图像在极坐标系下的幅度矩阵，并按下述公式(2)计算附加高斯白噪声在极坐标系下的幅度矩阵为，        G(m，n)＝M_R(m，n)-M₁(m，n-k)                 (2)上式中，G(m，n)为附加高斯白噪声在极坐标系中的幅度二维矩阵，M_R(m，n)为极坐标系中实测图像的幅度矩阵，M₁(m，n-k)为极坐标系中参考图像的幅度矩阵，k为极坐标系中实测图像相对于参考图像角度平移量；C、定义上述附加高斯白噪声在极坐标系下的幅度矩阵的各像素点服从均值为0的高斯分布且各点噪声值相互独立，然后按下述公式(3)计算所述角度平移量k的极大似然估计，k^=-N2π·Σm=0MΣn=0Nn|(ωm,n)|ξΣm=0MΣn=0Nn2|ω(m,n)|---(3)]]>上式中，为所述角度平移量k的极大似然估计，|ω(m，n)|为上述M_R(m，n)的离散傅立叶变换与上述M₁(m，n-k)的共轭离散傅立叶变换相乘的模，ξ为ω(m，n)的傅立叶相位角；D、按下述公式(4)计算直角坐标中实际图像相对于参考图像旋转角，θ0=2N·k^---(4)]]>上式中，θ₀为直角坐标系中实测图像相对于参考图像的旋转角，N为插值后的图像矩阵列数，它的值与公式(1)中的N一致；III、按以下步骤计算直角坐标系中实测图像相对于参考图像的平移量：a、将上述旋转角θ₀代入下述公式(5)计算旋转后的参考图像的二维矩阵，s₂(m，n)＝s(m·cosθ₀+n·sinθ₀-x₀，-m·sinθ₀+n·cosθ₀-y₀)    (5)上式中，s₂(m，n)为转动后的参考图像二维矩阵，s(m，n)为初始参考图像二维矩阵，x₀为直角坐标系中实测图像相对于参考图像的横坐标平移量，y₀为直角坐标系中实测图像相对于参考图像的纵坐标平移量；b、根据下述公式(6)计算直角坐标系中实测图像相对于参考图像的横坐标平移量和纵坐标平移量，-12πΣm=0MΣn=0Nm|υ(m,n)|β(m,n)=x0Σm=0MΣn=0NmmM|υ(m,n)|+y0Σm=0MΣn=0NmnN|υ(m,n)|-12πΣm=0MΣn=0Nn|υ(m,n)|β(m,n)=x0Σm=0MΣn=0NnmM|υ(m,n)|+y0Σm=0MΣn=0NnnN|υ(m,n)|---(6)]]>上式中，υ(m，n)为旋转后的参考图像和实测图像的傅立叶变换的共轭矩阵的积，|υ(m，n)|为υ(m，n)的模，β(m，n)为υ(m，n)的傅立叶相位角矩阵；IV、根据旋转角度和平移量，按下述公式(7)确定实测图像的中心位置，              x_t＝x′cosθ₀+y′sinθ₀-x₀           (7)              y_t＝-x′sinθ₀+y′cosθ₀-y₀上式中，(x′，y′)为这次跟踪所用参考图像的中心位置，(x_t，y_t)为实测图像的中心位置；V、将探测器的光通信终端天线对准此时实测图像的中心位置，于是就完成了第一次跟踪过程；VI、当进行下一次跟踪时，将第一次跟踪所测的扩展信标实测图像作为这次跟踪的参考图像，然后利用探测器获得此时发生了相对运动的扩展信标的实测图像，再重复执行第II至IV步，并将探测器的光通信终端天线对准这次跟踪实测图像的中心位置；VII、在以后的每次跟踪过程中都以上一次跟踪获得的实测图像作为本次跟踪的参考图像，并根据获得的本次跟踪实测图像的中心位置调整探测器光通信终端天线的对准方向。