低轨空间目标天基大视场光学监视关键技术研究

Space object surveillance is an important issue in the collision warnning field. Since space-based optical surveillance has many advantages including wide space coverage, high detection sensitivity, no limitation by weather and time. It is one of the potential means of space surveillance. When low earth orbit (LEO) space targets are surveilled by space-based visible sensor working in stare mode, it seems difficult to devise target surveillance strategy because of distribution complexity of LEO targets, and detect faint streak target in complex starry background including lots of overlapping streaks with different brightness because of the angular motion of star and space targets relative to visible sensor. Firstly, this project builds the space distribution model of LEO targets and the observable space model of visible sensor, and defines the optimization object function of surveillance efficiency to optimize the LEO target surveillance strategy of space-based visible sensor. Secondly, the star motion characteristic model is built. The star detection algorithm is proposed to suppress the complex starry background, then faint streak target detection algorithm is also proposed. Finally, STK simulation software is used to test and improve the target surveillance strategy. Simulation data are used to test and improve the target detection algorithm. The research results achieved in this project will promote the utilization progress of space-based optical surveillance of LEO target.

空间目标监视是碰撞预警领域的关键技术问题之一，天基光学监视具有空域覆盖广、探测灵敏度高、全天时全天候等优势，是一种极具应用前景的技术手段。当天基大视场光学相机以凝视模式监视低轨空间目标时，一方面由于目标的空间分布特性复杂，使得监视策略设计难度大；另一方面由于恒星、目标都与监视相机存在相对角运动，会形成数量众多、亮暗不一且存在交叠的条纹，需要在复杂星空背景中检测暗弱条纹目标。本项目首先建立低轨目标的空间分布模型和相机的观测空域模型，定义监视效率最优化目标函数，优化设计低轨目标天基光学监视策略。然后建立恒星的运动特性模型，研究恒星检测方法，用于抑制复杂星空背景，在此基础上研究暗弱条纹目标检测方法。最后使用STK仿真软件验证优化目标监视策略，并利用仿真数据验证完善目标检测方法。本项目研究将积极推动低轨空间目标天基光学监视技术的实用化进程。

人类在开展空间活动的同时，也产生了数以亿计的空间碎片，它们不仅占用了轨道资源，而且严重威胁着航天资产的安全，至今已发生多起空间目标碰撞事件。为了尽量避免空间碰撞事件的发生，需要通过雷达和光电传感器建立并维持空间目标的轨道编目数据库。与传统的地基监视手段相比，天基光学监视具有空域覆盖广、探测灵敏度高、全天时全天候等优势，是一种极具应用前景的技术手段。当卫星光学载荷采用自然交会模式观测低轨目标时，需要解决目标监视策略优化设计和复杂星空背景暗弱目标检测两大难点问题。.围绕立项时确定的研究目标和内容，本课题首先依据整体低轨目标的轨道根数特性建立空间目标的外空分布模型，同时基于目标的光学可见性约束条件建立相机的观测空域模型；在此基础上定义监视效率最优化目标函数，用以优化设计低轨目标天基光学监视策略，从而得到不同轨道高度下卫星平台和光学载荷的观测模式设计指标等重要结论，该理论分析结果得到了卫星仿真软件的实验验证。其次，基于对空间目标及恒星运动特性的分析结论，本课题通过星图自适应快速配准补偿恒星在图像序列中的运动；以此为基础在时域通过相关处理增强恒星，并进行图像分割检测恒星制备标记模板，用于在空间域通过形态学重构来恢复恒星目标的完整星像，进而用来抑制恒星目标，此外还在时间域采用膨胀差分技术进一步抑制残余的恒星目标；对于图像中的暗弱低轨目标，基于目标的运动及观测特性，建立其运动状态和观测空间模型，将随机有限集算法用于解决暗弱目标检测前跟踪问题，天基仿真和地基实测图像测试表明本算法能够有效检测图像中暗弱空间目标。.本课题研究将积极推动低轨空间目标天基光学监视技术的实用化进程，研究成果的应用前景广阔。