一种APT目标捕获定位方法和系统与流程

本发明涉及激光通信，具体涉及apt捕获定位领域。

背景技术：

1、在激光通信、自由空间光通信和光电跟踪系统中，apt（acquisition, pointingand tracking，捕获、瞄准与跟踪）系统一般需要先在一定方位-俯仰角域内执行捕获扫描，以发现目标信标、目标光斑或可用于进入跟踪环节的候选目标。常用捕获方式包括光栅扫描、螺旋扫描、分区扫描、局部重访扫描以及多视场辅助捕获等。在实际应用中，apt转台在捕获时，由于候选光斑在图像中的出现时刻并不等同于转台反馈角的理想同步时刻，图像有效曝光时刻、图像帧时间戳、图像处理输出时刻与转台方位/俯仰反馈角有效采样时刻之间形成的等效时间偏移，由于系统在高速扫描或加减速扫描过程中使用候选光斑所在图像帧对应的反馈角进行角域反算，目标角域位置估计值产生了与扫描速度方向相关的定位偏差，直接导致捕获定位不准确。

2、现有技术中，通常采用自由空间光通信 apt 系统结构、星间激光通信捕获扫描、不确定区域覆盖、扫描步长优化、多扫描图案以及电子视轴补偿等方式提高捕获概率、降低漏扫概率、缩短捕获时间或改善链路对准效果。但是该类方法通常侧重于搜索区域覆盖、扫描效率提升、捕获概率优化或链路对准补偿而忽略了捕获定位精度以及捕获效率的提升。

技术实现思路

1、本发明缓解了现有apt目标捕获定位技术存在捕获定位不准确且效率低的问题。本发明提供如下方案：

2、方案一、一种apt目标捕获定位方法，所述方法包括以下阶段：

3、初始捕获阶段，根据待捕获区域的搜索范围生成捕获扫描指令，对待捕获区域进行观测，直到观测到光斑，则作为候选光斑，并获得对应的角域观测值；

4、若所述候选光斑满足异向重访触发条件，则进行异向重访阶段和异向重访捕获阶段；否则，基于所述角域观测值，获得目标角域位置估计值，并进行跟踪阶段；

5、所述异向重访阶段为，根据所述候选光斑的搜索范围生成捕获扫描指令，对所述候选光斑的角域邻域进行若干次异向重访观测，获得若干个异向重访候选光斑及其对应的角域观测值和反馈角速度向量，进行异向重访捕获阶段；

6、所述异向重访观测阶段，用于对所述候选光斑的角域邻域进行异向重访观测，若观测到光斑，则作为异向重访候选光斑；

7、异向重访捕获阶段，当候选光斑及其对应的若干个异向重访候选光斑的所有反馈角速度向量满足预设差异约束时，基于候选光斑及其对应的若干个异向重访候选光斑的所有角域观测值和反馈角速度向量，获得目标角域位置估计值，并进行跟踪阶段；

8、跟踪阶段，基于所述目标角域位置估计值，获得跟踪指令，完成apt目标捕获定位。

9、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述角域观测值为：

10、，

11、其中，为角域观测值，为图像帧有效时刻对应的方位/俯仰反馈角向量，为图像角偏移向量，为光斑序号，=1，表示候选光斑，取大于1的整数时，表示对所述候选光斑进行第(-1)次异向重访观测获得的异向重访候选光斑。

12、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述反馈角速度向量为：

13、，

14、其中，为反馈角速度向量；为时间间隔；为光斑序号，=1，表示候选光斑，取大于1的整数时，表示对所述候选光斑进行第(-1)次异向重访观测获得的异向重访候选光斑。

15、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述异向重访捕获阶段包括：

16、基于候选光斑及其对应的若干个异向重访候选光斑的所有角域观测值和反馈角速度向量，获得系统等效时延；

17、当所述系统等效时延在预设范围时，根据所述系统等效时延，对所有角域观测值分别进行校正，获得对应的若干个校正后的角域观测值；基于所述若干个校正后的角域观测值，获得目标角域位置估计值；

18、当所述目标角域位置估计值满足捕获确认条件时，则执行跟踪阶段。

19、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述系统等效时延的公式为：

20、，

21、其中，上标表示转置，表示向量范数，为反馈角速度向量，为角域观测值，下角标、分别表示不同光斑的序号。

22、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述校正后的角域观测值为：

23、，

24、其中，为光斑序号。

25、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述目标角域位置估计值为：

26、，

27、其中，为第个候选光斑的质量权重。

28、方案二、一种apt目标捕获定位系统，所述系统包括探测器、转台控制模块、转台反馈角采集模块、apt控制处理模块：

29、所述探测器，用于根据捕获扫描指令，采集待捕获区域的区域图像；还用于将所述区域图像发送给所述apt控制处理模块；

30、所述转台控制模块，用于根据捕获扫描指令，获得分别驱动方位轴驱动单元和俯仰轴驱动单元的驱动指令，用于通过调整方位/俯仰转台的姿态使得所述探测器采集捕获扫描指令中指定方向的区域图像；

31、所述转台反馈角采集模块，用于采集所述方位/俯仰转台的姿态信息，所述姿态信息包括方位轴反馈角、俯仰轴反馈角和对应的时间序列；还用于将所述反馈角信息发送给所述apt控制处理模块；

32、所述apt控制处理模块，用于基于所述反馈角信息和所述区域图像，获得角域观测值；还用于嵌入有计算机程序，所述计算机程序运行时，apt控制处理模块执行方案一所述的方法。

33、本发明所述的一种apt目标捕获定位方法和系统是基于异向重访观测和反馈角速度差分实现的，有效缓解了现有apt目标捕获定位技术存在捕获定位不准确且效率低的问题。具体有益效果包括：

34、1、本发明所述的apt目标捕获定位方法，利用了异向重访扫描过程中不同反馈角速度状态下的角域观测差异，估计成像时刻、图像帧时间戳、图像处理输出时刻与反馈角采样时刻之间形成的系统等效时延，据此修正候选光斑角域定位结果，在不依赖固定预标定时延的情况下，利用捕获过程中的异向重访观测对目标角域位置估计值进行自校正，生成更可靠的初始跟踪指令，使捕获到跟踪切换时的初始指向更接近目标角域位置估计值，提高了 apt 捕获阶段候选光斑角域定位精度，降低了由成像-反馈角配准误差引起的方向相关定位偏差。

35、2、本发明所述的apt目标捕获定位方法，本发明采用系统等效时延用于表征候选光斑角域反算过程中，图像有效曝光时刻、图像帧时间戳、图像处理输出时刻与转台方位/俯仰反馈角有效采样时刻之间形成的等效时间偏移。重点在于表征会直接引起候选光斑角域反算偏差的成像-反馈角配准误差。

36、3、本发明所述的apt目标捕获定位方法，在 apt 目标捕获阶段检测到候选光斑后，根据工况判断是否执行异向重访扫描，利用不同反馈角速度状态下角域观测偏差不同的特点，对目标角域位置和系统等效时延进行估计，对候选光斑角域定位结果进行系统等效时延自校正，实现apt 捕获阶段的定位校正，提高捕获定位结果进入跟踪环节前的可靠性。

37、4、本发明所述的apt目标捕获定位系统，可利用现有apt系统中的探测器图像、图像帧时间信息以及转台方位/俯仰反馈角，获得候选光斑对应的角域观测值和反馈角速度向量，并根据不同观测之间的角域差异和反馈角速度差异估计系统等效时延，对候选光斑角域位置进行校正。与采用专用同步采集设备或对相机、转台反馈链路进行硬件同步改造的方式相比，不需要增加复杂硬件，主要依托已有探测器图像、图像帧时间戳、转台反馈角和控制处理单元实现，便于软件集成。

38、本发明涉及光电跟踪与激光通信领域，适用于高速扫描、加减速扫描和扫描方向变化等实际工况，避免仅靠降低扫描速度或增加扫描重叠来保证捕获可靠性。