基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統設計

許靖添

(北京師范大學珠海分校 設計學院，廣東 珠海 519085)

0 引言

為提高航天系統的自主保護性能，降低安全風險系數，應注意其目標跟蹤系統的設置，避免航天器遭遇不良襲擊[1]。由于航天器目標跟蹤控制系統在設計時需要大量的航天器模擬數據，為此，不少研究學者針對航天器制造中可能產生的問題進行航天器目標跟蹤控制系統的設計，設法解決當前航天器存在的系統問題[2]。

當前研究集中于對航天器系統數據的檢驗中，對于中心系統的控制強度較高，在完善內部硬件元件的前提下能夠實現軟件系統輔助操作，提升了航天器的操作可控性，能夠為后續實驗操作提供數據基礎[3]。傳統基于FPGA的航天器目標跟蹤控制系統設計在操作過程中不斷改變自身的系統設置，并按照航天器所適應的標準原則進行系統操作數據提取，檢驗內控系統的基礎狀態，獲取良好的目標跟蹤控制結果[4]。

傳統基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統設計整合了所需的中心信息，時刻保證航天器系統數據的安全，具有一定的高效性[5]。但傳統研究在實驗時，會產生一定的操作浪費，操作步驟較為繁瑣，不符合系統的簡化要求，為此，根據上述問題，本文提出一種新式基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統設計對以上問題進行分析與解決。

本文系統設計整合了系統硬件的優勢功能，輔助軟件調整操作，獲取有關的操作數據，完善中心信息系統收集功能，獲得良好的目標跟蹤數據，提升了系統的操作有效性，縮減操作時間，一定程度上優化系統裝置，具有更好的研究價值。

1 航天器目標跟蹤控制系統硬件設計

圖像輪廓檢測作為較為關鍵的系統圖像數據檢測技術，在航天器目標跟蹤控制系統中具有較為重要的設備檢查地位，為強化對航天器目標跟蹤控制系統的設計性能，本文構建了不同的數據操作模塊，確保數據處于系統可調控位置，且保護系統硬件裝置不受外界影響[6]。通過E5-2600 v3/v4處理器設計了數據統計器，強化了對數據的統計，并進行集中性操作管理統計，通過VGA接口及RJ45獨立IPMI管理網口設計了數據傳輸模塊，實現了數據傳輸及存儲[7]。

數據統計器搭配E5-2600 v3/v4處理器，單處理器支持22核，雙QPI鏈接支持9.6 GT/s，多達16個DDR4內存插槽，具有7個PCIe擴展槽位支持全高卡的設計，能夠在統計數據較多的情況下實現數據實時管理與調配操作。通過不同的硬盤處理器將航天器目標跟蹤控制數據傳輸至數據統計系統中，逐步統計出系統所需數據，并按照經典處理模式將處理的數據統一收集到硬件主盤系統中作為存儲數據執行存儲任務[8]。支持12個內存，每個處理器支持6個內存通道，內存速度可達 2 933 MT/s，可進行全方面的數據控制操作，并研究中心處理器的剩余空間信息，并管理系統硬件交換線結構，設置交換式總線如圖1所示，保證數據的控制安全性。

圖1 交換式總線圖

在完成數據統計后，將統計的數據放置至數據傳輸模塊中，并選用相應的數據傳輸器處理數據傳輸過程，本文數據傳輸器具有2個前置USB 3.0接口、后置2個USB3.0接口，1個前置VGA接口、1個后置VGA接口，1個后置RJ45獨立IPMI管理網口，能夠在信息傳輸的同時進行控制管理，并不斷調整接口信息狀態，在信息集中后調整操作狀態，將統計數據由前置接口輸入，再經過流動通道傳輸控制信息，最后經過后置接口傳出所需數據，由此實現整體航天器目標跟蹤控制系統硬件設計操作[9]。

2 基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統軟件設計

在實現對系統硬件的設計后，通過圖像輪廓實現航天器目標跟蹤控制系統軟件設計。采集航天器輪廓圖像，獲取輪廓信息，選取閾值作為航天器目標跟蹤控制系統的操作系數，檢驗跟蹤目標的運動方向，調控方向數據，降低圖像的像素變化程度，實現航天器目標跟蹤精準控制。

設置軟件設計流程如圖2所示。

圖2 軟件設計流程圖

通過圖2可以看出，進行了軟件結構重組操作，將航天器目標跟蹤控制數據全部存儲至運輸通道中，控制數據的流通方向，擴展流通通道，保證數據流通的通暢性，并按照航天器目標選取原則控制選取的目標范圍，補充數據跟蹤控制算法[10]。設置如下步驟的軟件操作：

所設計的航天器目標跟蹤控制系統選取不同的操作組件進行操作研究，首先控制實時圖像的采集信息，由圖像輪廓檢測系統顯示接收的圖像信息，并實時處理接收的圖像數據，編制系統操作編碼，同時管理中心存儲模塊的信息狀態，按照解碼芯片的解碼功能破解內部程序信息，防止信息系統的崩潰，采集的航天器輪廓如圖3所示。選取合適的閾值，作為航天器目標跟蹤控制系統的操作系數，設置閾值設定方程式如下：

(1)

由上述公式可以看出，閾值D中的坐標處于T的可允許運動范圍內，根據動點F與動點B的具體位置確定閾值的精準操作范圍，并由此獲取相應的操作系數，執行內部航天器系統的軟件程序操作任務[11]。

圖3 采集的航天器輪廓圖

下達目標跟蹤控制查找命令，同時將命令范圍縮減至區域空間內，檢測動態目標控制算法，根據視頻顯示的航天器具體狀況劃分操作區域，并設定區域的標準域值基本掌握域值數據的分布條件[12]。監測數據目標，并提取目標數據，由于算法計算的過程較為龐雜，本文簡化基礎算法操作，將與研究數據無關的參數刪除，整合剩余的參數數據，集中檢驗跟蹤目標的運動方向，精準調控方向數據，降低圖像的像素變化程度，調配絕對差數據，設置絕對差調配公式如下所示：

K(x+i-1,y+j-1)

(2)

式中，P表示為絕對差坐標系數，T表示為跟蹤目標運動坐標數據，K表示為檢驗程度數值。按照上述調配操作，完善中心系統軟件部分的處理性能，同時標準化管理航天器目標跟蹤控制數據的操作實現數據，考慮目標運動的檢測準則，簡化數學形態處理操作，加強內部控制力度，設置數據監控裝置，確?？刂茢祿幱谝欢ǖ陌踩珷顟B中[13]。精準降低軟件模塊化管理程度，計算目標數據的運動方位角，并設置計算公式如下：

(3)

式中，a表示為目標數據的運動方位角數據，y表示為坐標系縱軸中的數據，x表示為坐標系橫軸中的數據，最終得出的a角為銳角[14]。設置相關的角度方位參數如圖4所示。

圖4 角度方位參數圖

將獲取的方位角數據集中收集至軟件信息庫中，加大中心溝通力度，并調配系統信息管理數據，在獲得相應的管理數據數值后，解鎖軟件程序空間信息，并釋放程序因子，排除外界干擾數據，避免數據受到外來侵擾，實現整體航天器目標跟蹤控制系統設計[15]。

通過采集到的航天器輪廓圖，監測并提取目標數據，設置絕對差調配公式檢驗跟蹤目標的運動方向，降低圖像的像素變化程度，通過計算目標數據的運動方位角來精準調控方向數據，實現航天器目標的精準跟蹤控制。

3 實驗結果與分析

為檢驗所設計系統的目標跟蹤控制性能，設計不同的實驗環境，將本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統與傳統的基于FPGA的航天器目標跟蹤控制系統系統及基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統進行比較，同時構建操作實驗背景數據集實驗操作步驟如下：

實驗在仿真環境Matlab軟件中進行，采用國家航天局網站(http://www.cnsa.gov.cn/)中的航天器圖像為實驗數據。為驗證系統操作板塊處于可控狀態中，將實驗環境設置在密閉環境中，同時盡量避免實驗數據與外來數據的接觸，保證數據的完整程度，同時對數據的基礎時序進行檢驗，設置相應的時序如圖5所示。

圖5 時序圖

管理內部調控系統，將不同的系統設計操作數據集中調進內部信息空間中，結合硬件管理手段與軟件整合手段，不斷加強中心區域的實驗參數數量添加程度，利用邏輯分析儀分析航天器目標跟蹤控制系統的存在可行性，調配保護裝置位置，時刻保護數據的存儲狀態。在經過上述初始實驗操作后，設置實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

根據表1的實驗參數進行數據操作實驗研究，集中圖像解碼數據，并整合數據信息，將需進行基礎性檢驗的數據集中至內部調配系統空間中，同時按照系統操作的基礎流程管理內部空間范圍，追蹤數據解碼圖像，在圖像傳輸至主系統的過程中攔截錯誤數據，避免錯誤數據對實驗結果的干擾，同時控制數據時序順序，對數據時序進行圖像設置，如圖6所示。

圖6 數據時序圖

強化內部調控力度，并將調控中心轉移至實驗環境中心位置，主導內部系統的信息控制方向，將不同方法的系統設計操作放于同一操作通道中，進行實驗對比，并設置相應的目標跟蹤控制有效率對比如圖7所示。

圖7 目標跟蹤控制有效率對比圖

根據圖7可以分析出，基于FPGA的航天器目標跟蹤控制系統設計具有較高的目標跟蹤控制有效率，平均值為53%，傳統基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統設計的目標跟蹤控制有效率較低，平均值為31%，而本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統設計的目標跟蹤控制有效率均高于其他兩種傳統系統，平均值為84%。造成此種差異的原因在于本文系統在操作過程中不斷轉化信息數據功能，并將控制系統的重心轉移至控制系統內部，合理調配相關性數據，并整合操作的內部系統數據，完善航天器信息，合理管理信息的存儲空間，具有較高的跟蹤控制有效率。

為更好地比較出本文系統設計的性能，設置二次實驗環境進行實驗操作，并管理試驗數據的擠出流向，涉及如表2所示的二次試驗參數表。

表2 實驗參數

在表2中，選取相關的參數管理數據，將內部系統的設計信息統一集中到管理系統中，管理信息存儲空間，將分配的航天器目標跟蹤控制數據收集到信息處理系統中，并調節系統間的內部結構矛盾，保證數據處于精準處理狀態中，設置狀態調整如圖8所示。

圖8 數據狀態調整圖

計算航天器目標跟蹤控制系統的控制系數，調配控制系數的存儲區域，并將區域的范圍擴大到系統操作范圍中，整合控制數據，確保數據可進行自主流動操作，并加強信息中心管理操作力度，在管理的基礎上進行實驗研究，整合實驗數據，將獲得的本文系統設計的目標跟蹤控制位置圖像與傳統系統設計的目標跟蹤控制位置圖像進行比較，如圖9所示。

圖9 目標跟蹤控制位置圖像對比圖

對比圖9可以得出，傳統航天器目標跟蹤控制系統的目標跟蹤控制位置與理想位置差距較大，且跟蹤位置的準確率較差，而本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統與理想位置差距均小于其他兩種傳統系統設計的差距，準確率較高。由于本文在實驗過程中不斷擴大對控制數據的監控范圍，時刻把握數據的基礎位置，并調控數據信息，將所獲取的信息集中統計于同一航天器目標跟蹤控制系統數據庫中，簡便操作步驟，優化控制性能，獲取較佳的目標跟蹤控制位置。傳統基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統設計在管理自身系統數據的同時兼顧對航天器目標數據的監測操作，強化內部信息的整合力度，擴展控制空間，具有良好的目標跟蹤控制位置。

綜上所述，本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統設計的設計效果較好，能夠完整處理航天器目標信息，具有較強的操作性能。

4 結束語

本文在傳統航天器目標跟蹤控制系統設計的基礎上提出了一種新式基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統設計，實驗結果表明，該系統設計效果明顯優于傳統系統，提高了目標跟蹤控制有效率及準確率。所設計系統結合了系統硬件裝置與軟件程序的優勢，減緩了系統內部矛盾，具有較高的系統整合性，能夠在較高程度上完善系統，獲得更好的操作結果數據，具有更為廣闊的發展前景。