融合天基光学探测多特征的空间目标行为辨识方法

作     者：鲍广震 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：智喜洋

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：空间目标 行为辨识 无损卡尔曼滤波 特征融合 支持向量数据描述 

摘      要：随着国际太空安全战略的转变和卫星抵近技术的不断发展,我国将面临更加复杂的太空安全威胁与挑战。如何通过准确辨识高价值空间目标的各种异常行为,实现目标威胁评估、意图判断等目的,已成为研究热点。然而,基于天基光学探测得到的图像特征不仅与空间目标自身行为特性有关,还与天基观测平台成像时刻的姿态、轨道密切相关,目前缺少基于天基探测平台获取多维特征的空间目标行为辨识方法研究。本文即是针对该问题,开展融合天基探测多特征的空间目标行为辨识方法研究,并进行相应的实验验证。主要研究工作如下:(1)典型空间目标行为特性建模与分析。本文从空间目标的动力学原理出发,研究了典型目标行为运动特性,在此基础上,建立了空间目标轨道抬升、热点凝视等常规行为与绕飞凝视,轨道相位调整、密集目标释放等威胁行为的数学模型。立足于天基光学探测物理机理,对典型空间目标抵近、伴飞等6类高威胁行为进行了仿真分析,为空间目标的行为特征提取与辨识方法研究提供先验与依据。(2)空间目标行为特征及提取方法研究。本文针对空间目标和天基探测平台的相对运动耦合导致观测条件复杂的问题,结合目标图像与探测平台参数,研究了典型空间目标特征提取方法。基于空域背景建模方法,提取目标边缘、能量、四向偏心比等特征,然后结合无损卡尔曼滤波异步特征提取方法、马尔科夫状态转移理论,提出了基于阶段转移无损卡尔曼滤波的运动特征提取方法,有效降低了目标行为阶段变化引起的特征提取误差,实验结果表明,提出方法能够实现对伴飞、抵近等不同行为间多维特征的准确提取。(3)融合多维特征的空间目标行为辨识方法研究。本文立足于最大化行为特征类间距离准则,研究了基于动态时间规整理论的特征时域融合算法和基于核典型相关分析的特征空域融合方法,针对多特征的关联性和冗余性,实现了不同行为特征距离最大化。在基于数据相关分析的特征融合基础上,构建了基于支持向量数据描述的目标行为分类器。最后以动能拦截器、星链卫星等典型空间目标为例进行实验,实验结果表明基于上述所提特征,本文方法能够实现对抵近、绕飞凝视、密集目标释放等6种高威胁行为的准确辨识,识别概率优于92%。