關于MATLAB圖像分析在優(yōu)化飛行軌跡方面的作用分析

在看到冥王星萌萌愛意前一年，“新視野”號探測器對機載相機拍攝的照片進行圖像處理以實現優(yōu)化飛向冥王星的軌道，NASA稱這一過程為Opnav（optical navigation，光學導航）。

從2014年7月20日開始至今，“新視野”號搭載的三個科學用相機拍攝了近800張照片，并把這些照片傳送回地球，交由兩個導航團隊進行處理分析。PNAV(項目導航)團隊使用MATLAB軟件，負責主導航任務。INAV(獨立導航)團隊使用Fortran和c語言編寫進行處理。

對比兩個系統在飛越木星過程中的表現，發(fā)現PNAV和INAV導航系統效果一致，結果可靠。

飛越木星測試中的木衛(wèi)十七圖像

（圖片來源:“Optical Navigation Preparations for NewHorizons Pluto Flyby”）

圖像分析和優(yōu)化應用于導航

圖像處理和優(yōu)化方法用于及時確定冥王星及其衛(wèi)星的精確位置，可以盡早完成對航向的精確修正，并為“新視野”號之后的飛行節(jié)省很多燃料。

決定冥王星軌跡的三大挑戰(zhàn)：

當探測器離目標很遠時，拍攝的低分辨率照片限制了計算精度；

冥王星的大小、形狀和表面亮度變化及其衛(wèi)星并不為我們熟知，在計算時需要考慮誤差和補償；

在計算時需要考慮光速，探測器運動的影響，以及相機拍攝時的指向漂移；

MATLAB SPICE工具包

PNAV團隊使用MATLAB版本的NASASPICE工具包完成通過圖像處理實現對探測器飛行軌跡的優(yōu)化。

這一工具包在多行星任務中用于確認：

探測器的位置；

探測器及其儀器的指向；

觀察目標的位置、大小、形狀和方向；

探測器或地面上可能會影響科學觀測的事件；

主要導航分析步驟

確定前往冥王星的最佳路徑需要三個步驟：

找到視野中心的星并與天文星表匹配；

確定探測器的姿態(tài)和指向；

尋找觀測目標 (冥王星及其衛(wèi)星) 的中心；

冥王星和卡戎星拍攝圖像（拍攝時間：2015年4月12-18日）

首先，通過匹配濾波處理將天文圖表與拍攝照片相匹配，找出所攝視野方位；再由圖像配準技術確定探測器姿態(tài)，補償在拍攝圖像時探測器x和y方向上的漂移和旋轉；然后，通過搭建目標模型與拍攝圖像的互相關性尋找目標(冥王星及其衛(wèi)星)中心。隨著探測器的不斷靠近，冥王星的大小，形狀，及其衛(wèi)星的表面亮度的變化數據不斷更新，目標模型也就更加精準，最終完成對“新視野”號探測器的路徑導航優(yōu)化。

其中PNAV團隊基于圖像處理的算法使用MATLAB以及SPICE工具包完成計算，而INAV團隊則基于非線性最小二乘算法，使用Fortran和C語言編寫實現對“新視野”號的導航。

與其他使用兩個獨立導航程序的系統一樣，“新視野”號探測器導航系統的每一個分析步驟都使用兩種的算法計算，并相互檢驗以保證計算結果的精準無誤。