在看到冥王星萌萌愛(ài)意前一年，“新視野”號(hào)探測(cè)器對(duì)機(jī)載相機(jī)拍攝的照片進(jìn)行圖像處理以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化飛向冥王星的軌道，NASA稱這一過(guò)程為Opnav（optical navigation，光學(xué)導(dǎo)航）。

從2014年7月20日開(kāi)始至今，“新視野”號(hào)搭載的三個(gè)科學(xué)用相機(jī)拍攝了近800張照片，并把這些照片傳送回地球，交由兩個(gè)導(dǎo)航團(tuán)隊(duì)進(jìn)行處理分析。PNAV(項(xiàng)目導(dǎo)航)團(tuán)隊(duì)使用MATLAB軟件，負(fù)責(zé)主導(dǎo)航任務(wù)。INAV(獨(dú)立導(dǎo)航)團(tuán)隊(duì)使用Fortran和c語(yǔ)言編寫(xiě)進(jìn)行處理。

對(duì)比兩個(gè)系統(tǒng)在飛越木星過(guò)程中的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)PNAV和INAV導(dǎo)航系統(tǒng)效果一致，結(jié)果可靠。

飛越木星測(cè)試中的木衛(wèi)十七圖像

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

圖像分析和優(yōu)化應(yīng)用于導(dǎo)航

圖像處理和優(yōu)化方法用于及時(shí)確定冥王星及其衛(wèi)星的精確位置，可以盡早完成對(duì)航向的精確修正，并為“新視野”號(hào)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(dāng)探測(cè)器離目標(biāo)很遠(yuǎn)時(shí)，拍攝的低分辨率照片限制了計(jì)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(jì)算時(shí)需要考慮誤差和補(bǔ)償；

在計(jì)算時(shí)需要考慮光速，探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的影響，以及相機(jī)拍攝時(shí)的指向漂移；

MATLAB SPICE工具包

PNAV團(tuán)隊(duì)使用MATLAB版本的NASASPICE工具包完成通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器飛行軌跡的優(yōu)化。

這一工具包在多行星任務(wù)中用于確認(rèn)：

探測(cè)器的位置；

探測(cè)器及其儀器的指向；

觀察目標(biāo)的位置、大小、形狀和方向；

探測(cè)器或地面上可能會(huì)影響科學(xué)觀測(cè)的事件；

主要導(dǎo)航分析步驟

確定前往冥王星的最佳路徑需要三個(gè)步驟：

找到視野中心的星并與天文星表匹配；

確定探測(cè)器的姿態(tài)和指向；

尋找觀測(cè)目標(biāo) (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(shí)間：2015年4月12-18日）

首先，通過(guò)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(zhǔn)技術(shù)確定探測(cè)器姿態(tài)，補(bǔ)償在拍攝圖像時(shí)探測(cè)器x和y方向上的漂移和旋轉(zhuǎn)；然后，通過(guò)搭建目標(biāo)模型與拍攝圖像的互相關(guān)性尋找目標(biāo)(冥王星及其衛(wèi)星)中心。隨著探測(cè)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(shù)據(jù)不斷更新，目標(biāo)模型也就更加精準(zhǔn)，最終完成對(duì)“新視野”號(hào)探測(cè)器的路徑導(dǎo)航優(yōu)化。

其中PNAV團(tuán)隊(duì)基于圖像處理的算法使用MATLAB以及SPICE工具包完成計(jì)算，而INAV團(tuán)隊(duì)則基于非線性最小二乘算法，使用Fortran和C語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)對(duì)“新視野”號(hào)的導(dǎo)航。

與其他使用兩個(gè)獨(dú)立導(dǎo)航程序的系統(tǒng)一樣，“新視野”號(hào)探測(cè)器導(dǎo)航系統(tǒng)的每一個(gè)分析步驟都使用兩種的算法計(jì)算，并相互檢驗(yàn)以保證計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)無(wú)誤。