?LITE：面向在轨巡检的可微分光照感知轨迹评估

《Acta Astronautica》：?LITE: Differentiable lighting-informed trajectory evaluation for on-orbit inspection

　　

对空间资产进行视觉巡检，正日益受到航天器运营方关注，用于规划维护、表征损伤并延长高价值卫星在轨寿命。低地球轨道(LEO)环境在规划巡检任务以最大化可见性、信息与数据质量方面存在独特挑战。航天器本体对太阳光的镜面反射(specular reflection)、自阴影(self-shadowing)以及LEO中的动态光照，会显著影响整个轨道内所捕获数据质量。巡检航天器与目标之间相对运动又会引入成像距离和姿态变化，进一步增加难度。借助仿真规划巡检轨迹是常见做法，但针对场景来设计并优化巡检轨迹、从而改善所得图像质量的能力，基本上仍未被充分研究。研究人员提出?LITE，一种用于在轨巡检的端到端可微分仿真流水线。该系统利用先进可微分渲染工具与自定义轨道传播器，实现基于视觉代价的轨道参数端到端优化。?LITE使非平凡轨迹可被自动设计，大幅提升所获数据质量与可用性。据研究人员所知，这种光照感知可微分巡检规划流水线是同类首创，并为航天器任务规划中的现代计算方法提供新见解。

论文解读：《Acta Astronautica》刊载的?LITE研究

研究背景方面，近地空间资产数量与价值快速增长，使在轨视觉巡检成为支撑损伤评估、维护规划与寿命延寿的重要能力。高地球轨道(GEO)巡检可获得较稳定光照与较慢相对动力学，而低地球轨道(LEO)受更强轨道摄动、动态光照与快速相对运动影响，成像几何持续变化。现有在轨巡检轨迹规划多依赖几何观测指标，如表面覆盖、视角、距离约束，或利用仿真回放任务轨迹、生成位姿估计与导航数据。已有方法较少把镜面反射、自阴影、传感器饱和等光度效应直接纳入图像质量代价。ADRAS-J等任务表明，近距离巡检虽可获取高分辨率图像，但高动态范围(HDR)、饱和与眩光会使部分图像失去信息价值。因此，需要一种能把轨道动力学、物理光照与图像域代价连起来的规划框架。

研究人员开展的研究是构建?LITE：一种端到端可微分在轨巡检仿真与优化流水线。其把自定义可微分SGP4轨道传播器与基于Mitsuba 3的物理可微分渲染器耦合，从两行根数(TLE)和历元出发计算太阳向量与航天器位姿，渲染巡检图像，再用图像域视觉代价反向传播梯度，优化追逐航天器的轨道参数。研究人员以最小化镜面反射相关视觉代价为目标，并加入距离正则，得到被动巡检轨迹。结论上，该方法能自动设计针对目标卫星的非平凡相对轨迹，在降低致盲性镜面反射的同时改善近距离操作中的视觉特征可检测性等代理指标；这证明把可微分渲染引入轨道巡检规划，可超越传统覆盖率和可见性指标，直接进入数据质量优化。

关键技术方法上，研究人员采用三条主线：一是可微分编程与自动微分，使轨道参数到图像代价的梯度可被高效计算；二是可微分轨道传播，用自定义全可微分SGP4实现时间上的位置与相对几何传播；三是可微分物理渲染，基于Mitsuba 3射线追踪表达镜面反射、互反射、遮挡、自阴影与散射。代价函数由镜面项?_s与距离正则?_d组成，通过对离散时刻渲染图像求平均代价并反向传播完成基于梯度的轨迹优化。

研究结果按论文主体组织如下。

引言部分说明，传统LEO巡检轨迹常人工选取足球轨道等周期相对运动形式，已有观测感知制导多优化几何指标；研究人员指出光度效应与传感器极限对图像质量的影响被忽视，从而提出首个全可微分、光照感知的视觉巡检轨迹规划框架。

背景部分分四块。非地球成像(NEI)部分总结商业飞掠成像与ADRAS-J临近巡检经验，强调动态光照下图像质量不稳定。轨道巡检轨迹规划部分比较覆盖率、视角、距离等几何优化工作，指出其未嵌入基于物理的渲染。可微分编程部分说明微分代数(DA)可算高阶泰勒导数，但难以对渲染图反向传播；现代可微分编程更适合任意计算图优化。可微分渲染用于下游任务部分指出，Mitsuba 3等射线基引擎可把反射、遮挡、自阴影纳入梯度计算，支撑位姿、纹理与环境优化。

方法部分中，轨迹优化方法假设目标合作、轨道参数静止已知、三维模型可用、指向完美；把时间区间[0,T]上N个均匀快照作为离散化对象，优化追逐航天器轨道参数o_c，使∑[λ_S?_S(?(t_i))+λ_d?_d(r_c(t_i),r_t(t_i))]最小。优化构造把太阳向量???、渲染图像?、镜面代价与距离代价连成端到端图。方法核心是把可微分渲染器与可微分轨道传播器拼接，使像素级反射贡献可回溯到轨道元素。

讨论与结论部分，研究人员总结：?LITE是首个把物理可微分渲染与可微分轨道传播结合的在轨巡检规划系统；相比仅优化表面覆盖和视角的既有方法，它把代价定义在图像域，能直接抑制致盲镜面反射并提升后续三维重建、损伤表征与状态估计所需数据质量。其意义在于为资源、时间与成本受限的卫星任务提供可按目标外观定制的轨迹设计工具，并推动未来把镜面、阴影、自遮挡等复杂视觉外观写入任务规划目标。

研究结论可译为：研究人员提出了?LITE这一全可微分、光照感知的在轨视觉巡检仿真与优化流水线；通过自定义可微分SGP4与Mitsuba 3渲染器，实现了从图像域视觉代价到轨道参数的端到端梯度优化；优化后的被动巡检轨道可降低镜面反射导致的饱和与眩光，并改善近距离卫星操作中的视觉特征检测等代理指标；该框架是已知首个面向空间视觉巡检的全可微分光照感知规划方法，可为后续把复杂外观模型纳入航天器任务规划奠定基础。