CN100386593C - 双视场星敏感器及利用其进行星图识别的方法 - Google Patents

Abstract

双视场星敏感器及利用其进行星图识别的方法，属于姿态传感器技术领域。为了解决现有星敏感器的三轴精度不均衡的特点，同时克服多个星敏感器同时正交安装使用的不足，本发明公开了一种双视场星敏感器，它在普通星敏感器的透镜系统前安装与其主光轴成45°方向的半透半反平面镜，并在所述半透半反平面镜两个入射光方向上分别设置遮光罩，以避免空间杂光干扰；两个视场中的光线分别经过所述半透半反平面镜透射和反射后，经同一透镜系统，成像在同一感光探测器上。双视场星敏感器相对于采用单视场技术的普通星敏感器而言具有精度高，芯片利用率高，体积小，功耗低，安装使用方便等特点。另外，本发明还公开了利用双视场星敏感器进行星图识别的方法。

Description

双视场星敏感器及利用其进行星图识别的方法

技术领域

本发明属于姿态传感器技术领域。

背景技术

星敏感器是航天器上进行姿态测量的高精度器件，现在被广泛应用于航天领域，包括航天飞机，地球卫星或者月球，火星等深空探测器等。

近年来，随着航天任务的要求，对卫星姿态要求越来越高，尤其是要进行高精度成像的系统，包括侦查，资源和天文观测卫星，其对卫星三轴的姿态要求一般在10^-5rad量级，这是其它敏感器如太阳敏感器，月球敏感器和磁强计等器件所不能达到的精度水平。只有星敏感器才能具备这样的精度。

星敏感器基本上可以认为是现代的高精度卫星上必备系统，但是这种高精度星敏感器普遍存在着一个缺点就是，三个旋转轴的精度不一致，一般来说这种星敏感器的俯仰轴和偏航轴的精度在10^-5rad，而滚转轴的精度一般在10^-3～10^-4rad左右。为了弥补这一缺点，卫星上一般要正交安装2-3个星敏感器，这样才能达到每个轴都有10^-5rad精度。

星敏感器一直是国内外航天部门研究的热门，尤其是对从事姿态测试和控制系统的人员。美国的鲍尔航天公司，TRW公司，MIT大学，JPL实验室，英国的SURRY大学，NASA等诸多大学和研究机构都从事过或正在从事这一方面的研究。

下面主要结合附图1来说明传统星敏感器的缺点和不足。

1.传统星敏感器成像原理如下：

如附图1所示，在天球坐标系中，每颗星都有自己的惯性坐标用赤经α_i和赤纬β_i表示，根据方向矢量的概念，将其转换为直角坐标中为： $v_i=\left[\begin{array}{c}{\cos \mathrm{\α}}_i{\cos \mathrm{\δ}}_i\\ {\sin \mathrm{\α}}_i{\cos \mathrm{\δ}}_i\\ \sin {\mathrm{\δ}}_i\end{array}\right],$ 其中i为天球中星的编号。显然，v_i为单位矢量，即‖v_i‖＝1。

在星敏感器分析中，一般认为星敏感器的成像模型为小孔相机模型。成像过程为天空中的恒星经过镜头成像，在星敏感器的感光探测器上得到与之相对应的星像点坐标为(x_i，y_i)。同时假定星敏感器的焦距为f，这样得到与惯性矢量v_i相对应的星敏感器坐标系内矢量为 $w_i=\frac{1}{\sqrt{{(x_i-x_0)}^2+{(y_i-y_0)}^2+f^2}}\left[\begin{array}{c}-(x_i-x_0)\\ -(y_i-y_0)\\ f\end{array}\right],$ 其中x₀，y₀为星敏感器的主轴中心。

当星敏感器处于某一姿态时，假定姿态矩阵为A，则可以得到w_i与v_i的关系如下：

w_i＝Av_i，同理，w_j＝Av_j。

这样，可以得到如下关系：

$w_i^T{w}_j={\left({\mathrm{Av}}_i\right)}^T\left({\mathrm{Av}}_j\right)=v_i^T{A}^{T}A{v}_j=v_i^T{v}_j.(\underset{\·}{\·\·}{A}^{T}A=I).$

v_i ^Tv_j为星i与星j夹角的余弦值，通常称之为星对角距。星对角距的不变性是星图识别的基础，目前的星敏感器绝大部分都是采用了这种方法进行星图识别的。

2.传统星敏感器的精度分析

星敏感器是高精度姿态测量单元，其精度指标的改进一直是比较重要的。传统的星敏感器精度分析如下：

假定单颗星的处理精度为σ_star，同时假定误差为正态分布。则当视场中有N颗星的时候，并且假定N颗星在视场中均匀分布，则星敏感器的俯仰方向和偏航方向的精度为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{pitch},\mathrm{yaw}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{star}}}{\sqrt{N}}.$

而滚转方向的精度计算比较复杂。为了分析简单，首先假定星敏感器视场为θ_FOV的圆视场，N颗星在视场中均匀分布，单星的处理精度为σ_star，滚转方向的精度为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{roll}}=\sqrt{\frac{2}{N-1}}\frac{{2\mathrm{\σ}}_{\mathrm{star}}}{\tan \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{FOV}}\right)}.$

对于高精度的星敏感器，一般视场角都比较小，大约为10度，在这种情况下，俯仰和偏航方向的精度可以优于10^-5rad，而滚转方向的精度只有约10^-3rad。故对精度要求很高的卫星上一般使用光轴方向正交的两个或者三个星敏感器来达到三轴的精度同时为10^-5rad。当卫星上安装多个星敏感器时，会出现安装误差，两个主光轴不垂直等一系列问题。同时，整个系统的成本，重量，功耗和体积都会成倍增加。

发明内容

本发明的目的是解决现有星敏感器的三轴精度不均衡的特点，同时克服了多个星敏感器同时正交安装使用的不足。

本发明提供了一种双视场星敏感器，其特征在于：所述双视场星敏感器在普通星敏感器的透镜系统前安装与透镜系统主光轴成45°方向的半透半反平面镜，从而实现了由单视场转化为双视场；在所述半透半反平面镜两个入射光方向上分别设置遮光罩，以避免空间杂光干扰；两个视场中的光线分别经过所述半透半反平面镜透射和反射后，经同一透镜系统，成像在同一感光探测器上。

本发明所述两个遮光罩的中心轴方向垂直，并且尺寸相同。

本发明所述半透半反平面镜的透射率和反射率相同。

本发明的另一目的是提供一种基于双视场的星图识别方法，具体技术方案如下。

一种利用上述双视场星敏感器进行星图识别的方法，其特征在于：所述星图识别方法包括如下步骤：

1)根据双视场星敏感器所能敏感到的星等范围建立星表；根据双视场星敏感器的视场大小建立两个K矢量查找表，其中表一的角度范围为

表二的角度范围为[90°-θ_FOV，90°+θ_FOV]，其中θ_FOV为视场大小；

2)利用双视场星敏感器将天球上两个视场方向上的恒星成像在其感光探测器上，即两个视场中的光线分别经过双视场星敏感器中的半透半反平面镜透射和反射后，经同一透镜系统，成像在同一感光探测器上，得到星象点；

3)利用星象点在感光探测器上的位置，以及透镜系统的焦距，分别计算来自两个不同视场的光线在星敏感器坐标上的方向矢量；

4)从感光探测器得到的星象点中，选取亮度最高的四颗作为主星，利用步骤3)得到的方向矢量计算每两颗星之间的星对角距；根据视场的关系，得到星对角距的三种情况，即α，90°-α和90°+α，其中α表示两颗星属于同一视场时的星对角距；

5)根据逻辑推理可知，四颗主星对两个视场的归属性共有8种情况；在每种情况下，当星对属于同一视场时，采用所述表一进行查找，当星对属于不同视场时，采用所述表二进行查找，从而得到四颗主星在所述星表的编号；利用四颗主星和视场中其它星的星对角距关系识别出其它星的编号，完成星图识别。

本发明公开了一种双视场星敏感器在姿态估计中的应用方法，其特征在于：将双视场星敏感器的两个视场组合来进行姿态估计，使俯仰、偏航和滚转三轴测量精度同时达到10^-5rad。

本发明所述的双视场星敏感器相对于传统的普通星敏感器具有以下优点：

1)传统普通星敏感器的星光来自单一视场，导致滚转轴的精度低于俯仰和偏航精度1～2个数量级，而双视场星敏感器星光是来自两个正交视场，这样星敏感器的精度自然是两个视场精度的组合。星敏感器在进行运动时，必然产生两个视场的正交运动，这样当其中一个视场在滚转运动的同时，另一个视场在进行俯仰或偏航运动，由于俯仰和偏航的精度都远远高于滚转的精度，这样就可以弥补星敏感器滚转轴精度不高的特点。实现三轴同样高精度姿态测量。

2)传统的星敏感器在同一视场上的星的数目比较少，一般来说在视场中只有10颗左右，为了得到星象点在探测器上的位置精度，大部分星敏感器采用离焦技术。这样一个星象点在探测器上能够占据7×7个像素，所以视场中星象点一共能够达到490个像素左右。而现在的感光探测器一般可以达到1兆个像素左右。这样星象点所占据有用像素部分只占整个感光探测器的万分之五。而采用双视场技术，两个视场的星象点成像在同一块探测器上，这样就使得探测器的利用率提高了一倍，充分利用探测器的像面资源。

3)双视场星敏感器的电子学系统采用同一块电路处理单元，即可以保证处理电路的同时性，同时也达到了降低功耗和体积的目的。

4)双视场星敏感器在安装和调试上要优于两个或者三个普通星敏感器正交组合使用。当两个普通星敏感器正交安装时，其间的位置和方向精度很难保证，同时也带来了调试等一系列问题。而双视场星敏感器实现两个视场正交方法只是在普通星敏感器透镜组前加了一块半透半反的平面镜，由于光学加工精度高，并且安装的尺寸小，故很容易实现。

综上，双视场星敏感器相对于采用单视场技术的普通星敏感器而言具有精度高，芯片利用率高，体积小，功耗低，安装使用方便等特点。

本发明所述的星图识别方法，不需要额外的光学预处理技术，识别逻辑清晰，步骤简单。

附图说明

图1：传统的普通星敏感器的成像示意图。

图2：双视场星敏感器的整体框图。

图3：双视场星敏感器的成像示意图。

图4：双视场星敏感器的精度分析示意图。

图5：根据视场关系对四颗主星进行分类的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明。

普通星敏感器成像模型如图1所示，恒星1经过星敏感器透镜系统2成像在感光探测器4上，这时在感光探测器上得到星象点3，当普通星敏感器处于某一姿态时，星象点和恒星具有一一对应关系。

一、双视场星敏感器的双视场实现方法和成像原理

如图2所示，本发明设计了一种双视场星敏感器，包括两个中心轴互相垂直的遮光罩5，一个安装在普通星敏感器的透镜系统前的与透镜系统主光轴成45°半反半透平面镜6，星敏感器透镜系统2，感光探测器4，星图读出电路9，图像处理和星图识别系统10，通信姿态运算及供电系统11，以及用于安装透镜系统和电子系统的机械结构8。

其工作方式如下：当星敏感器处于某一姿态时，如图3，视场100中的恒星发出的光经过半透半反的平面镜6，其中透过的恒星光线经过透镜系统2，到达星敏感器的感光探测器4上成像。同时，视场200中恒星发出的光经过半透半反平面镜6反射后，光线同样经过透镜系统2，在感光探测器4上成像。这样实现了在星敏感器的一块探测器上，利用一个透镜系统，实现了两个视场的恒星光线成像。为了保证探测器所成像点的均衡性，其半透半反平面镜的投射率和反射率相同。同时，可以看出星敏感器上的一个星象点可能是两个视场中之一的恒星成像得到。这样就不能简单认为星象点和恒星之间的一一对应关系。这给星图识别带来了一定的困难。为了降低空间杂散光，干扰星等对系统的精度的影响，针对视场100和视场200分别设计了遮光罩5，并且两个遮光罩大小相等，中心轴垂直安装，由于使用了两个视场，其中的杂散光也相应的增加，为了减少空间杂散光的干扰，每个遮光罩消光比需达到10^-9量级。

二、双视场星敏感器的星对角距与视场关系

双视场星敏感器的星图识别与单视场星敏感器的最主要的区别在于辨别出星像的视场归属性。由于两个视场(视场100和视场200)中的星像点最终在一块感光探测器4上成像，故系统采用单个透镜系统2，感光探测器4，以及后续电路。这样既减少了星敏感器的体积，质量和功耗，又避免了多个星敏感器安装时产生的误差。根据前面分析，在星敏感器感光探测器4上，绝大部分是黑背景。有效像素一般只占据整个像素数的万分之五，感光探测器上绝大部分都是不含任何信息的。

双视场星敏感器在一定程度上改进了像素的覆盖性，同时，也由于星象点很小，两个视场中的星象点连在一起的概率自然非常小，可以不予考虑，故可以认为星象点在星敏感器的感光探测器上是独立的，每个星象点的处理精度与单视场的星敏感器精度一致。

在进行星图识别时，必须要利用两个视场光线的关系。

如图4所示，假定Star1和Star2属于视场100，Star3和Star4属于视场200。当在星敏感器的感光探测器4上得到两个星象点A和B时，由于每个星象点可能由两组光线之一组成(如A点，可能是Star1的像点，也可能是Star3的像点；同理B点，可能是Star2或Star4的像点)。如果星象点A和B是来自同一个视场，利用传统星敏感器的星象点夹角的计算方法，可以得到夹角为α(如图4)，则夹角余弦为cosα，若星象点A和B是来自不同视场，根据图4可知，结果有两种可能夹角β，γ，由几何关系可知其中β＝90°+α，则夹角余弦值为：cosβ＝cos(90°+α)＝-sin(α)；γ＝90°-α，则夹角余弦值为：cosγ＝sinα。这就是双视场星敏感器星对角距与视场之间的关系。

三、利用本发明所述的双视场星敏感器进行星图识别方法

本发明提出了四主星分类识别方法来实现视场的分辨以及星图识别，四主星识别方法的错误的识别率小于10^-7。四主星的可能性分类情况，共有8组，如图5所示。

第一组情况：假定Star1和Star2属于同一视场，同时Star1和Star3也属于同一视场，则可以推理得：Star2和Star3也属于同一视场。在这样的前提下再假定Star1和Star4也属于同一视场，则可以得知最终结果为：Star1，Star2，Star3，Star4四星属于同一视场。

第二组情况：假定Star1和Star2属于同一视场，同时Star1和Star3也属于同一视场，则可以推理得：Star2和Star3也属于同一视场。在这样的前提下再假定Star1和Star4属于不同视场，则可以得知最终结果为：Star1，Star2，Star3三星属于同一视场，Star4属于另一视场。

第三组情况：假定Star1和Star2属于同一视场，同时Star1和Star3属于不同视场，则可以推理得：Star2和Star3也属于不同视场。在这样的前提下再假定Star1和Star4也属于同一视场，则可以得知最终结果为：Star1，Star2，Star4三星属于同一视场，Star3属于另一视场。

第四组情况：假定Star1和Star2属于同一视场，同时Star1和Star3属于不同视场，则可以推理得：Star2和Star3也属于不同视场。在这样的前提下再假定Star1和Star4属于不同视场，则可以得知最终结果为：Star1，Star2属于同一视场，Star3，Star4属于另一视场。

剩余的四种情况可以用类似方法推理得到。

星图识别的具体过程如下：

首先建立一个星表，以存储双视场星敏感器所能敏感的星等范围内所有星在惯性空间的方向矢量。为了提高星图识别的速度和准确性，本发明所提的星图识别方法还需建立两个K矢量查找表，其中表一为星敏感器所能敏感的星等范围和星对角距为[0，θ_FOV]条件下的查找表；表二为星敏感器所能敏感的星等范围和星对角距为[90°-θ_FOV，90°+θ_FOV]条件下的查找表；其中θ_FOV为视场大小。

当双视场星敏感器处于某一姿态下时，天球上两个视场方向发出的光进入遮光罩后，分别经过半透半反平面镜的投射和反射后，经同一透镜系统聚焦，在星敏感器的感光探测器上成像，进而得到星象点。

将感光探测器上得到的星象点按照亮度的由强到弱的顺序进行排列，首先选出亮度最高的四颗星作为进行识别的主星，然后结合焦距f以及星象点的位置(x_i，y_i)分别计算每个星象点对于来自视场100和视场200时，所对应的光线在星敏感器本体坐标系中的方向矢量。然后考虑图5所述8种情况，对于每种情况，在四颗主星中，每两颗进行组合，计算出假定其在一视场时的星对角距α。然后根据图5推断出的8种情况得知此时的两星是否在同一视场，若两颗星属于同一视场，在表一中查找星对角距为α时对应的可能星对，若两颗星属于不同的两个视场时，分别假定星对角距为90°-α和90°+α两种情况在表二中进行查找可能星对，最后将上述的可能星对进行组合，找出能够同时满足每两颗之间组合关系的四主星在星表编号，进而在星表中查到每颗星所对应的惯性矢量。

以这四颗主星为基础，进一步对视场中的其它的每颗星进行识别，将其它的每颗星分别考虑为与四主星同一视场和不同视场两种情况，用上述同样的方法分别在表一中和表二中查找与之对应的可能星对，然后将四组可能星对组合起来，找到同时满足与四主星夹角对应的星在星表中的编号。同样的方法找到除四主星外每颗星在星表中的编号，进而找到其所对应的方向矢量。即完成了整个星图识别过程。

四、双视场星敏感器两视场之间运动关系

在利用双视场星敏感器进行定姿时，首先要明确两个视场在运动过程中的关系。本发明提出了双视场星敏感器的简易精度分析方法：

双视场星敏感器精度分析比较复杂，由于两个视场的分析耦合在一起，由于来自视场200的光线经过了反射镜反射后再通过传统的星敏感器镜头成像到星敏感器的感光探测器上。为了分析方便，本发明中提出了一种简单的分析方法：假设传统的星敏感器镜头和感光探测器为同样的两部分，一部分在原来的位置上，正对着视场100，另一部分逆时针转动90度，使其正对着视场200，形成了假想星敏感器透镜系统13和假想感光探测器12，光路如图4所示。

根据光学成像原理，这种分析是合理的。这样，就可以得到双视场星敏感器的视场之间的运动学关系。当卫星与固定的星敏感器相对于视场100在进行俯仰，偏航和滚转运动的同时，假想星敏感器透镜系统13和假想感光探测器12相对于视场200分别进行着滚转，偏航和俯仰运动。由于在实际中使用的是同一个透镜系统和同一块感光探测器以及后续处理电路，这样一个星敏感器就同时敏感到的上述两个视场星像位置变化，就可以利用星敏感器所敏感到的不同视场中星象点的不同方位的变化，来高精度地确定卫星的三轴姿态精度。具体分析如下：

如图4所示，当双视场星敏感器整体相对于视场100进行俯仰时，所述假想星敏感器透镜系统13和假想感光探测器12，相对于视场200进行的是滚转运动，由于其俯仰精度远大于滚转精度，故星敏感器的精度基本上考虑为等于俯仰精度，即10^-5rad量级。

当星敏感器相对于视场100在进行滚转时，所述假想星敏感器头透镜系统13和假想感光探测器12，相对于视场200在进行俯仰运动，其星敏感器的精度主要由假想星敏感器头透镜系统13和假想感光探测器12决定，故整体精度为仍约为10^-5rad。

当星敏感器相对于视场100在进行偏航时，其假想星敏感器头透镜系统13和假想感光探测器12也相对于视场200在进行偏航运动，故其整体精度可以达到10^-5rad。

Claims (1)

1.利用双视场星敏感器进行星图识别的方法，所述双视场星敏感器在普通星敏感器的透镜系统前安装与透镜系统主光轴成45°方向的半透半反平面镜，从而实现了由单视场转化为双视场；在所述半透半反平面镜两个入射光方向上分别设置遮光罩，以避免空间杂光干扰；两个视场中的光线分别经过所述半透半反平面镜透射和反射后，经同一透镜系统，成像在同一感光探测器上，其特征在于，所述星图识别方法包括如下步骤：

1)根据双视场星敏感器所能敏感到的星等范围建立星表；根据双视场星敏感器的视场大小建立两个K矢量查找表，其中表一的角度范围为

表二的角度范围为[90°-θ_FOV，90°+θ_FOV]，其中θ_FOV为视场大小；

2)利用双视场星敏感器将天球上两个视场方向上的恒星成像在其感光探测器上，即两个视场中的光线分别经过双视场星敏感器中的半透半反平面镜透射和反射后，经同一透镜系统，成像在同一感光探测器上，得到星象点；

3)利用星象点在感光探测器上的位置，以及透镜系统的焦距，分别计算来自两个不同视场的光线在星敏感器坐标上的方向矢量；

4)从感光探测器得到的星象点中，选取亮度最高的四颗作为主星，利用步骤3)得到的方向矢量计算每两颗星之间的星对角距；根据视场的关系，得到星对角距的三种情况，即α，90°-α和90°+α，其中α表示两颗星属于同一视场时的星对角距；

5)根据逻辑推理可知，四颗主星对两个视场的归属性共有8种情况；在每种情况下，当星对属于同一视场时，采用所述表一进行查找，当星对属于不同视场时，采用所述表二进行查找，从而得到四颗主星在所述星表的编号；利用四颗主星和视场中其它星的星对角距关系识别出其它星的编号，完成星图识别。

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