CN101231170A - Aps太阳敏感器的信息处理方法 - Google Patents
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Abstract
APS太阳敏感器的信息处理方法,包括捕获与跟踪两种计算模式,首先将图像输入至内存,提取初始质心,再进行太阳质心与孔号的对应计算,然后进行姿态捕获计算,对姿态角进行正确性验证后,系统转入跟踪模式,载入图像及捕获模式的数据后,根据地面遥控参数的输入,调节参与计算的窗口数目,在窗口内进行太阳质心计算,利用质心计算结果进行姿态角计算,再进行姿态角大小判断,若是大姿态角,还需要进行大角度补偿,最后太阳敏感器输出补偿后的姿态角度。本发明具有强鲁棒性的姿态捕获能力,当部分太阳像斑移出靶面仍能成功捕获,能够在大角度下进行姿态角补偿,并能进行计算量调节,提高了大角度下的姿态角计算精度,同时提高了敏感器的数据刷新率。
Description
技术领域
本发明涉及一种APS太阳敏感器的信息处理方法,属于姿态测量控制领域。
背景技术
太阳敏感器给出太阳方位是各类航天器普遍采用的光学姿态敏感器。随着成像探测器件以及处理器技术的快速进步,太阳敏感器先后出现了0-1太阳敏感器、模拟式太阳敏感器、数字太阳敏感器、CCD(电磁耦合器件)太阳敏感器,目前最新产品为APS(主动像元探测器)太阳敏感器。
APS太阳敏感器属于成像型太阳敏感器,利用小孔成像原理形成小孔阵列的太阳像,通过图像处理技术由阵列太阳图像经过图像处理、姿态计算求解太阳方位角,因此快速、鲁棒、准确的信息处理算法属于产品研制的关键技术。
中国专利号200610103797.3,名称:一种高精度APS太阳敏感器,该专利对敏感器整体进行了叙述,其中涉及到信息处理,其不足在于未考虑到部分太阳像斑在大角度下可能移出靶面的情况,并且算法中对所有质心进行计算没有计算量调节手段,最后也没有对大角度下的太阳像斑变形进行处理。
国外专利号US2003234341,名称“microelectromechanical systemoptical Sun Sensor”,该专利介绍了一种适于微小卫星、纳卫星应用的微光机电APS太阳敏感器,文中未涉及捕获、跟踪等信息处理算法。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种APS太阳敏感器的信息处理方法,该方法具有强鲁棒性的姿态捕获能力,当部分太阳像斑移出靶面仍能成功捕获,该方法还能够在太阳矢量大角度下进行姿态角度补偿,提高计算精度,并能进行计算量调节提高数据刷新率。
本发明的技术解决方案是:APS太阳敏感器的信息处理方法,其特征在于步骤如下:
(1)捕获模式图像输入:将APS太阳敏感器获得的太阳图像G(X,Y)输入至计算机内存;
(2)捕获模式初始质心提取:对步骤(1)输入的整幅太阳图像进行太阳像斑确定,并输出质心数组SC,记质心数组中左上、右上、左下、右下四个角点分别为SJ1,SJ2,SJ3,SJ4;
(3)捕获模式孔号与太阳质心对应计算:计算步骤(2)中四个角点与靶面中心O(0,0)的距离JOj,APS透光孔四个角点按照左上、右上、左下、右下记为K1,K2,K3,K4,最小值的JOj相应的角点SJj则对应Kj,根据此对应按位置递推得到所有太阳质心与孔号的对应关系,其中j∈[1,2,3,4];
(4)姿态捕获计算:根据来自于地面标定的孔号零点位置(xi0,yi0),以及步骤(3)得到的所有太阳质心与孔号对应关系,进行姿态捕获计算;
(5)捕获模式姿态正确性验证:对步骤(4)计算得到的每个太阳质心的姿态角i,θi进行一致性判断,一致则认为姿态角计算正确,下一次信息计算由捕获模式变为跟踪模式,记录质心位置及质心孔号对应关系,计算输出姿态角平均值;不一致则返回步骤(1);
(6)跟踪模式数据输入:读入新一幅APS太阳敏感器图像,以及捕获模式下的太阳质心数组与孔号对应关系;
(7)跟踪模式计算窗口选择:根据地面遥控参数的输入,调节参与计算的窗口数目,地面调节参数分档设计,不同档对应不同的窗口数目;
(8)跟踪模式窗口内太阳质心计算:以步骤(6)读入的(SCxi,SCyi)数据为中心,在尺寸为W的窗口内进行质心运算,得到此幅图像的质心数组;
(9)跟踪模式姿态计算:利用步骤(8)的质心计算结果进行姿态角计算;
(10)跟踪模式姿态角大小判断:利用步骤(9)的姿态角计算结果,求解APS太阳敏感器靶面法线与太阳矢量的夹角:
(11)跟踪模式大角度补偿:在地面通过标定完成补偿角Δ,Δθ计算,APS太阳敏感器最后输出的姿态角度为:
所述步骤(2)和步骤(8)中的质心计算方法为:
式中,g(xj,yj)表示坐标为(xj,yj)的像素灰度。
所述步骤(4)的姿态捕获计算方法为:
i=atg(Δxi/f) θi=atg(Δyi/f) i∈[1,2,…,N]
式中,f为透光孔与靶面间距离,为偏航角、θ为俯仰角,Δxi=SCxi-xi0 Δyi=SCyi-yi0 i∈[1,2,…N]。
所述步骤(5)的一致性判断公式为:
Δi,j=|i-j| Δθi,j=|θi-θj| i,j∈[1,2,…,N]
若Δi,j<Tj & Δθi,j<Tj,Tj为角度阈值,则姿态角计算结果一致;否则不一致。
所述步骤(5)中计算输出的姿态角平均值为
所述步骤(9)的姿态角计算公式为
其中,i=atg(Δxi/f) θi=atg(Δyi/f) i∈[1,2,…,N]
Δxi=SCxi-xi0 Δyi=SCyi-yi0 i∈[1,2,…N]。
所述步骤(11)的大角度补偿公式为:
其中,
Δ=(-i)·Δi+1+(i+1-)·Δi
式中处于i,i+1之间,为靶面法线与太阳矢量的夹角,i、i+1为靶面法线与太阳矢量的夹角整数值,Δi、Δi+1为i、i+1对应的补偿角。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明具有强鲁棒性的姿态捕获能力,当部分太阳像斑移出靶面仍能成功捕获。
(2)本发明通过大角度补偿运算,提高了在大角度下太阳敏感器的姿态角计算精度。
(3)本方明通过角点与孔号对应,解决了大角度下部分太阳像斑移出靶面的问题,这样在透光孔阵列(光线引入器)设计时可允许更大的孔位置间隔,避免了太阳像斑相互连接在一起的情况,为透光孔设计提供了更宽的空间。
(4)本发明通过计算量调节,提高了APS太阳敏感器的数据刷新率,并且具备地面按“档”计算速度调节能力。
(5)本发明通过对比每个太阳质心的姿态角,进行角度一致性判断,避免了错误姿态数据的输出。
附图说明
图1为APS太阳敏感器透光孔阵列示意图;
图2为APS太阳敏感器初始捕获下太阳像斑示意图;
图3为APS太阳敏感器的信息处理方法流程图;
图4为本发明零姿态下的太阳像斑图;
图5为本发明大姿态角捕获下的太阳像斑图像;
图6为本发明跟踪模式下的太阳像斑图像;
图7为本发明跟踪模式大角度下的太阳像斑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述:
图1为APS太阳敏感器透光孔阵列(光线引入器)示意图。本实施例靶面尺寸14mm,像元阵列为1024*1024,透光孔阵列为7*7,透光孔与靶面的高度f为3mm,透光孔之间的距离为100个像素。
图2为APS太阳敏感器初始捕获下太阳像斑示意图,其中像斑数6*5,此情况下已有部分太阳像移出靶面。
APS太阳敏感器的信息处理方法包括捕获模式计算与跟踪模式计算,计算流程图如图3所示。
图4为本发明零姿态下的太阳像斑图(7*7),零位情况下标定的坐标位置如表1所示:
表1
透光孔标 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
1 | (212,212) | (312,212) | (412,212) | (512,212) | (612,212) | (712,212) | (812,212) |
2 | (212,312) | (312,312) | (412,312) | (512,312) | (612,312) | (712,312) | (812,312) |
3 | (212,412) | (312,412) | (412,412) | (512,412) | (612,412) | (712,412) | (812,412) |
4 | (212,512) | (312,512) | (412,512) | (512,512) | (612,512) | (712,512) | (812,512) |
5 | (212,612) | (312,612) | (412,612) | (512,612) | (612,612) | (712,612) | (812,612) |
6 | (212,712) | (312,712) | (412,712) | (512,712) | (612,712) | (712,712) | (812,712) |
7 | (212,812) | (312,812) | (412,812) | (512,812) | (612,812) | (712,812) | (812,812) |
本实施例以大角度情况为例,图5为本发明大姿态角捕获下的太阳像斑图像(6*7),预设角度俯仰30°,偏航50°,此时部分像斑移出靶面。
捕获模式计算步骤如下:
(1)图像输入:将APS太阳敏感器获得的太阳图像G(X,Y)输入至计算机内存。
(2)初始质心提取:对步骤(1)输入的整幅图像进行太阳像斑确定,提取大于目标阈值Tg的像素点集合,经过像斑大小判断后利用质心算法对每个像素点集合进行计算,并输出质心数组SC:
记质心数组中左上、右上、左下、右下四个角点分别为SJ1,SJ2,SJ3,SJ4(参见图2);阈值大小由地面试验确定,对于8位256级灰度图象选择了100。
像斑大小判断由设计与试验确定,像素个数的区间为100~600,落在区间的认为是太阳像斑否则认为是噪声。
表2为质心SC的求解结果:
表2
太阳质心 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
1 | (339,474) | (339,574) | (339,674) | (339,774) | (339,874) | (339,974) |
2 | (439,474) | (439,574) | (439,674) | (439,774) | (439,874) | (439,974) |
3 | (539,474) | (539,574) | (539,674) | (539,774) | (539,874) | (539,974) |
4 | (639,474) | (639,574) | (639,674) | (639,774) | (639,874) | (639,974) |
5 | (739,474) | (739,574) | (739,674) | (739,774) | (739,874) | (739,974) |
6 | (839,474) | (839,574) | (839,674) | (839,774) | (839,874) | (839,974) |
7 | (939,474) | (939,574) | (939,674) | (939,774) | (939,874) | (939,974) |
太阳质心阵列的角点:
SJ1=(339,474);SJ1=(339,974);SJ3=(939,474);SJ4=(939,974)。
(3)孔号与太阳质心对应计算:计算步骤(2)中四个角点与靶面中心O(0,0)的距离JOj:
四个角点与靶面中心的距离:
同理JO2=493.3285 JO3=428.6875 JO4=629.1049
APS透光孔四个角点按照左上、右上、左下、右下记为K1,K2,K3,K4(参见图1),最小值的JOj相应的角点SJj则对应Kj,根据此对应按位置递推得到所有太阳质心与孔号的对应关系,其中j∈[1,2,3,4];
根据角点对应约束,显然SJ1对应着孔标记K1,也就是透光孔阵列中1号透光孔位置(参见图1),由此可以递推得到所有42个太阳像质心对应的孔标记。
(4)姿态捕获计算:根据来自于地面标定的孔号零点位置(xi0,yi0),以及步骤(3)得到的所有太阳质心与孔号对应关系,进行姿态捕获计算:
Δxi=SCxi-xi0 Δyi=SCyi-yi0 i∈[1,2,...N] (3)
i=atg(Δxi/f) θi=atg(Δyi/f) i∈[1,2,...N] (4)
f为透光孔与靶面间距离,为偏航角、θ为俯仰角。
太阳质心1的姿态角计算:
Δx=339-212=127 θ=atg(Δx/f)=30.0612°
Δy=474-212=262 =atg(Δy/f)=50.0534°
同理计算出太阳质心2~42的姿态角。
(5)姿态正确性验证:对步骤(4)计算得到的每个太阳质心的姿态角i,θi进行一致性判断,一致性判断公式为:
Δi,j=|i-j| Δθi,j=|θi-θj| i,j∈[1,2,...N] (5)
若Δi,j<Tj & Δθi,j<Tj,Tj为角度阈值,则姿态角计算结果一致;否则不一致。本实施例选择Tj为0.1°,
一致则认为姿态角计算正确,捕获成功,置系统跟踪模式标记为1,下一次信息计算由捕获模式变为跟踪模式,记录质心位置及质心孔号对应关系,计算姿态角平均值作为输出,本实施例计算结果一致,太阳质心1~42计算后输出姿态角平均值:
不一致则返回步骤(1)。
图6为本发明跟踪模式下的太阳像斑图像(6*7),预设俯仰角30.3°,偏航角50.5°。
跟踪模式计算步骤如下:
(1)数据输入:读入ARS太阳敏感器图像、捕获模式下的太阳质心数组及孔号对应关系。
(2)计算窗口选择:根据地面遥控参数的输入,调节参与计算的窗口数目,地面调节参数分档设计,不同档对应不同的窗口数目,利用参与计算的窗口数目减少来提高刷新率,本实施例调节档为5,即5*5个窗口参与计算。
(3)窗口内太阳质心计算:以步骤(1)读入的(SCxi,SCyi)数据为中心,在尺寸为W的窗口内按照公式(1)进行质心运算,得到此幅图像的质心数组。
在跟踪过程中以表3的SC作为中心建立窗口:
表3
太阳质心 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
2 | (439,574) | (439,674) | (439,774) | (439,874) | (439,974) |
3 | (539,574) | (539,674) | (539,774) | (539,874) | (539,974) |
4 | (639,574) | (639,674) | (639,774) | (639,874) | (639,974) |
5 | (739,574) | (739,674) | (739,774) | (739,874) | (739,974) |
6 | (839,574) | (839,674) | (839,774) | (839,874) | (839,974) |
本实施例窗口大小选择30*30,计算得到表4的质心序列:
表4
太阳质心 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
2 | (440,578) | (440,678) | (440,778) | (440,878) | (440,978) |
3 | (540,578) | (540,678) | (540,778) | (540,878) | (540,978) |
4 | (640,578) | (640,678) | (640,778) | (640,878) | (640,978) |
5 | (740,578) | (740,678) | (740,778) | (740,878) | (740,978) |
6 | (840,578) | (840,678) | (840,778) | (840,878) | (840,978) |
像斑数目变为25,计算量变为原来的25/42,约为原计算的60%。
(4)姿态计算:利用步骤(3)的质心计算结果按照公式(3)(4)(6)进行姿态角计算。
Δx=440-212=128 θ=atg(Δx/f)=30.2564°
Δy=478-212=266 =atg(Δy/f)=50.4801°
(5)姿态角大小判断:利用步骤(4)的姿态角计算结果,求解APS太阳敏感器靶面法线与太阳矢量的夹角:
当<Ty时,Ty为大姿态角度阈值,(本实施例选择Ty为50°),输出步骤(4)的姿态角计算结果,结束本次跟踪计算,即:APS太阳敏感器最后输出的姿态角度为: 否则转入步骤(6),对姿态角进行大角度偿。
(6)大角度补偿:在大角度下主要因为太阳像变形产生质心计算误差,而质心计算误差可以在地面通过标定完成补偿角计算,大角度补偿计算如下:
补偿角表格如表5所示:
表5
太阳与靶面法线夹角 | 补偿角度值 |
40° | Δ40 |
41° | Δ41 |
| |
90° | Δ90 |
表中,40°~90°代表大角度范围,其中能补偿的最大角度值是由敏感器视场确定的。
假定处于i,i+1之间则采取差值计算Δ:
Δ=(-i)·Δi+1+(i+1-)·Δi
APS太阳敏感器最后输出的姿态角度为:
图7为本发明跟踪模式大角度下的太阳像斑示意图,图中角度为60°,大角度下像斑呈现拉伸图样,质心计算结果为149.2809,对应角度60.2422°,此角度下地面标定理论质心结果应当是148.601,对应补偿角度为0.3°,那么输出值:
=60.2422-0.3=59.9422°
姿态计算精度由0.2°提高到小于得到了0.06°。
Claims (7)
1.APS太阳敏感器的信息处理方法,其特征在于步骤如下:
(1)捕获模式图像输入:将APS太阳敏感器获得的太阳图像G(X,Y)输入至计算机内存;
(2)捕获模式初始质心提取:对步骤(1)输入的整幅太阳图像进行太阳像斑确定,并输出质心数组SC,记质心数组中左上、右上、左下、右下四个角点分别为SJ1,SJ2,SJ3,SJ4;
(3)捕获模式孔号与太阳质心对应计算:计算步骤(2)中四个角点与靶面中心O(0,0)的距离JOj,APS透光孔四个角点按照左上、右上、左下、右下记为K1,K2,K3,K4,最小值的JOj相应的角点SJj则对应Kj,根据此对应按位置递推得到所有太阳质心与孔号的对应关系,其中j∈[1,2,3,4];
(4)姿态捕获计算:根据来自于地面标定的孔号零点位置(xi0,yi0),以及步骤(3)得到的所有太阳质心与孔号对应关系,进行姿态捕获计算;
(5)捕获模式姿态正确性验证:对步骤(4)计算得到的每个太阳质心的姿态角i,θi进行一致性判断,一致则认为姿态角计算正确,下一次信息计算由捕获模式变为跟踪模式,记录质心位置及质心孔号对应关系,计算输出姿态角平均值;不一致则返回步骤(1);
(6)跟踪模式数据输入:读入新一幅APS太阳敏感器图像,以及捕获模式下的太阳质心数组与孔号对应关系;
(7)跟踪模式计算窗口选择:根据地面遥控参数的输入,调节参与计算的窗口数目,地面调节参数分档设计,不同档对应不同的窗口数目;
(8)跟踪模式窗口内太阳质心计算:以步骤(6)读入的(SCxi,SCyi)数据为中心,在尺寸为W的窗口内进行质心运算,得到此幅图像的质心数组;
(9)跟踪模式姿态计算:利用步骤(8)的质心计算结果进行姿态角计算;
(10)跟踪模式姿态角大小判断:利用步骤(9)的姿态角计算结果,求解APS太阳敏感器靶面法线与太阳矢量的夹角:
(11)跟踪模式大角度补偿:在地面通过标定完成补偿角Δ,Δθ计算,APS太阳敏感器最后输出的姿态角度为:
2.根据权利要求1所述的APS太阳敏感器的信息处理方法,其特征在于:所述步骤(2)和步骤(8)中的质心计算方法为:
式中,g(xj,yj)表示坐标为(xj,yj)的像素灰度。
3.根据权利要求1所述的APS太阳敏感器的信息处理方法,其特征在于:所述步骤(4)的姿态捕获计算方法为:
i=atg(Δxi/f) θi=atg(Δyi/f) i∈[1,2,…,N]
式中,f为透光孔与靶面间距离,为偏航角、θ为俯仰角,Δxi=SCxi-xi0 Δyi=SCyi-yi0 i∈[1,2,…N]。
4.根据权利要求1所述的APS太阳敏感器的信息处理方法,其特征在于:所述步骤(5)的一致性判断公式为:
Δi,j=|i-j| Δθi,j=|θi-θj | i,j∈[1,2,…,N]
若Δi,j<Tj & Δθi,j<Tj,Tj为角度阈值,则姿态角计算结果一致;否则不一致。
7.根据权利要求1所述的APS太阳敏感器的信息处理方法,其特征在于:所述步骤(11)的大角度补偿公式为:
其中,
Δ=(-i)·Δi+1+(i+1-)·Δi
式中处于i,i+1之间,为靶面法线与太阳矢量的夹角,i、i+1为靶面法线与太阳矢量的夹角整数值,Δi、Δi+1为i、i+1对应的补偿角。
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