CN101363733A - 一种超高精度的星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高精度的星敏感器，包括光学成像系统、图像传感器、图像传感器驱动单元、双路质心成像单元、星跟踪单元、星图识别单元、姿态计算单元以及导航星库；其关键在于，对使用2048×2048像元大面阵图像传感器的星敏感器，引入双路质心跟随成像技术，同时读取和处理两路像素数据；并且，在进行星跟踪时，采用基于位置信息实现的无反馈、非窗口匹配跟踪，如此，可大大提高星敏感器的精度和数据更新率。

Description

一种超高精度的星敏感器

技术领域

本发明涉及星敏感器技术，特别涉及一种小型超高精度、高数据更新率的星敏感器。

背景技术

星敏感器(Star Sensor)是当今航天飞行器中广泛采用的一种高精度、高可靠性的姿态测量部件，星敏感器工作于实时动态测量模式，目前其成像器件均采用面阵的图像传感器，广泛应用的是1024×1024像元。

随着像元的增加，如采用2048×2048像元的大面阵图像传感器将会使姿态精度非线性的提高，但同时数据量也会随之线性增加，这对于目前采用帧成像体制和窗口跟踪工作模式的星敏感器来说，受到这种成像体制和工作模式的限制，星敏感器的数据更新率呈线性下降，严重影响了星敏感器的实时动态测试性能，成为星敏感器实时提供姿态信息的瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种超高精度的星敏感器，使其具有更高的精度和高数据更新率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种超高精度的星敏感器，包括光学成像系统、图像传感器、图像传感器驱动单元、双路质心成像单元、星跟踪单元、星图识别单元、姿态计算单元以及导航星库；其中，

光学成像系统，用于将星空图像成像在图像传感器上；

图像传感器，用于在图像传感器驱动单元的驱动下将光信号转换为电信号，并传递给双路质心成像单元；

图像传感器驱动单元，用于驱动图像传感器；

双路质心成像单元，用于对同时读入的两路像素进行双路像素数据处理，在处理完整幅图像后，输出光斑图像的质心坐标给星跟踪单元和星图识别单元；

星跟踪单元，用于根据前一时刻已经识别到的星体信息跟踪当前视场中的星体，获取星体信息；

星图识别单元，用于从全天球中识别星图；

姿态计算单元，用于根据全天球识别到的星体信息或跟踪到的所有星体的信息解算出星敏感器精确的姿态，并将计算出的星敏感器姿态输出；

导航星库，用于存储导航星表。

上述方案中，所述图像传感器为2048×2048像元的大面阵图像传感器。

上述方案中，所述图像传感器驱动单元和双路质心成像单元集成在一个FPGA上；所述星跟踪单元、星图识别单元和姿态计算单元集成在一个RISC上。

上述方案中，所述双路质心成像单元进一步包括：灰度值读取模块、灰度值比较模块、双路像素数据处理模块、背景像素处理模块、第一判断模块、存储模块、第二判断模块以及光斑图像质心计算模块；其中，

灰度值读取模块，用于同时读入两路像素的灰度值，并将读入的灰度值送入灰度值比较模块；

灰度值比较模块，用于将灰度值读取模块发来的两路像素的灰度值，分别与预设阈值进行比较，并根据比较结果完成对两路像素的处理；

双路像素数据处理模块，用于完成双路像素标记、双路数据等价合并和双路数据累加，之后，对两路像素的灰度值均大于预设阈值的，进入第二判断模块，两路像素中左像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到存储模块，两路像素中右像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到第一判断模块；

背景像素处理模块，用于在左右像素灰度值均小于预设阈值时，标记当前两路像素为背景像素，并将标记值赋给相应参数；

第一判断模块，用于判断两路像素中左像素的左边像素是否有标记值；

存储模块，用于将累加器的值累加到等价标记值对应的数据存储器中，并将累加器清零；

第二判断模块，用于判断整幅图像是否处理完；

光斑图像质心计算模块，用于在处理完整幅图像后，计算并输出光斑图像质心的坐标值。

其中，所述双路像素数据处理模块进一步包括：标记单元、合并单元和累加单元；其中，

标记单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，为左像素和右像素进行标记；

合并单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成等价数据的合并；

累加单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成对左像素和/或右像素灰度值的累加、以及灰度值和坐标值乘积的累加。

其中，所述累加器包括用于对左右像素灰度值和坐标值的乘积进行累加的第一累加器，以及用于对左右像素的灰度值进行累加的第二累加器。

上述方案中，所述星跟踪单元基于位置信息实现无反馈、非窗口匹配跟踪。

本发明提供的超高精度星敏感器，采用大面阵如2048×2048像元的图像传感器，能提高角分辨率，进而使星敏感器具有更高精度。

本发明采用星点双路质心成像技术，能同时读取两路像素数据，同时对两路像素数据进行处理，从而提高了数据并行处理能力和数据处理速度，对于2048×2048像元的星敏感器数据处理速度能提高一倍，可实现大面阵图像传感器在星敏感器中的应用，并能实现高精度和高数据更新率。

本发明在星跟踪时采用无反馈非窗口的匹配跟踪，能够跟踪视场上所有的星体，进一步提高姿态计算的精度，且跟踪速度快，跟踪模式下的数据更新率为15Hz，具有更高的数据更新率。

本发明在星图识别时使用角距匹配的方式实现三角形的匹配，通过按区间存储星对和利用状态标识进行三角形识别，可使全天球识别时间控制为0.5s。

本发明采用均匀和无重叠划分的导航星表，导航星的检索不再需要遍历整个导航星表，使平均搜索范围缩小为以前的1/54，大大提高了搜索速度。

附图说明

图1为本发明星敏感器的组成结构及工作原理示意图；

图2为本发明所采用双路质心成像装置的组成结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：对使用2048×2048像元大面阵图像传感器的星敏感器，引入双路质心跟随成像技术，同时读取和处理两路像素数据；并且，在进行星跟踪时，采用基于位置信息实现的无反馈、非窗口匹配跟踪，如此，可大大提高星敏感器的精度和数据更新率。

如图1所示，本发明所提出的星敏感器包括光学成像系统10、图像传感器11、图像传感器驱动单元12、双路质心成像单元13、星跟踪单元14、星图识别单元15、姿态计算单元16以及导航星库(Guide Star Catalogue)67。

这里，所述图像传感器是大面阵图像传感器，具有2048×2048像元；所述星跟踪单元采用无反馈非窗口的跟踪模式。在实际应用中，可将图像传感器驱动单元12、双路质心成像单元13集成在一个FPGA信号处理单元上实现，将星跟踪单元14、星图识别单元15、姿态计算单元16集成在一个RISC信号处理单元上实现；当然，也可以都采用FPGA或RISC，或者采用数字信号处理(DSP)；或者，将除了光学成像系统10、图像传感器11、导航星库17以外的所有单元集成在一块FPGA、或RISC、或DSP上。下面以图像传感器驱动单元12、双路质心成像单元13集成在FPGA信号处理单元，星跟踪单元14、星图识别单元15、姿态计算单元16集成在RISC信号处理单元上为例详细说明。

其中，光学成像系统10，由遮光罩、高精度的镜头组成，用于将星空图像成像在图像传感器11上。

图像传感器11，用于在图像传感器驱动单元12的驱动下将光信号转换为电信号，并传递给双路质心成像单元13。一般，可采用的图像传感器是Cypress公司的Lupa4000，其具有2048×2048像元，帧频15帧/s。

图像传感器驱动单元12，按照图像传感器驱动时序的要求，基于FPGA实现对2048×2048像元图像传感器11的驱动，使其实现逐行两路图像信号同时输出，每个像素的灰度值10bit，时钟频率达33M。也就是说，图像传感器11每次输出两路像素数据给双路质心成像单元13。

双路质心成像单元13，用于对同时读入的两路像素进行双路像素数据处理，在处理完整幅图像后，输出光斑图像的质心坐标给星跟踪单元14和星图识别单元15。具体的，在处理整幅光斑图像时，每次同时读入当前两路像素的灰度值，并同时对两路像素的灰度值与预设阈值进行比较，两路像素中至少一个大于阈值时，执行双路数据标记、双路数据合并以及双路数据累加的过程，直到处理完整幅光斑图像后，输出得到的光斑图像质心坐标值。双路质心成像单元13具体如何实现质心成像的原理及过程，申请人已在另一专利申请中详细公开，在此不再赘述。

该单元利用FPGA实时并行计算的特点对星点质心跟随成像，实时实现基于四连通域分割和一阶矩质心算法，直接输出一帧图像中所有的星点质心数据，这样与直接输出整帧数据相比，可降低图像数据量上万倍。

具体实施过程中，假设一个星点的成像区域为M行N列，则该星点的质心坐标可由下式得到：

$x_0=\frac{\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)x}{\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)},$ $y_0=\frac{\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)y}{\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}F(x,y)}$

式中，x0，y0是求得的星点质心坐标；x，y是像素的坐标；F(x，y)是x行y列像素的灰度值。

进一步的，双路质心成像单元13通过图像传感器驱动单元12，每次读取输出图像两路像素的灰度值，根据四连通域分割的原理、以及左像素和右像素灰度值与预设阈值的比较结果，对双路像素的数据进行标记、等价合并和累加处理，以提高数据并行处理能力和数据处理速度。

这里，所述双路质心成像单元13的具体组成结构如图2所示，包括：灰度值读取模块21、灰度值比较模块22、双路像素数据处理模块23、背景像素处理模块24、第一判断模块25、存储模块26、第二判断模块27以及光斑图像质心计算模块28。

其中，灰度值读取模块21用于同时读入两路像素的灰度值，并将读入的灰度值送入灰度值比较模块22；这里，两路像素分别称为左像素和右像素。

灰度值比较模块22，用于将灰度值读取模块21发来的左像素和右像素的灰度值，分别与预设阈值进行比较，并根据比较结果完成对两路像素的处理；具体的，如果左像素和右像素的灰度值中有一个大于预设阈值，则进入双路像素数据处理模块23，完成双路像素标记、双路数据等价合并和双路数据累加；如果左像素和右像素的灰度值均小于预设阈值，则进入赋值模块24，标记当前两路像素并将标记值赋给相应参数。

双路像素数据处理模块23，用于完成双路像素标记、双路数据等价合并和双路数据累加，之后，对于两路像素的灰度值均大于预设阈值的，进入第二判断模块27，对于两路像素中左像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到存储模块26，对于两路像素中右像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到第一判断模块25；

双路像素数据处理模块23进一步包括标记单元231、合并单元232和累加单元233，其中，标记单元231用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，为左像素和右像素进行标记；合并单元232用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成等价数据的合并；累加单元233用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成对左像素和/或右像素灰度值的累加、以及灰度值和坐标值乘积的累加。

背景像素处理模块24，用于在左右像素灰度值均小于预设阈值时，标记当前两路像素为背景像素，并将标记值赋给相应参数。

第一判断模块25，用于判断两路像素中左像素的左边像素是否有标记值，在有标记值时，进入存储模块26；没有标记值时，进入第二判断模块27。

存储模块26，用于将累加器的值累加到等价标记值对应的数据存储器中，并将累加器清零；

这里，所述的累加器包括用于对左右像素灰度值和坐标值的乘积进行累加的累加器；以及用于对左右像素的灰度值进行累加的累加器。

第二判断模块27，用于判断整幅图像是否处理完，处理完的情况下，进入光斑图像质心计算模块28，未处理完的情况下，再进入灰度值读取模块21，读取下两路像素。

光斑图像质心计算模块28，用于在处理完整幅图像后，计算并输出光斑图像质心的坐标值。

星跟踪单元14，用于根据前一时刻已经识别到的星体信息跟踪当前视场中的星体，获取星体信息。一般，星敏感器在获取全天球星图识别结果后，工作状态会转入跟踪模式，跟踪模式是星敏感器的主要工作模式。

为了能跟踪所有的星体，为了避免传输原始图像数据影响跟踪速度和数据更新率，本发明在双路质心成像，直接输出质心数据而非原始图像数据的基础上，采用中国专利号为ZL200510084010.9的专利中给出的星敏感器快速星跟踪方法，基于位置信息实现无反馈、非窗口的匹配跟踪。具体跟踪过程是：对当前时刻的星体根据其位置信息，寻找前一时刻与其在位置上匹配的已经跟踪到的星体，如果找到一颗且只有一颗星体与其匹配，则匹配识别成功，当前星体的信息(包括赤经、赤纬、星等、星号)与匹配到的前一时刻的星体信息一致。这种跟踪方法能跟踪视场上所有的星体，而且由于传输的数据量小，跟踪过程的速度提高，为本发明星敏感器高姿态计算精度和高数据更新率提供了保证。

星图识别单元15，用于从全天球中识别星图，并将识别出的星图发送给姿态计算单元16。

该单元采用中国专利号为ZL200410102585.4的专利中所公开的改进的三角形星算法，使用角距匹配的方式实现三角形的匹配，可避免存储三角形而必须面临的存储容量太大的问题。这一算法无需依赖准确的亮度信息，因此具有更高的可行性。并且，通过按区间存储星对和利用状态标识进行三角形识别，算法的速度得到很大提高，全天球识别时间仅为0.5s，而一般的全天球识别时间均在秒级以上，从而保证了星敏感器在全天球识别下的高数据更新率。

姿态计算单元16，采用星敏感器中广泛应用的四元素，根据星跟踪单元14跟踪到的所有星体的信息、或星图识别单元15在全天球识别到的星体信息解算出星敏感器精确的姿态，并将计算出的星敏感器姿态输出。具体如何计算星敏感器的姿态属于现有技术，这里不再赘述。

导航星库17，用于存储经过均匀和无重叠划分的导航星表，具体的，本发明采用中国专利号为ZL200510002220.9的专利中所公开的方案：在直角坐标系下对天区重新进行划分：用天球的内接正方体将天球球面均匀的分成六个区域，天球中心和正方体每一侧面四个顶点的连线构成一个锥体，锥体和球面相交并将其分成六块；对于六块中的每一块，将其划分成N×N的小块，这样，整个天球球面可以被划分为6×N×N个子块。

按照以上方法将天球划分后，再扫描导航星表，可将每颗导航星都归于相应的子块中，建立一个分区表。这样，如果已知视轴指向的方向矢量或赤经赤纬坐标，即可迅速在天区上找到相应子块及临近的子块。

为便于从导航星的序号快速检索到其临近区域的导航星，可将导航星所属子块的序号也存储在导航星表中。利用以上方法构建导航星表和分区表，就可以实现从初始姿态(视轴指向)或导航星序号到一定邻域范围内导航星表的快速检索。这种方法对导航星的检索不再需要遍历整个导航星表，平均搜索的范围为以前的9/486＝1/54，能够大大提高搜索速度。

基于图1给出的结构，光学成像系统10将星空图像成像在图像传感器11上；在FPGA信号处理单元中图像传感器驱动单元12的驱动下，图像传感器11将光信号转换为电信号，并传递给双路质心成像单元13；双路质心成像单元13提取星体在观测视场中的位置信息，并输出给后续的RISC信号处理单元；RISC信号处理单元中的星图识别单元15、星跟踪单元14根据导航星库17存储的导航星表，完成星图识别和星跟踪，即：在导航星库17中找到观测星的对应匹配，实现星的模式识别和无反馈非窗口跟踪；并由姿态计算单元16利用这些匹配星对的方向矢量信息计算出星敏感器的三轴姿态，输出姿态信息。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种超高精度的星敏感器，其特征在于，该星敏感器包括光学成像系统、图像传感器、图像传感器驱动单元、双路质心成像单元、星跟踪单元、星图识别单元、姿态计算单元以及导航星库；其中，

光学成像系统，用于将星空图像成像在图像传感器上；

图像传感器，用于在图像传感器驱动单元的驱动下将光信号转换为电信号，并传递给双路质心成像单元；

图像传感器驱动单元，用于驱动图像传感器；

双路质心成像单元，用于对同时读入的两路像素进行双路像素数据处理，在处理完整幅图像后，输出光斑图像的质心坐标给星跟踪单元和星图识别单元；

星跟踪单元，用于根据前一时刻已经识别到的星体信息跟踪当前视场中的星体，获取星体信息；

星图识别单元，用于从全天球中识别星图；

姿态计算单元，用于根据全天球识别到的星体信息或跟踪到的所有星体的信息解算出星敏感器精确的姿态，并将计算出的星敏感器姿态输出；

导航星库，用于存储导航星表。

2、根据权利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述图像传感器为2048×2048像元的大面阵图像传感器。

3、根据权利要求1或2所述的星敏感器，其特征在于，所述图像传感器驱动单元和双路质心成像单元集成在一个FPGA上；所述星跟踪单元、星图识别单元和姿态计算单元集成在一个RISC上。

4、根据权利要求1或2所述的星敏感器，其特征在于，所述双路质心成像单元进一步包括：灰度值读取模块、灰度值比较模块、双路像素数据处理模块、背景像素处理模块、第一判断模块、存储模块、第二判断模块以及光斑图像质心计算模块；其中，

灰度值读取模块，用于同时读入两路像素的灰度值，并将读入的灰度值送入灰度值比较模块；

灰度值比较模块，用于将灰度值读取模块发来的两路像素的灰度值，分别与预设阈值进行比较，并根据比较结果完成对两路像素的处理；

双路像素数据处理模块，用于完成双路像素标记、双路数据等价合并和双路数据累加，之后，对两路像素的灰度值均大于预设阈值的，进入第二判断模块，两路像素中左像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到存储模块，两路像素中右像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到第一判断模块；

背景像素处理模块，用于在左右像素灰度值均小于预设阈值时，标记当前两路像素为背景像素，并将标记值赋给相应参数；

第一判断模块，用于判断两路像素中左像素的左边像素是否有标记值；

存储模块，用于将累加器的值累加到等价标记值对应的数据存储器中，并将累加器清零；

第二判断模块，用于判断整幅图像是否处理完；

光斑图像质心计算模块，用于在处理完整幅图像后，计算并输出光斑图像质心的坐标值。

5、根据权利要求4所述星敏感器，其特征在于，所述双路像素数据处理模块进一步包括：标记单元、合并单元和累加单元；其中，

标记单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，为左像素和右像素进行标记；

合并单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成等价数据的合并；

累加单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成对左像素和/或右像素灰度值的累加、以及灰度值和坐标值乘积的累加。

6、根据权利要求5所述星敏感器，其特征在于，所述累加器包括用于对左右像素灰度值和坐标值的乘积进行累加的第一累加器，以及用于对左右像素的灰度值进行累加的第二累加器。

7、根据权利要求5所述的星敏感器，其特征在于，所述星跟踪单元基于位置信息实现无反馈、非窗口匹配跟踪。

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