CN101451844A - 一种基于生物复眼结构的一体化星敏感器及其应用 - Google Patents

Abstract

一种基于生物复眼结构的一体化星敏感器及其应用，其特征是设置星敏感器为基于生物复眼结构的多视场星敏感器，以小视场的光电成像系统构成各自独立的小眼，由多个小眼形成大视场星敏感器；光电成像系统中的光学透镜与图像敏感器CCD/APS之间的光通道为圆台孔；在所述大视场星敏感器中，小眼分布在半圆柱表面或半球表面，且小眼光轴与圆柱轴线正交或经过球心；相邻小眼的视场不重叠。本发明利用多个独立的高空间分辨率的小视场实现大视场，摄取更多恒星，大幅度增大θ_sep，实现同时从n和θ_sep两个方面提高星敏感器的精度。

Description

一种基于生物复眼结构的一体化星敏感器及其应用

技术领域

本发明属于姿态传感器技术领域，尤其涉及一种应用于航空、航海以及导弹的自主导航中的仿生星敏感器星图摄取与星对提取及提高星敏感器精度的基于生物复眼结构的一体化星敏感器。

背景技术

星敏感器(Star Sensor)是航天器姿态测量系统的重要组成部件之一，它利用对恒星方位的识别，为航天器提供惯性坐标系下的三轴姿态。同太阳敏感器等其它测姿部件相比，星敏感器具有高精度、高可靠性和摄取跟踪能力强等优点，因而己成为各种航天器测姿必备的仪器。星敏感器可以用于航空、航海以及导弹的自主导航。

星图识别的基本原理

星敏感器利用对恒星方位的识别，即星图识别，为航天器提供惯性坐标系下的三轴姿态。星图由具有一定几何特征的若干颗恒星组成，其几何特征可由星对之间的角距，即两星分别与天球球心连线所形成的夹角唯一确定。星图的另一个特征是星等。星等是用来描述恒星亮度的参数，星等越小，星体越亮。要完成星图识别，首先应采用某种选星算法从基本星表中选择足够数量的、满足一定角距和星等要求的恒星，即导航星，生成导航星库；其次，航天器利用机载图像敏感器摄取星图，从摄取的星图中提取满足一定角距要求和星等要求的恒星，即观测星；最后，将由观测星组成的星图和由导航星组成的星图，根据几何特征进行匹配，以确定观测星与导航星的对应关系，进而确定航天器的姿态。由于星对角距具有不变性，因此目前绝大部分星敏感器都利用星对角距进行星图识别，部分算法辅以星等星图识别。

影响星敏感器精度的主要因素

星敏感器的精度主要由光学参数、图像敏感器(Image Sensor)CCD(Charge CoupledDevices，电荷耦合器件)或CMOS APS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，ActivePixel Sensor，互补金属氧化物半导体有源像素传感器，简称APS的分辨率、参与计算姿态的观测星的数量三个因素决定。当光学系统、图像敏感器确定后，星敏感器的测量精度主要由参与姿态计算的观测星的数量来决定。常用的休斯公司星敏感器仿真评价使用的姿态角精度公式是：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_P={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}/\sqrt{n}\\ {\mathrm{\σ}}_R=\sqrt{2/(n-1)}\×{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}/{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{sep}}\end{array}\right.$

式中σ_P、σ_γ和σ_R分别是星敏感器在俯仰、偏航和横滚方向的姿态测量误差角，n是参与计算的星数，σ_xy是星敏感器像面上所成的像点与焦点的球心角的测量角度误差，θ_sep为观测星的平均分离角度。根据该公式，若n越大，单星测量精度越高，即误差σ_xy越小，则三轴误差σ_P、σ_γ、σ_R越小；若θ_sep越大，则误差σ_R越小。

目前现有星敏感器的结构及其特点：

如图1所示，具有单一视场，一般包括遮光罩3、光学透镜系统4、图像敏感器CCD/APS10、星图读出电路9、星图处理和星图识别系统8、电源接口6、数据通讯接口7，以及用于安装透镜光学系统和电子系统的机械结构5。其中光学透镜系统4将星空1中的恒星成像在图像敏感器10的焦平面上，即摄取星图。

图1中遮光罩3的作用是利用挡光叶2和吸光漆有效遮拦太阳、月亮和地球等强光源，降低强光源对星敏感器的影响。许多遮光罩的长度在500～600mm左右，尽管这种长型的或多级的遮光罩挡光效果较好，但由于尺寸较长，在安装装配上存在困难，特别不适合于微小型卫星。

为了提高星敏感器的精度，传统星敏感器在硬件结构方面的措施主要是：在镜头前增加遮光罩，降低杂光干扰；采用高分辨率的CCD/APS，提高单星测量精度，配以亚像元定位方法，进一步提高星敏感器指向精度；采用大视场光学系统，以便从增大n或θ_sep的角度提高星敏感器的精度。星敏感器的俯仰轴和偏航轴的精度一般为10^-5rad，而滚动轴的精度一般在10^-3～10^-4rad左右。为了使三个旋转轴的精度都能达到10^-5rad，一般要正交安装2～3个星敏感器。许多航天器上安装的同一朝向的两个星敏感器，主要目的是冗余备份。

综上所述，已有星敏感器为：

1、单一视场；

2、镜头前装有较大尺寸的遮光罩；

3、利用尽量小的焦距获取尽量大的视场，以便摄取更多的恒星；

4、利用高分辨率的CCD/APS和/或某种算法，提高单星测量精度；

5、利用算法，在同一幅星图中选取具有一定角距值的星对；

6、同步提高三轴精度，需正交安装2～3个星敏感器。

显然，上述已有的传统星敏感器存在以下缺点或不足：

1、增大视场受到CCD/APS分辨率的限制；

2、增大视场必然增大遮光罩的长度，不利于星敏感器的微小化；

3、增大星对角距受到星图幅面与所摄取恒星数量的限制；

4、基于单一视场，同时从n和θ_sep两个方面提高星敏感器精度的潜力是有限的；

5、利用亚像元相关定位方法等算法提高单星测量精度的能力是有限的；

6、正交安装多个普通星敏感器，存在工程安装问题，且不利于航天器对星敏感器的小型化需求。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于生物复眼结构的一体化星敏感器及其应用，针对已有技术在提高精度方面所固有的局限性，利用多个独立的高空间分辨率的小视场实现大视场，摄取更多恒星，大幅度增大θ_sep，以便同时从n和θ_sep两个方面提高星敏感器的精度。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于生物复眼结构的一体化星敏感器的结构特点是设置所述星敏感器为基于生物复眼结构的多视场星敏感器，以小视场的光电成像系统构成各自独立的小眼，由多个小眼形成大视场星敏感器；所述光电成像系统中的光学透镜与图像敏感器CCD/APS之间的光通道为圆台孔；在所述大视场星敏感器中，小眼分布在半圆柱表面或半球表面，且小眼光轴与圆柱轴线正交或经过球心；相邻小眼的视场不重叠，设定小眼圆视场角为2ω，相邻小眼光轴之间的夹角为

则有ω与存在如下关系：

以

本发明基于生物复眼结构的一体化星敏感器的结构特点也在于：

所述圆台孔的内壁为具有消光作用的吸光材质。

所述在半圆柱表面的小眼分布方式为：

以一个平面与半圆柱面轴线垂直相交，在半圆柱的表面得到一条圆弧线，位于所述平面内的小眼光轴与所述圆弧线存在有交点，所述交点在所述圆弧线上均匀分布，并且有一个交点在所述圆弧线的中心点上；

或：以多个平行平面与半圆柱面轴线垂直相交，在半圆柱的表面得到多条相互平行的圆弧线，位于所述各平面内的小眼光轴与相应位置上的圆弧线存在有交点，所述交点在各圆弧线上均匀分布，并且任意两条所述圆弧线上的任意两个所述交点的连线均不平行于所述半圆柱的轴线，并且有且仅有一条所述圆弧线上的一个所述交点在所述半圆柱的对称平面内。

所述在半球表面的小眼分布方式为：

经过球心与半球球顶的连线，存在多个均匀分布的平面，即相邻平面的夹角相等，所述平面与所述半球面相交得到多条圆弧线，位于所述平面内的小眼光轴与所述圆弧线存在有交点，所述交点在所述圆弧线上均匀分布，并且有且仅有一小眼位于所述半球球顶；

或：垂直球心与半球球顶的连线，存在多个均匀分布的平面，即相邻平面的距离相等，所述平面与所述半球面相交得到多条圆弧线，位于所述平面内的小眼光轴与所述圆弧线存在有交点，所述交点在所述圆弧线上均匀分布，并且有且仅有一小眼位于所述半球球顶。

本发明利用一体化星敏感器的选星和观测星提取方法的特点是：星对及星对角距θ满足：

(1)设置星对角距θ的取值范围为：

 式中，a为自然数，b为实数，且0≤b<2；

(2)设置a的取值为：

所取星对中的两颗恒星分别来自位于同一平面内的相邻小眼的两幅星图，则a取1；分别来自间隔1个小眼的两幅星图，则a取2；依此类推，间隔k个小眼，则a取k+1；a取值越大、角距越大，则星敏感器的精度越高；

(3)设置b的取值为：

设定小眼圆视场角对应的圆形星图的半径为R，将R等分为m份，则所述圆形星图被划分为径向宽度为R/m的m-1个同心圆环区域和所述圆形星图正中间的一个半径为R/m的小圆形区域；设定所述圆环区域从内到外的编号为i，i的取值是2，3，4，…，m；所取星对中的两颗恒星分别来自两个小眼的所述小圆形区域，则b取

来自第i个所述圆环区域，则b取 $2\frac{i}{m};$

(4)对星对角距θ进行分组，在同一取值范围内的归于一组；组内按角距θ值大小排序，完成选星和观测星提取。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、单一视场的传统星敏感器，主要是通过缩小光学系统焦距达到扩大视场的目的，进而达到增加观测星数量的最终目的，所以图像敏感器CCD/APS的分辨率限制了视场的增大，且增大视场降低了空间分辨率，需要用亚像元相关定位方法等算法提高提取恒星质心的精度。本发明多个高空间分辨率的独立小视场，合成大的总视场；限制总视场大小的主要因素不是图像敏感器CCD/APS的分辨率。本发明增大视场的方式是通过增加小眼个数的方式增大总视场，因此总视场的大小取决于小眼视场大小和小眼的个数，相邻小眼的视场不重叠，有利于总视场的有效增大，而且小眼的视场是小视场，因此本发明所述星敏感器增大了视场，提高了空间分辨率，更有利于精确计算恒星质心位置。

2、缩小小眼的视场，可以大幅缩小小眼镜头前的遮光罩尺寸；缩小视场使小眼成像焦距相对小幅增大。因此，本发明利用小视场的光电成像系统，有利于缩小小眼镜头前的遮光罩尺寸，并且充分利用小眼光学透镜与图像敏感器CCD/APS之间的光通道设置消光圆台孔，进一步增强消除杂光干扰的能力。

3、本发明设置相邻小眼的视场不重叠，利用小眼所摄星图生成的与小眼对应的观测星子集之间的交集为空，因此可以在不同观测星子集之间取星图识别所需星对，使星对的提取更简单、高效。

4、小角距不利于星图识别，因此，已有的单一视场星敏感器在观测星中提取星对时，需利用某种算法提取星对、判断星对角距θ是否大于某阈值ε。为了提高星敏感器的精度，ε越大越好，但ε受星图幅面大小和星图质量的限制。考虑到星图成像质量，常在星图中心的某个范围内提取恒星，因此，ε的取值必须更小。本发明分别从不同小眼所摄取的星图中提取恒星组成星对，其角距的最小值主要取决于相邻小眼光轴夹角，且远大于传统星敏感器所用星对的角距，支持大星对角距的选星和观测星提取算法。

5、已有的单一视场星敏感器摄取的星图中可用于星图识别的恒星数量是有限的，在增大星对角距的同时，必然减少参与星图识别的恒星数量n，因此难以同时从n和θ两个方面同时提高星敏感器的精度。本发明从根本上消除了n和θ的依赖关系：n取决于小眼个数、小眼的视场及小眼成像质量；θ主要取决于星对中的两颗恒星分别来自相邻小眼摄取的两幅星图，还是来自间隔a+1个小眼的两幅星图，两幅星图对应小眼的光轴夹角决定θ的最小值。因此，利用本发明星敏感器可以从n和θ两个方面同时提高星敏感器的精度。

6、易于工程安装。基于生物复眼结构的一体化星敏感器实现的多视场，有别于多个已有的单一视场星敏感器组合得到的多视场。复眼结构有利于星敏感器的小型化、微型化；一体化结构可以避免工程安装精度对星敏感器的影响。

附图说明

图1为已有单一视场星敏感器结构示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明左视图。

图4为本发明结构框图。

图5为本发明小眼光学系统示意图。

图6为本发明小眼消光示意图。

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见附图4，本发明提供一种基于生物复眼结构的一体化敏感器，由若干小眼得到多个视场，进而形成大视场，其构成包括：安装于半圆柱或半球体基体10上的若干小眼，星图读出电路9，星图处理和星图识别系统5，电源接口4和数据通讯接口6，其中，每个小眼包括：遮光罩2，光学透镜系统8，图像敏感器CCD/APS 7，消光空心圆台3。

小眼光电成像系统中的光学透镜系统8与图像敏感器CCD/APS 7之间的光通道为圆台孔，圆台孔的内壁为具有消光作用的吸光材质；小眼分布在半圆柱表面或半球表面，且小眼光轴与圆柱轴线正交或经过球心；相邻小眼的视场不重叠。

实施例1

如图2、图3和图4所示，本实施例的结构组成包括：遮光罩2、安装于半球体基体10上的若干小眼、星图读出电路9、星图处理和星图识别系统5、电源接口4和数据通讯接口6，其中，小眼包括光学透镜系统8、图像敏感器APS7和消光空心圆台3。

如图2、图3所示，视场互不重叠的9个小眼(编号为A～I)分布在两个经过半球球顶与球心连线的两个正交平面中，同一平面内的相邻小眼光轴间夹角为45°，小眼光轴经过球心。因此，小眼A、C、E、F、I的光轴两两相互垂直；小眼B和D的光轴相互垂直；小眼G和H的光轴相互垂直。

图2、图3和图4中小眼的光学系统如图5、图6所示，采用类似普通望远镜物镜的两片小气隙凸透镜8-1和凹透镜8-2，将光线在图像敏感器7上聚焦成像，圆视场角10°。透镜数较少的光学系统降低小眼的复杂程度，便于星敏感器小型化后的制作与安装，同时保留足够焦距长度以便在光学透镜系统8与图像敏感器7之间设置具有消光作用的圆台通光孔，如图6所示：光线经光学透镜系统8折射入消光空心圆台3，吸收与小眼光轴夹角大于半视场角的离焦光源光线，吸收在视场边缘成像的光源光线，中心有效视场内光源光线在图像敏感器7上聚焦成像。可以充分利用光学透镜系统8与图像敏感器7之间的空间设置圆台消光孔。图像敏感器采用Micron MT9V022，像元尺寸6μm×6μm，影像尺寸4.55mm×2.97mm，光灵敏度具有110dB以上动态范围，可摄取直射日光图像或低于0.1Lux的弱光图像。

利用上述实施例实现的基于生物复眼结构的一体化星敏感器，进行星图识别的基本方法是：

(1)、确定在每个小眼摄取的星图中提取恒星的策略为在全视场角范围内提取最亮恒星1～3颗，得到与小眼对应的恒星子集，用对应小眼编号表示，即获取的恒星子集为A、B、C、D、E、F、G、H、I；

(2)、确定星对的产生方法为：C中的恒星为主星，其它恒星子集中的恒星为伴星；

(3)、根据上述(1)和(2)，确定星对角距θ的取值范围是θ₁和θ₂，即：35°≤θ₁≤55°，80°≤θ₂≤100°，C集与B、G、D、H集恒星构成星对的角距范围为θ₁，C与A、F、E、I集恒星构成星对的角距范围为θ₂；

(4)、根据θ的取值范围，根据星敏感器能敏感到的星等，利用选星算法生成导航星表，形成对应θ₁和θ₂的两个查找表；

(5)对实际摄取的星图，按(2)构造观测星图，然后在根据(4)所得星表中分组匹配，计算三轴姿态。

上述说明，仅为本发明的实施例而已，并非为限定本发明的实施例，任何依本发明的特征范畴所做出的其他等效变化或修饰，如小眼个数、小眼分布形式、小眼光轴间夹角大小、小眼安装基体形状变化、小眼光学系统的变更或图像敏感器的更换等，皆涵盖在本发明所申请专利范围内。

Claims (5)

1、一种基于生物复眼结构的一体化星敏感器，其特征是设置所述星敏感器为基于生物复眼结构的多视场星敏感器，以小视场的光电成像系统构成各自独立的小眼，由多个小眼形成大视场星敏感器；所述光电成像系统中的光学透镜与图像敏感器CCD/APS之间的光通道为圆台孔；在所述大视场星敏感器中，小眼分布在平面与半圆柱表面或半球表面相交得到的圆弧线上，且小眼光轴与圆柱轴线正交或经过球心；相邻小眼的视场不重叠，设定小眼圆视场角为2ω，相邻小眼光轴之间的夹角为

，则有ω与

存在如下关系：

以

2、根据权利要求1所述的基于生物复眼结构的一体化星敏感器，其特征是所述圆台孔的内壁为具有消光作用的吸光材质。

3、根据权利要求1所述的基于生物复眼结构的一体化星敏感器，其特征是所述在半圆柱表面的小眼分布方式为：

以一个平面与半圆柱面轴线垂直相交，在半圆柱的表面得到一条圆弧线，位于所述平面内的小眼光轴与所述圆弧线存在有交点，所述交点在所述圆弧线上均匀分布，并且有一个交点在所述圆弧线的中心点上；

或：以多个平行平面与半圆柱面轴线垂直相交，在半圆柱的表面得到多条相互平行的圆弧线，位于所述各平面内的小眼光轴与相应位置上的圆弧线存在有交点，所述交点在各圆弧线上均匀分布，并且任意两条所述圆弧线上的任意两个所述交点的连线均不平行于所述半圆柱的轴线，并且有且仅有一条所述圆弧线上的一个所述交点在所述半圆柱的对称平面内。

4、根据权利要求1所述的基于生物复眼结构的一体化星敏感器，其特征是所述在半球表面的小眼分布方式为：

经过球心与半球球顶的连线，存在多个均匀分布的平面，即相邻平面的夹角相等，所述平面与所述半球面相交得到多条圆弧线，位于所述平面内的小眼光轴与所述圆弧线存在有交点，所述交点在所述圆弧线上均匀分布，并且有且仅有一小眼位于所述半球球顶；

或：垂直球心与半球球顶的连线，存在多个均匀分布的平面，即相邻平面的距离相等，所述平面与所述半球面相交得到多条圆弧线，位于所述平面内的小眼光轴与所述圆弧线存在有交点，所述交点在所述圆弧线上均匀分布，并且有且仅有一小眼位于所述半球球顶。

5、一种利用权利要求1所述的一体化星敏感器的选星和观测星提取方法，其特征是：星对及星对角距θ满足：

(1)设置星对角距θ的取值范围为：

式中，a为自然数，b为实数，且0≤b<2；

(2)设置a的取值为：

所取星对中的两颗恒星分别来自位于同一平面内的相邻小眼的两幅星图，则a取1；分别来自间隔1个小眼的两幅星图，则a取2；依此类推，间隔k个小眼，则a取k+1；a取值越大、角距越大，则星敏感器的精度越高；

(3)设置b的取值为：

设定小眼圆视场角对应的圆形星图的半径为R，将R等分为m份，则所述圆形星图被划分为径向宽度为R/m的m-1个同心圆环区域和所述圆形星图正中间的一个半径为R/m的小圆形区域；设定所述圆环区域从内到外的编号为i，i的取值是2，3，4，…，m；所取星对中的两颗恒星分别来自两个小眼的所述小圆形区域，则b取

；来自第i个所述圆环区域，则b取

(4)对星对角距θ进行分组，在同一取值范围内的归于一组；组内按角距θ值大小排序，完成选星和观测星提取。

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