CN101701822B - 基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法。利用光学联合变换相关器对星敏感器拍摄的前后两帧星图进行相关运算，通过相关峰的位置变化来计算星图的偏移，从而得到姿态变化信息。该方法避免了星点提取的环节，同时利用了整幅星图的信息，能减小杂光、噪声和载体运动对计算精度的影响，从而较大提高了星跟踪精度和抗干扰性能。由于利用光学方法实现相关运算，而且计算过程中不需要与标准星库匹配，因而较大提高了星跟踪的速度。

Description

基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法

技术领域

本发明属于空间飞行器姿态测量技术，特别涉及星敏感器星跟踪方法。

背景技术

星敏感器通过探测恒星来确定空间飞行器的三轴姿态，是空间飞行器姿态测量最重要的敏感器之一。星敏感器通常有姿态捕获和星跟踪两种工作模式。前者通过识别当前拍摄的星图在全天星图中的位置，获得飞行器姿态；后者在已知前一时刻姿态条件下，通过跟踪星图的变化获得当前飞行器姿态。星敏感器大部分时间处于跟踪模式，星跟踪方法决定了星敏感器跟踪速度和跟踪精度。随着空间飞行器的发展，对姿态测量的精度和速度提出了更高的要求，因而星敏感器星跟踪方法也要有相应的提高，其具体要求如下：

(1)高精度，(2)抗干扰，(3)高速度

传统的星跟踪方法主要有跟踪窗方法和匹配识别方法，两种方法均已知前一时刻姿态条件下，利用前一时刻的姿态信息，通过对星敏感器当前拍摄星图中星点坐标的识别判定得到当前飞行器的姿态。以跟踪窗方法为例说明传统星跟踪方法的步骤。假设第K帧星图的识别结果已知，即已知该星图星点坐标及其对应的星敏感器姿态。首先提取当前帧(第K+1帧)星图上星点的位置坐标，然后在以第K帧星图上第n星点为中心，r为半径的窗口中搜索第K+1帧星图上的星点，搜到的最近星点为第n星；进行多个星点的搜索，可以判定出第K+1帧相对于第K帧的位移，从而根据K帧的姿态数据结合K+1帧的相对位移量得到当前时刻的姿态数据。如果前述过程中没有搜索到足够的星点，则需要进行局部或全天的星图匹配，详细过程见图1。匹配识别方法则通过第K帧姿态信息得到当前星图所处的局部的标准星图的星点位置坐标，K+1帧星图星点坐标提取后，通过与上述局部标准星图匹配，实现当前姿态信息的获取。

从上述步骤可以看到，传统方法存在以下不足，限制了其精度、速度和抗干扰性能。首先，上述方法均需要提取星图的星点坐标，提取星点坐标的精度很大程度上决定了最终姿态计算精度。但这个过程易受背景杂光、探测器噪声及载体的运动影响，使得精度和抗干扰能力下降。而且为了兼顾计算速度，往往只取部分星点，不能充分利用探测到的信息。其次，上述方法均不能避免星图匹配的步骤，即需要将拍摄的星图与局部星库数据进行匹配识别，而这个过程是非常耗时的，限制了计算速度的进一步提高。另外还存在星点的误识别问题。

光学联合变换相关原理(参见宋菲君，S.Jutanmulia.近代光学信息处理。北京大学出版社，1998年(第一版)，pp78-90)。光学联合变换相关器(JTC，Joint transfrom correlator)，最早是由Weaver和Goodman，及Rau提出，其基本结构如图3所示，可以实现目标图像与参考图像的相关运算。其基本原理为，目标图像f(x，y)和参考图像g(x，y)联合显示在输入面P0上，两图分别位于(0，a)，(0，-a)处，由准直激光束读出，经过傅立叶透镜L1，在L1后焦面P1上形成输入图像的联合傅立叶变换谱，在P1面转换为功率谱后，由另一束准直激光束经过分光镜(B.S)读出，经过傅立叶透镜L2，在L2焦平面P2上形成相关输出O。相关输出的表达式为(推导过程见参考文献)：

O＝O₁+O₂+O₃+O₄                (1)

其中：

O₁(ε，η)＝∫∫f(α，β)f^*(α-ε，β-η)dαdβ      (2)

为f(x，y)的自相关，

O₂(ε，η)＝∫∫f(α，β)g^*(α-ε，β-(η+2a))dαdβ    (3)

为f(x，y)和g(x，y)的互相关，在η轴上平移-2a，

O₃(ε，η)＝∫∫f^*(α-ε，β-(η-2a))g(α，β)dαdβ    (4)

为g(x，y)和f(x，y)的互相关，在η轴上平移2a，

O₄(ε，η)＝∫∫g(α，β)g^*(α-ε，β-η)dαdβ         (5)

为g(x，y)的自相关。

发明内容

1.本发明目的和总体特点

本发明基于光学联合变换相关的原理，提出一种新的星敏感器星跟踪方法。本发明利用光学联合变换相关器对前后两帧星图进行相关运算，通过相关峰的位置变化来计算星图的偏移，从而得到姿态变化信息。该方法避免了星点提取的环节，同时利用了整幅星图的信息，能减小杂光、噪声和载体运动对计算精度的影响，从而较大提高了星跟踪精度和抗干扰性能。由于利用光学方法实现相关运算，而且计算过程中不需要与标准星库匹配，因而较大提高了星跟踪的速度。

2.本发明的原理

根据式(3)，当输入图像与参考图像相同时，O₂为自相关信号，因而为点状信号(称为自相关峰)，同样由该式可知，该信号位置和输入图像与参考图像的位置偏移成正比，因而提取自相关峰的中心位置，即可以计算出两幅图像的位置偏移。

根据上述原理，本发明将第K帧星图作为参考图像，第K+1帧星图作为目标图像，两幅图像同时输入于光学联合变换相关器，在输出面上得到相关峰。然后提取相关峰位置坐标，再经过计算得到前后两帧星图的偏移参数。从而进一步计算得到当前星敏感器的姿态数据。前一帧星图与当前拍摄星图可以左右(上下)并排拼接为一幅图再输入光学联合变换相关系统，也可以叠加为一幅图再输入光学联合变换相关系统。具体的计算步骤见附图2。

偏移参数的计算原理如下：

设第K帧星图为f(x，y)，第K+1帧星图在y轴方向上有b的偏移，则其表达式为f(x，y-b)，两图分别位于(0，a)，(0，-a)处，在透镜L1后焦面得到傅立叶谱为：

$S(u,v)=\∫\∫[f(x,y-a)+f(x,y+a-b)]\×\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(\mathrm{xu}+\mathrm{yv})]\mathrm{dxdy}---\left(6\right)$

S(u，v)为联合傅里叶谱，可由傅立叶位移的变换法则改写为

$S(u,v)=\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}\mathrm{av}]F(u,v)+\exp \left[i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(a-b)v\right]F(u,v)---\left(7\right)$

式中：

$F(u,v)=\∫\∫[f(x,y)\×\exp (-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(\mathrm{xu}+\mathrm{yv}))]\mathrm{dxdy}---\left(8\right)$

用平方律探测器测量透镜后焦面的联合傅里叶谱，得到功率谱：

${\left|S(u,v)\right|}^2=2{\left|F(u,v)\right|}^2+[\exp (-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(2a-b)v)+\exp \left(i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(2a-b)v\right)]{\left|F(u,v)\right|}^2---\left(9\right)$

对上述联合功率谱|S(u，v)|²经过透镜L2进行一次傅里叶逆变换，得到：

$O(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=\∫\∫{\left|S(u,v)\right|}^2\×\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(\mathrm{\ϵu}+\mathrm{\ηv})]\mathrm{dudv}---\left(10\right)$

将(9)式代入(10)式，得到三项：

$O_1(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=2\∫\∫{\left|F(u,v)\right|}^2\×\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(\mathrm{\ϵu}+\mathrm{\ηv})]\mathrm{dudv}---\left(11\right)$

$=2\∫\∫f(\mathrm{\α},\mathrm{\β})f^{*}(\mathrm{\α}-\mathrm{\ϵ},\mathrm{\β}-\mathrm{\η})\mathrm{d\αd\β}$

为f(x，y)的自相关，位于原点；

$O_2(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=\∫\∫\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(2a-b)v]\×{\left|F(u,v)\right|}^2\×\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(\mathrm{\ϵu}+\mathrm{\ηv})]\mathrm{dudv}---\left(12\right)$

$=\∫\∫f(\mathrm{\α},\mathrm{\β})f^{*}(\mathrm{\α}-\mathrm{\ϵ},\mathrm{\β}-(\mathrm{\η}+2a-b))\mathrm{d\αd\β}$

为f(x，y)的自相关，位于η轴上-(2a-b)点；

$O_3(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=\∫\∫\exp \left[i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(2a-b)v\right]\×{\left|F(u,v)\right|}^2\×\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λf}}(\mathrm{\ϵu}+\mathrm{\ηv})]\mathrm{dudv}---\left(13\right)$

$=\∫\∫f(\mathrm{\α},\mathrm{\β})f^{*}(\mathrm{\α}-\mathrm{\ϵ},\mathrm{\β}-(\mathrm{\η}-2a+b))\mathrm{d\αd\β}$

为f(x，y)的自相关，位于η轴上2a-b点；

由(4)式及(13)式可知，相关峰的偏移量

b′＝2a-(2a-b)＝b                (14)

即相关峰的偏移量与图像偏移量相同。具体实现时，因为器件尺度关系，实际相关峰的偏移量与星图偏移量呈线性关系。

3.技术效果

本发明与传统星跟踪方法相比，有以下特点：

1)计算速度快。

由于联合变换相关是由光学方法完成，其计算速度仅受限于光电转换器件速度。再者没有与星库匹配识别的耗时环节。

2)精度高。

无须提取具体的星点坐标，且同时对整幅星图的所有星点进行相关运算，精度大为提高。与单星提取精度相比，整幅星图相当于对该图上所有星点进行计算，由统计原理可知，精度提高n倍，其中n为该星图上星点的个数。

3)抗干扰

噪声信号与星点图像信号不相关，因而在相关运算中可以减小和消除噪声信号的影响，提高信噪比，抗干扰能力强。

附图说明

图1为传统星跟踪方法步骤示意图

图2为基于光学联合变换相关的星跟踪方法步骤示意图

图3为光学联合变换相关原理图

图4为具体实施方案示意图

具体实施方式

下面结合附图4对本发明实施方式作详细的说明。但不应因此限制本发明的保护范围。

如图4所示，本发明实施方案包括三部分：相机1、嵌入式处理器2、光学联合变换相关器3。其中光学联合变换相关器包括空间光调制器4、1/4波片5、偏振分光镜6、傅立叶透镜7、反射镜8、光电探测器9、半导体激光光源10。设相机拍摄到的当前星图为第K+1帧星图，前一时刻拍摄的星图为第K帧星图，且前一时刻的星敏感器姿态已知。第K+1帧星图通过嵌入式处理器2同第K帧星图水平拼接，再写入到空间光调制器4，经过1/4波片5、偏振分光镜6、傅立叶透镜7、反射镜8到光电探测器9，由光电探测器9采集到功率谱，功率谱由嵌入式处理器2写入空间光调制器4，再次通过光学联合变换相关系统，由光电探测器9采集到相关输出。通过嵌入式处理器2提取相关峰位置坐标，利用14式计算得到前后两帧星图的偏移量。从而进一步计算得到当前星敏感器的姿态数据。

Claims (3)

1.基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法，根据光学联合变换相关原理，当输入图像与参考图像相同时，光学联合变换相关器输出点状相关峰信号，且该信号位置和输入图像与参考图像的位置偏移量相关，其特征在于将星敏感器拍摄的前一帧星图作为参考图像，当前拍摄星图作为目标图像，两幅图像同时输入于光学联合变换相关器，在输出面上得到相关峰；然后提取相关峰位置坐标，再经过计算得到前后两帧星图的偏移参数，从而进一步计算得到当前星敏感器的姿态数据，实现星图跟踪；整个系统包括相机(1)，嵌入式处理器(2)，光学相关运算系统(3)，其中光学相关运算系统(3)包括：空间光调制器(4)，1/4波片(5)，偏振分光镜(6)，傅里叶透镜(7)，反射镜(8)，光电探测器(9)，激光光源(10)；

该方法的跟踪步骤为：

①星敏感器相机(1)拍摄当前星图，传至嵌入式处理器(2)；

②嵌入式处理器将当前星图与前一帧星图拼接后传至光学相关运算系统(3)；

③光学相关运算系统进行相关运算，运算结果以一定的光强图样分布辐照在光电探测器所在的平面上；

④光电探测器(9)将得到的运算结果图像传至嵌入式处理器(2)；

⑤嵌入式处理器提取相关峰坐标，并计算得到当前拍摄星图相对于前一帧星图的位置偏移；

系统重复执行上述步骤①-⑤，实现了对实时星图的精准跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法，其特征在于前一帧星图与当前拍摄星图可以左右或上下并排拼接为一幅图再输入光学联合变换相关系统，也可以叠加为一幅图再输入光学联合变换相关系统。

3.根据权利要求1所述的基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法，其特征在于光学联合变换相关系统输出的相关运算图像为一灰度图像，其中有一个灰度最大值点代表两幅输入星图的相关运算结果，且该点的位置变化与两幅输入星图间的相对位置偏移成线性关系。

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