CN101957203B - 一种星敏感器高精确度的星跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种星敏感器高精确度的星跟踪方法。采用星跟踪方法的跟踪窗口方式，获得星敏感器视场内所有已知恒星星像坐标，根据这些已知恒星的信息，搜索出视场内所有未知恒星，把视场内所有恒星划分为多个不均匀的子区域，其中恒星密度大的子区域面积小，恒星密度小的子区域面积大，这样尽量满足每个子区域能有一定数量的恒星，并把这种子区域的分布、面积大小对应到相应的星图，把星图划分为数量相同、面积比例相同的子星图，根据获得已知恒星的星像坐标，确认是否存在不包含已知恒星的子星图中，而且只识别不包含已知恒星子星图内的未知恒星。从而满足每个区域内都有恒星参与计算姿态，保证了参与计算姿态的恒星在全视场内均匀分布。本发明的优点是减少了计算量，保证了星跟踪模式下的实时性，降低了星敏感器输出的姿态与实际姿态的误差。

Description

一种星敏感器高精确度的星跟踪方法

(一)技术领域

本发明涉及一种航天领域测量技术，具体涉及一种星敏感器高精确度的星跟踪方法。 

(二)背景技术

星敏感器是一种以恒星作为观测基准的高精度飞行器姿态测量敏感器，能够提供角秒级甚至更高精度的姿态信息，被认为是目前精度最高的姿态敏感器。星敏感器有初始姿态捕获和星跟踪模式两种模式。初始姿态捕获就是在全天球范围内对CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Transistor)成像器件所得到的观测星图进行匹配、识别。计算初始的精确姿态。随着航天技术的发展，对航天飞行器的自主导航能力提出了越来越高的要求，不仅要求准确的姿态信息，还要有很好的快速性。因此很多学者提出各种全天球星图识别算法或者改进各种全天球星图识别算法来提高星敏感器的快速性。这些算法虽然从某种程度上提高了姿态更新率，但是由于全天球星图识别前，必须从整幅星图中提取星像坐标，而提取星像坐标占了整个全天球星图识别模式的绝大部分时间。随着像平面的面阵增大，每次提取星像坐标过程的时间增加。然而宽视场、大面阵的像平面是新一代星敏感器的发展趋势。所以完全从全天球星图识别算法考虑来提高星敏感器的姿态更新率必然受到限制。 

为了满足航天器对星敏感器实时性能的需要，以及随着星敏感器处理能力和存储能力的提高，星敏感器经过一次全天星图识别获得初始姿态后，必然有适当的先验信息，因此星敏感器可以不必连续工作在全天球识别模式，而是充分利用这些先验信息，工作在星跟踪模式。星跟踪模式就是利用这些先验信息可以在星图的适当区域内进行提取星像坐标，从而避免了在很多星图背景处判断是否存在星像的过程，这样进一步节省了星像坐标提取过程中的时间，从而提高了星敏感器数据更新率，提高了星敏感器的实时性。 

星跟踪方法主要有跟踪窗口方式和匹配识别方式两种跟踪方式。传统的星跟踪方法大部分时间工作在跟踪窗口方式，不考虑参与计算姿态的恒星在视场内的分布，只有当星敏感器视场内已知恒星较少时，星敏感器才采用匹配识别跟踪方法来获取星敏感器视场内未知恒星信息，如图3。由于飞行器的运动，当星敏感器工作在纯跟踪窗口方式下，随着所有已知恒星从视场中心移到视场边沿，星敏感器输出的姿态与理想姿态的误差增加，而当星敏感器再次工作在匹配识别跟踪方法后，由于对视场内其它未知恒星识别，并参与姿态的计算，星敏感器输出的姿态与理想姿态的误差又减少了。如图1中a所示，随着已知恒星从t₁时刻恒星星像位置到t_n时刻恒星星像位置的移动，输出姿态从图2的输出姿态曲线的A点移到A1点， 当星敏感器在t_n时刻对未知恒星识别后，如图1中b所示，又降低了姿态误差，如A2点。 

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种新的星敏感器星跟踪方法，在相同的条件下，使星敏感器在星跟踪模式下不但具有很好的实时性，而且提供更高精度的姿态信息。 

1.本发明的目的是这样实现的：方法如下： 

(1)采用星跟踪方法的跟踪窗口方式，获得星敏感器视场内所有已知恒星星像坐标； 

(2)根据这些已知恒星的信息，从星表中搜索出所有视场内所有恒星，包括已知恒星和未知恒星； 

(3)根据星敏感器视场内恒星的分布，把视场内恒星划分为多个不均匀的子区域，其中恒星密度大的子区域面积小，恒星密度小的子区域面积大，这样尽量满足每个子区域能有一定数量的恒星，并把这种子区域的分布、面积大小对应到相应的星图，把星图划分为数量相同、面积比例相同的子星图，根据获得已知恒星的星像坐标，确认是否存在不包含已知恒星的子星图中； 

(4)对于不包含已知恒星的子区域，采用从天球坐标系到图像平面坐标系中理想星像质心坐标的公式一和公式二，来计算未知恒星在子星图中的理想星像坐标； 

$x=\frac{\cos \mathrm{\δ}\sin (\mathrm{\α}-A)}{\sin \mathrm{\δ}\sin D+\cos \mathrm{\δ}\cos D\cos (\mathrm{\α}-A)}$

     式一 

$y=\frac{\sin \mathrm{\δ}\cos D-\cos \mathrm{\δ}\sin D\cos (\mathrm{\α}-A)}{\sin \mathrm{\δ}\sin D+\cos \mathrm{\δ}\cos D\cos (\mathrm{\α}-A)}$

x′＝xcosθ-ysinθ 

                        式二 

y′＝xsinθ+ycosθ 

其中： 

(A，D)是理想坐标系中心，即光轴指向，在天球坐标系的指向； 

θ为星敏感器的滚动角； 

这些都可以通过已知恒星信息来计算得到； 

(x′，y′)是计算未知恒星在子星图中的理想星像坐标； 

(α，δ)是未知恒星在天球坐标系中的赤经和赤纬； 

(5)采用星跟踪方法的匹配识别方式验证这些未知恒星的实际星像坐标，即新信息； 

(6)保存这些新信息以及原有的信息，并利用这些新信息以及原有的已知信息，计算当前星敏感器姿态。 

本发明的优点： 

把星敏感器视场恒星的分为已知和未知，把整个视场划分为若干个面积不等的小区域，保证每个小区域的单位面积恒星相等；采用已知恒星的信息，对存在已知恒星的区域内的未知恒星不识别，仅仅识别不存在已知恒星区域内的未知恒星信息，这样减少了计算量，从而保证了星跟踪模式下的实时性；识别不存在已知恒星区域内的未知恒星信息，从而使参与计算姿态的恒星充满整个视场，并且在整个视场内均匀分布，从而降低了星敏感器输出的姿态与理想姿态的误差。 

(四)附图说明

图1为传统星跟踪模式下预测、识别未知恒星信息示意图； 

图2为传统星跟踪模式下星敏感器输出的姿态与实际姿态的误差曲线(某一轴)； 

图3为传统星跟踪模式下星敏感器视场内已知恒星数量与跟踪方式的关系； 

图4为星敏感器视场内已知恒星和未知恒星的分布示意图； 

图5为高精确度星跟踪方法流程图； 

图6为传统星跟踪识别模式的三轴欧拉角误差曲线； 

图7为高精确度星跟踪方法(即本方案)的三轴欧拉角误差曲线； 

图8为本发明应用于某载体的工作流程框图； 

图9为一种星敏感器高精确度的星跟踪方法原理图。 

(五)具体实施方式

根据星敏感器仿真评价使用的姿态角精度公式： 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ψ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}}{\sqrt{n}}---\left(3\right)$

其中σ_θ、σ_ψ和σ_φ分别是星敏感器在俯仰角、偏航角和滚动角方向的姿态测量误差；n是参与计算的恒星数量；σ_xy是星敏感器像面上所成的像点与焦距的球心焦的测量角度误差；θ_sep为探测恒星的平均分离角度。 

假设星敏感器像元尺寸和图像传感器面阵为正方为a×a，像平面面阵为N×N，那么形，像元尺寸 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{a/M}{f}---\left(5\right)$

其中M为像元尺寸与测量误差的比值，f为星敏感器的焦距。 

$f=\frac{1/2\×(N\×a)}{\mathrm{tg}(\mathrm{FOV}/2)}---\left(6\right)$

代入上式得： 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ψ}}=\frac{2\mathrm{tg}(\mathrm{FOV}/2)}{\sqrt{n}\×M\×N}---\left(7\right)$

由上式可知，姿态角的测量精度随着参与计算恒星的数量、星敏感器图像传感器面阵的增大而提高，随着视场的增加而降低，滚动角的精度还与参与计算恒星的分布状况有关。把星图分为若干个区域，由于飞行器的运动，某些区域已知恒星的数量可能增加，同时某些区域已知恒星数量可能减少。当某时刻某些区域已知恒星的数量为0时，立刻对视场内未知恒星进行识别，从使参与计算姿态的已知恒星分布充满整个星敏感器视场，并在星敏感器视场内尽量均匀分布，如图4。 

本发明采用星跟踪方法的跟踪窗口方式，获得星敏感器视场内所有已知恒星星像坐标；根据这些已知恒星的信息，从星表中搜索出所有视场内所有恒星，包括已知恒星和未知恒星；根据星敏感器视场内恒星的分布，把视场内恒星划分为多个不均匀的子区域，其中恒星密度大的子区域面积小，恒星密度小的子区域面积大，这样尽量满足每个子区域能有一定数量的恒星，并把这种子区域的分布、面积大小对应到相应的星图，把星图划分为数量相同、面积比例相同的子星图，根据获得已知恒星的星像坐标，确认是否存在不包含已知恒星的子星图中；对于不包含已知恒星的子区域，采用从天球坐标系到图像平面坐标系中理想星像质心坐标的公式一和公式二，来计算未知恒星在子星图中的理想星像坐标； 

$x=\frac{\cos \mathrm{\δ}\sin (\mathrm{\α}-A)}{\sin \mathrm{\δ}\sin D+\cos \mathrm{\δ}\cos D\cos (\mathrm{\α}-A)}$

    式一 

$y=\frac{\sin \mathrm{\δ}\cos D-\cos \mathrm{\δ}\sin D\cos (\mathrm{\α}-A)}{\sin \mathrm{\δ}\sin D+\cos \mathrm{\δ}\cos D\cos (\mathrm{\α}-A)}$

x′＝xcosθ-ysinθ 

                                式二 

y′＝xsinθ+ycosθ 

其中： 

(A，D)是理想坐标系中心，即光轴指向，在天球坐标系的指向； 

θ为星敏感器的滚动角； 

这些都可以通过已知恒星信息来计算得到； 

(x′，y′)是计算未知恒星在子星图中的理想星像坐标； 

(α，δ)是未知恒星在天球坐标系中的赤经和赤纬； 

采用星跟踪方法的匹配识别方式验证这些未知恒星的实际星像坐标，即新信息；保存这些新信息以及原有的信息，并利用这些新信息以及原有的已知信息，计算当前星敏感器姿态。 

主要性能指标： 

我们选用某型号卫星星敏感器进行试验。试验方法：将星敏感器放在地球表面，初始时随机对准天球某区域与地球相对静止，并随着地球自转旋转，进行长时间运行。星敏感器全天球识别后自主进入星跟踪模式，对于同一幅星图，星敏感器首先采用传统的星跟踪识别方法，即不考虑星敏感器视场内已知恒星的分布，当视场内恒星数量少于一定时才识别未知恒星，输出三轴姿态测量值，然后采用本方法进行星跟踪模式，并输出三轴姿态测量值，把相应测量值与实际值作差，把这些差值实时保存到上位机，如图6和图7相应离线误差曲线。 

Claims (1)

1.一种星敏感器高精确度的星跟踪方法，其特征在于，方法如下：

(1)采用星跟踪方法的跟踪窗口方式，获得星敏感器视场内所有已知恒星星像坐标；

(2)根据这些已知恒星的信息，从星表中搜索出所有视场内所有恒星，包括已知恒星和未知恒星；

(3)根据星敏感器视场内恒星的分布，把视场内恒星划分为多个不均匀的子区域，其中恒星密度大的子区域面积小，恒星密度小的子区域面积大，这样尽量满足每个子区域能有一定数量的恒星，并把这种子区域的分布、面积大小对应到相应的星图，把星图划分为数量相同、面积比例相同的子星图，根据获得已知恒星的星像坐标，确认是否存在不包含已知恒星的子星图；

(4)对于不包含已知恒星的子星图，采用从天球坐标系到图像平面坐标系中理想星像质心坐标的公式一和公式二，来计算未知恒星在子星图中的理想星像坐标；

$x=\frac{\cos \mathrm{\δ}\sin (\mathrm{\α}-A)}{\sin \mathrm{\δ}\sin D+\cos \mathrm{\δ}\cos D\cos (\mathrm{\α}-A)}$

                                            (1)

$y=\frac{\sin \mathrm{\δ}\cos D-\cos \mathrm{\δ}\sin D\cos (\mathrm{\α}-A)}{\sin \mathrm{\δ}\sin D+\cos \mathrm{\δ}\cos D\cos (\mathrm{\α}-A)}$

x′＝xcosθ-ysinθ

                                            (2)

y′＝xsinθ+ycosθ

其中：

(A，D)是理想坐标系中心，即光轴指向，在天球坐标系的指向；

θ为星敏感器的滚动角；

这些都可以通过已知恒星信息来计算得到；

(x′，y′)是计算未知恒星在子星图中的理想星像坐标；

(α，δ)是未知恒星在天球坐标系中的赤经和赤纬；

(5)采用星跟踪方法的匹配识别方式验证这些未知恒星的实际星像坐标，即新信息；

(6)保存这些新信息以及原有的信息，并利用这些新信息以及原有的已知信息，计算当前星敏感器姿态。

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