CN102155945B - 一种提高ccd星敏感器动态性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高CCD星敏感器动态性能的方法。CCD星敏感器的工作流程如下：模拟量星图数据经放大、A/D转换变成数字量后，存入SRAM中保存，与此同时FPGA读取数字量并进行实时判断星点和提取星像坐标，将得到的星像坐标传给星图识别模块进行星图识别，在这种工作流程中，FPGA对A/D转换以后的数据进行实时判断和质心计算。本发明提高了数据更新率，提取星像坐标，将得到的星像坐标传给星图识别模块进行星图识别。这样星敏感器处理的星像数据是刚曝光完的数据，省去了对SRAM的读写操作，星点提取所用的时间降低，提高了整个星敏感器的工作效率。

Description

一种提高CCD星敏感器动态性能的方法

(一)技术领域

本发明涉及空间技术，具体说就是一种提高CCD星敏感器动态性能的方法。

(二)背景技术

飞行器准确的位置姿态信息是飞行器自主地捕获目标、接收指令、实现轨道机动或将收集到的信息传回地面等的必要基础。目前有很多仪器可以为飞行器提供姿态信息，如陀螺仪、地平仪、磁力计、太阳敏感器、CCD星敏感器等。这是依据不同的参考系制作的相应的传感器，根据传感器所测量出的相对参考系的信息变化，而推测航天器的姿态变化。其中CCD星敏感器因其功耗低、体积小、精度高、自主性强和无姿态积累误差等优点而备受青睐。其工作原理就是：恒星所发出的星光通过光学系统成像在CCD光敏面上，由CCD信号检测线路将星光的光能转换成模拟电信号，模拟信号处理单元对其进行放大、滤波、整形等处理后，模数转换单元对其进行模数转换和数据采集。数据处理单元对数字化后的星图进行处理，星提取软件对星图进行大目标剔除、星点提取、星点坐标计算和星等计算。星识别过程对星图中的星按匹配方法构造匹配模式，与导航星库中的已有模式进行匹配、处理，形成观测星与导航星的唯一匹配星对。利用匹配星对，姿态计算软件通过姿态计算方法确定星敏感器光轴在惯性空间中的指向，最后由此指向及星敏感器与卫星本体的安装角就可以完成卫星三轴瞬时姿态的测量，通过姿态预测算法预测卫星的下一姿态并进行姿态控制。从CCD星敏感器工作过程可知，星像提取是星敏感器识别和姿态计算的。传统模式下，当天空星图以数字量的形式存在于内存后，星提取软件从内存中读取星图信息，提取星图中的星像坐标，星图采集以后，如何从图像传感器输出的原始星图图像中准确快速的提取出用于星图识别的有用信息(恒星的星像坐标)，满足实时性要求，是导航系统正确工作的基础，然而，采用软件来实现星像提取算法，从星图中提取星像坐标，实时性不高。由于现场可编程门阵列(FPGA)是在专用ASIC的基础上发展起来的，它克服了ASIC不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要在于有很强的灵活性，它是由逻辑功能块排列成阵列组成，并通过可编程的内部连线连接这些功能块来实现不同的设计，对电路的维护和修改很方便。星像提取算法实现中包含大量的运算是加、减运算，而且算法控制结构比较简单，适合于用FPGA实现。因此，为了进一步提高数据更新率，目前很多星敏感器采用FPGA来实现星像提取算法，这样在星图数据读出的同时就可以计算目标的质心，为后续的星图匹配工作提供了时间，提高了系统的实时要求。然而不管是采用软件实现提取星像坐标还是采用FPGA实现提取星像坐标，采用传统的CCD星敏感器工作流程，由于曝光、转移、存储以及星像提取、星图识别和姿态计算的顺序，串行进行，所用的总的时间较长，因此很难提高星敏感器数据更新率。由于星敏感器的工作情况正好符合流水工作的条件；其中流水模式是将图像曝光部分、图像存储部分、星像提取时间与星图识别时间和姿态计算部分并行处理的工作逻辑，星敏感器在曝光本帧的图像同时，处理上帧星图，星敏感器整机的数据更新时间为流水结构中最慢的一级所占用的时间，这样进一步提高了数据更新率，但是，由于星敏感器每次处理的都是上帧星图，虽然提高了数据更新率，但是降低了实时性，所以这样也很难满足当前高精度、高动态的需求。随着航天技术的发展，对航天器姿态控制的精度和实时性要求越来越高。所以提高星敏感器的精度和工作频率显得非常的必要。星敏感器的工作精度主要由光学器件精度和数据处理精度决定。数据处理的实时性的提高将很大程度的提高星敏感器的精度。传统方式按照曝光、转移、存储以及星像提取、星图识别和姿态计算的顺序，串行进行，因此降低了数据更新率。流水线模式下处理的是上一帧图像的数据，得到的姿态也就是上一帧时候的姿态数据，造成姿态精度的延时，这在高动态的情况下显得更加明显。虽然有些流水模式采用FPGA来实现提取星像坐标，但是FPGA进行提取星像的时间就是存储器的读取时间。所以如果能够改变星敏感器的工作模式，使得处理的数据为刚曝光的图像数据，也就是A/D转换后的数据，那么在保存一幅星图转移到存储器的同时，提取星像坐标的过程也已经完成，实时性得到了保证。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种提高CCD星敏感器动态性能的方法。

本发明的目的是这样实现的：CCD星敏感器的工作流程如下：模拟量星图数据经放大、A/D转换变成数字量后，存入SRAM中保存，与此同时FPGA读取数字量并进行实时判断星点和提取星像坐标，将得到的星像坐标传给星图识别模块进行星图识别，在这种工作流程中，需要FPGA对A/D转换以后的数据进行实时判断和质心计算，星点质心算法为带阈值的质心算法，基本公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\mathrm{\Σ\Σx}{I}^{\′}(x,y)}{\mathrm{\Σ\Σ}{I}^{\′}(x,y)}\\ y_i=\frac{\mathrm{\Σ\Σy}{I}^{\′}(x,y)}{\mathrm{\Σ\Σ}{I}^{\′}(x,y)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中

I′(x，y)＝I(x，y)-T，当I(x，y)＞T

                                      (2)

I′(x，y)＝0，当I(x，y)≤T

                                      (3)

计算在一个圆形区域中进行

${(x-x_0)}^2-{(y-y_0)}^2\≤R_0^2---\left(4\right)$

式中I(x，y)为信号强度，T为信号强度门限，R₀为像点离散半径，式中(x_i，y_i)为像素的位置，n为星像点所占的像元数；

判断和计算的具体步骤如下：

步骤一：根据CCD信号的输出特点，对A/D后数据进行计数，确定每个数据的坐标值(i，j)；

步骤二：判断(i，j)像素是否有效，若无效，置该像素的标志位为零并进行步骤六，若有效，进行步骤三；

步骤三：判断(i，j-1)像素标志位，若非零进行步骤四，若为零进行步骤五；

步骤四：复制(i，j-1)像素的标志位，并将灰度值和坐标值加到该标志位灰度值和坐标值，判断(i-1，j)像素的标志位如果也非零，则记住该标志位，设其为等效标志位；

步骤五：给(i，j)像素一个新的标志，并将灰度值和坐标值加到该新标志位灰度值和坐标值中，判断(i-1，j)像素的标志位如果也非零，则记住该标志位；

步骤六：若(i，j-1)像素的标志位非零，则(i，j-1)标志位的等效标志位的灰度值和坐标值加到(i，j-1)标志位的相应值上，若(i，j)像素是行末像素，将上一行没有被设为等效标志位的相应的值传给星图识别模块；

由于FPGA可以并行运算完成在一个A/D周期对数据的判断和计算，传给星图识别模块的就是星图中所有星像的质心坐标。

本发明一种提高CCD星敏感器动态性能的方法，不但提高了数据更新率，而且还提高其实时性。提取星像坐标，将得到的星像坐标传给星图识别模块进行星图识别。这样星敏感器处理的星像数据是刚曝光完的数据，实时性较高，随着实时性的提高精度也就提高了。而且提取星像过程主要时间是用在SRAM的读写操作上，现在省去了对SRAM的读写操作，星点提取所用的时间降低，提高了整个星敏感器的工作效率。

(四)附图说明

图1为传统CCD星敏感器工作流程图；

图2为本发明的CCD星敏感器工作流程图；

图3为本发明的CCD星敏感器提取星像坐标过程工作流程图；

图4为星敏感器拍摄星图；

图5为采用传统方法测试的运行时间图；

图6为本发明测试的运行时间图；

图7为采用传统方法测试的随地球自传测试误差曲线；

图8为本发明测试的随地球自传测试误差曲线；

图9为采用传统方法测试的0.6°/s的角速度进行运动测试误差曲线；

图10为本发明测试的0.6°/s的角速度进行运动测试误差曲线；

图11为采用传统方法测试的1.2°/s的角速度进行运动测试误差曲线；

图12为本发明测试的1.2°/s的角速度进行运动测试误差曲线；

图13为本发明的原理图；

图14为本发明的实施方案方框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对问发明作进一步说明。

实施例1，结合图2，本发明提高CCD星敏感器动态性能的方法，CCD星敏感器的工作流程如下：模拟量星图数据经放大、A/D转换变成数字量后，存入SRAM中保存，与此同时FPGA读取数字量并进行实时判断星点和提取星像坐标，将得到的星像坐标传给星图识别模块进行星图识别，在这种工作流程中，需要FPGA对A/D转换以后的数据进行实时判断和质心计算，星点质心算法为带阈值的质心算法，基本公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\mathrm{\Σ\Σx}{I}^{\′}(x,y)}{\mathrm{\Σ\Σ}{I}^{\′}(x,y)}\\ y_i=\frac{\mathrm{\Σ\Σy}{I}^{\′}(x,y)}{\mathrm{\Σ\Σ}{I}^{\′}(x,y)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中

I′(x，y)＝I(x，y)-T，当I(x，y)＞T

                                    (6)

I′(x，y)＝0，当I(x，y)≤T

                                    (7)

计算在一个圆形区域中进行

${(x-x_0)}^2-{(y-y_0)}^2\≤R_0^2---\left(8\right)$

式中I(x，y)为信号强度，T为信号强度门限，R₀为像点离散半径，式中(x_i，y_i)为像素的位置，n为星像点所占的像元数；

判断和计算的具体步骤如下：

步骤一：根据CCD信号的输出特点，对A/D后数据进行计数，确定每个数据的坐标值(i，j)；

步骤二：判断(i，j)像素是否有效，若无效，置该像素的标志位为零并进行步骤六，若有效，进行步骤三；

步骤三：判断(i，j-1)像素标志位，若非零进行步骤四，若为零进行步骤五；

步骤四：复制(i，j-1)像素的标志位，并将灰度值和坐标值加到该标志位灰度值和坐标值，判断(i-1，j)像素的标志位如果也非零，则记住该标志位，设其为等效标志位；

步骤五：给(i，j)像素一个新的标志，并将灰度值和坐标值加到该新标志位灰度值和坐标值中，判断(i-1，j)像素的标志位如果也非零，则记住该标志位；

步骤六：若(i，j-1)像素的标志位非零，则(i，j-1)标志位的等效标志位的灰度值和坐标值加到(i，j-1)标志位的相应值上，若(i，j)像素是行末像素，将上一行没有被设为等效标志位的相应的值传给星图识别模块；

由于FPGA可以并行运算完成在一个A/D周期对数据的判断和计算，传给星图识别模块的就是星图中所有星像的质心坐标。

实施例2，结合图7-图14，本发明的特点和优点：

第一：提高了星敏感器的数据更新率；

第二：提高了星敏感器的实时性；

第三：由于提高了星敏感器数据更新率和实时性，因此也进一步提高了星敏感器的动态性能。

主要性能指标：

选用某型号卫星星敏感器进行试验。星敏感器主要参数如下：

视场：10°×10°

星图面阵：1024×1024

探测星等：6.5等；

星敏感器处理器工作频率：40MHz。

采用传统的星图识别方法和本方案的识别方法，对星敏感器的星像坐标提取精度、数据更新周期、动态性能等主要指标进行了试验。我们选用某型号卫星星敏感器进行试验。

①星像坐标提取精度

试验方法：利用星敏感器对天拍摄一幅星图，把星图传送到上位机，采用传统的星像提取方法提取星图中所有星图，同时把采用本发明星像提取方法提取的星像坐标传送到上位机，两种方法提取的星像坐标以及这些恒星的实际星像坐标如表1。

表1不同方法提取的星像坐标与实际坐标

②数据更新周期的测试

试验方法：星敏感器放在地球表面，随机对准天球某区域并与地球相对静止，首先采用传统方法的测试星敏感器一个周期时间，在星敏感器曝光结束时，立刻把处理器的某个I/O口置成高电平，当星敏感器计算姿态结束时，立刻把该I/O口置为低电平，并用示波器记录该波形，示波器显示脉冲宽度即为采用传统方法的星敏感器更新周期；测试传统方法的更新周期后，星敏感器立刻进入本发明的工作模式，采用同样的方法测试本发明的更新周期。由于星敏感器更新周期短，地球自传角速度小，因此星敏感器连续拍摄的两幅星图内的恒星数量和恒星分布一样，几乎可以认为是同一幅星图，所以采用传统方法处理的星图和采用本发明处理的星图几乎是同一幅，因此可以采用这种方法来比较这两种方法的数据更新周期。

③动态性能的测试

试验方法：试验方法：星敏感器放在地球表面，初始时随机对准天球某区域，分别测试以下三种情况：

a：与地球相对静止，并随着地球自转旋转，进行长时间运动；

b：以0.6°/s的角速度进行运动；

c：以1.2°/s的角速度进行运动；

星敏感器分别工作在传统方法和本发明方法模式，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7、图8为星敏感器与地球相对静止的离线误差曲线，图9、图10为星敏感器0.6°/s的角速度进行运动的离线误差曲线，图11、图12为星敏感器1.2°/s的角速度进行运动的离线误差曲线。

不管星敏感器工作在传统模式还是工作在本发明模式，都是采用质心法开获取星图中的星像坐标，因此这两种模式都能高精度地获取星像坐标，从表1的测试结果可以看出，获取星像坐标的误差不会超过0.1个像元。星敏感器工作在传统模式下，星图变成数字信号后，首先保存到存储器里，然后从存储器里读取星图数据来提取星像坐标，而星敏感器工作在本发明模式下，星图变成数字信号后，立刻扫描星图信息来提取星像坐标，因此避免了读取存储器，消除了读取存储器的时间，从而降低了数据更新周期，从图5、图6可以看出，星敏感器工作在传统模式下个更新周期为611.2毫秒，而工作在本发明模式下的更新周期为149.2毫秒。由于采用本发明方法降低了更新周期，因此，提高了星敏感器的动态性能，图7、图8可以看出，星敏感器随着地球自转旋转运动时，采用传统方法的三轴姿态精度为：偏航角：5.5494″(3σ)，俯仰角：7.7304″(3σ)，滚动角：25.5613″(3σ)，采用本发明的的三轴姿态精度为：偏航角：5.1261″(3σ)，俯仰角：7.1461″(3σ)，滚动角：23.4084″(3σ)，精度几乎相等；从图8、图9和图10、图11可以看出，随着星敏感器角速度增大，采用传统方法的误差幅值明显比采用本发明的幅值大，这是由于姿态延迟造成的，因此星敏感器工作在本发明模式可以提高动态性能低。

星敏感器系统主要包括三部分：光学系统部分、图像传感器电路部分和控制与数据处理电路部分，其中图像传感器部分包括CCD像平面组件、驱动电路、时序信号发生器和视频信号处理器；控制和数据处理电路包括A/D、提取星像模块、存储器、数字信号处理器与接口电路等硬件和星图识别、姿态角计算及坐标转换等软件(如图13)，其中A/D输出后的数字星图信号发送给提取星像坐标和图像存储器两个部分。

如图14是基于提高CCD星敏感器动态性能的实施方案，其中相平面采用CCD，根据选取的CCD，选择配套的CCD驱动芯片，驱动芯片的时序由FPGA里的Verilog语言实现，CCD输出模拟信号后输入到A/D转换芯片，A/D转换为数字信号后逐个像素地输入到FPGA和SRAM，FPGA实施地逐个像素判断星图中的星像，并采用Verilog语言实现星像提取算法，并把提取后的坐标发送给相应存储器，并通知DSP读取星像坐标，SRAM的读写时序由FPGA产生，DSP与控制计算机直接的接口采用RS422，星图识别、姿态计算等算法软件保存到FLASH中，当系统上电后，程序和数据自动地载入到SRAM中。

Claims (1)

1.一种提高CCD星敏感器动态性能的方法，其特征在于：CCD星敏感器的工作流程如下：模拟量星图数据经放大、A/D转换变成数字量后，存入SRAM中保存，与此同时FPGA读取数字量并进行实时判断星点和提取星像坐标，将得到的星像坐标传给星图识别模块进行星图识别，在这种工作流程中，需要FPGA对A/D转换以后的数据进行实时判断和质心计算，星点质心算法为带阈值的质心算法，基本公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\mathrm{\Σ\Σx}{I}^{\′}(x,y)}{{\mathrm{\Σ\ΣI}}^{\′}(x,y)}\\ y_i=\frac{\mathrm{\Σ\Σy}{I}^{\′}(x,y)}{\mathrm{\Σ\Σ}{I}^{\′}(x,y)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中

I′(x，y)＝I(x，y)-T，当I(x，y)＞T

                                                   (2)

I′(x，y)＝0，当I(x，y)≤T

                                                   (3)

计算在一个圆形区域中进行

${(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2\≤R_0^2---\left(4\right)$

式中I(x，y)为信号强度，T为信号强度门限，R₀为像点离散半径，式中(X_i，y_i)为像素的位置；

判断和计算的具体步骤如下：

步骤一：根据CCD信号的输出特点，对A/D后数据进行计数，确定每个数据的坐标值(i，j)；

步骤二：判断(i，j)像素是否有效，若无效，置该像素的标志位为零并进行步骤六，若有效，进行步骤三；

步骤三：判断(i，j-1)像素标志位，若非零进行步骤四，若为零进行步骤五；

步骤四：复制(i，j-1)像素的标志位，并将灰度值和坐标值加到该标志位灰度值和坐标值，判断(i-1，j)像素的标志位如果也非零，则记住该标志位，设其为等效标志位；

步骤五：给(i，j)像素一个新的标志，并将灰度值和坐标值加到该新标志位灰度值和坐标值中，判断(i-1，j)像素的标志位如果也非零，则记住该标志位；

步骤六：若(i，j-1)像素的标志位非零，则(i，j-1)标志位的等效标志位的灰度值和坐标值加到(i，j-1)标志位的相应值上，若(i，j)像素是行末像素，将上一行没有被设为等效标志位的相应的值传给星图识别模块；

由于FPGA可以并行运算完成在一个A/D周期对数据的判断和计算，传给星图识别模块的就是星图中所有星像的质心坐标。

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