CN102564457A - 一种aps星敏感器在轨噪声自主抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种APS星敏感器在轨噪声自主抑制方法，应用在对预报窗口进行像素遍历与星点提取之前，首先对预报窗口外包一圈像素进行IIR自适应滤波处理，计算像素灰度的固定模式噪声修正量，以备后用，接下来确定预报窗口内的像素是否曾经被修正过，若被修正过，则将该像素的修正量写入模版对应位置；若未被修正，则模版对应位置置0，然后将预报窗口内的像素原始灰度与对应修正量作差，得到修正后灰度，再利用修正后的像素灰度进行窗口像素遍历及星点提取。本发明不占用硬件资源，软件实现，无需地面标定，具备实时性和自主性高的优点。

Description

一种APS星敏感器在轨噪声自主抑制方法

技术领域

本发明涉及一种APS星敏感器在轨噪声自主抑制方法，可以在星上实现星敏感器空域噪声的自适应补偿，主要在卫星角速度较小(转换成星敏感器角速度须小于0.039°/s)的情况下使用。

背景技术

APS星敏感器是卫星重要的定姿设备，影响APS星敏感器定姿精度的因素包括图像噪声、识别导航星个数、单星定位精度、质心提取精度等。其中，图像噪声是最底层的影响因素，在某种程度上决定着其他因素的好坏。APS星敏图像噪声包括空域噪声和时域噪声，其中空域噪声包括：固定模式噪声、暗电流不一致性和白噪点等，其中的暗电流不一致性和白噪点可统一为固定模式噪声(FPN)，均与温度和积分时间相关。因此对于长寿命高精度APS星敏感器来讲，须在后端图像处理环节对APS星图噪声进行抑制。

目前APS星敏感器通用校正方法是采取地面进行标定，拟合出坐标转换参数，最大程度地将星图的畸变、像差进行了校正，但随着APS成像芯片在轨性能下降，FPN、DSNU、白噪点等噪声逐渐变得恶劣，将引起星敏在轨定姿精度逐渐下降。现有的在轨标定方法一般通过在轨星图下传，然后进行地面分析处理，将更新后的标定参数通过在轨上传至APS星敏程序区。此方法仅能维持一段时间内APS星敏感器的在轨性能，但随着温度的变化与在轨时间的推移，成像芯片性能进一步下降，参数进一步变差，导致此前更新的标定参数逐渐无法满足测量精度要求。地面标定及在轨参数标定均需较长的时间成本，不具实时性，且在轨下传及注入需要多个分系统配合，操作较为复杂，具有一定风险。为了满足APS星敏感器自主智能性及长寿命高精度的要求，急需一种在轨自主进行星敏感器噪声抑制的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种APS星敏感器在轨噪声自主抑制方法，利用IIR自适应滤波器，实现了APS星敏感器星图噪声的自适应估计，最大程度地抑制并消除APS星敏感器的空域噪声，无需地面标定，具备实时性和自主性的优点。

本发明的技术解决方案是：一种APS星敏感器在轨噪声自主抑制方法，预报窗口大小为N×N像素，其中N＝9，步骤如下：

(1)判断APS星敏感器的角速度ω是否≥0.039°/s，若是，则对当前帧星图直接进行数据处理，不进行噪声抑制；否则，执行步骤(2)；

(2)循环处理M个预报窗口，M为APS星敏感器视场内的预报窗口个数，每个预报窗口的处理过程为：

(a)首先建立一个对应的背景修正模版Bi，该背景修正模版Bi由9×9个数组元素组成，每个数组元素存放对应位置的灰度噪声修正量，背景修正模版Bi中数组元素的初始值为0；

(b)在当前帧星图读取当前预报窗口外包一圈像素的灰度，预报窗口外包一圈像素的个数为40，对每一个像素灰度进行IIR自适应滤波处理得到该像素的灰度噪声修正量并进行存储；

(c)对于当前预报窗口内的像素，若被固定模式噪声修正，则将被修正的像素设置标记为1，并在背景修正模版Bi中的相应位置写入该像素的灰度噪声修正量，否则背景修正模版Bi中数组元素的值为0；

(d)利用当前预报窗口中任意一个像素的原始灰度减去模版中该像素对应的灰度噪声修正量得到当前预报窗口中每个像素修正后的灰度；

(e)遍历M个预报窗口，根据预报窗口内修正后的像素灰度采用灰度重心法计算星点质心，最终实现在轨噪声自主抑制。

所述步骤(1)中APS星敏感器角速度是指：APS星敏感器光轴扫过天区的角速度，即星敏感器X、Y轴角速度的合成矢量。

所述步骤(1)中星敏感器角速度的门限值0.039°/s的计算方法为：在光积分时间为100ms，视场20°×20°，成像芯片面阵为1024×1024的前提下，保证星点质心在一个像素内至少停留5帧，计算公式如下：

$\frac{\mathrm{\ω}*3600}{1000/100}\≤\frac{20/1024}{5}$

得出APS星敏感器的角速度ω≤0.039°/s。

所述步骤(b)中预报窗口外包一圈像素个数40的计算方法为：预报窗口大小为N×N，则外包一圈像素个数为：(N+2)²-N²＝4*N+4，N＝9。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明不占用硬件资源，软件实现，利用IIR自适应滤波器，实现了APS星敏感器星图噪声的自适应估计，最大程度地抑制并消除APS星敏感器的空域噪声，无需地面标定，具备实时性的优点。

(2)本发明在开启自主抑制开关后，星上软件会根据星敏角速度及星敏窗口跟踪模式的工作原理，自主预报窗口位置并实时计算窗口外包一圈像元的FPN修正值，星敏角速度越小，对外包一圈像素的修正迭代次数越多，噪声被抑制得越充分，自主性高。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为APS星敏感器测量坐标系示意图；

图3为本发明预报窗口与对应模版的对照关系图；

图4为9×9像素大小的预报窗口及外包一圈像素；

图5为本发明中IIR自适应滤波器的实现流程图；

图6为本发明星点质心移动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

APS星敏感器是卫星重要的定姿设备，为了提高星敏感器的数据更新率，星敏感器根据全天捕获提供的粗姿态信息，搜索局部天区的导航星，根据姿态矩阵、导航星的惯性矢量及光学系统参数计算视场中导航星在成像芯片上的二维坐标，以此坐标所在像素为中心，开辟9×9像素大小的预报窗口，然后在此预报窗口中进行像素遍历进而提取星点，最终根据星点坐标进行导航星的匹配识别，最终完成姿态计算。

本发明的实现原理是：应用在对预报窗口进行像素遍历与星点提取之前，首先对预报窗口外包一圈像素进行IIR自适应滤波处理，计算像素灰度的固定模式噪声修正量，以备后用。接下来确定预报窗口内的像素是否曾经被修正过，若被修正过，则将该像素的修正量写入模版对应位置；若未被修正，则模版对应位置置0。然后将预报窗口内的像素原始灰度与对应修正量作差，得到修正后灰度，再利用修正后的像素灰度进行窗口像素遍历及星点提取。如图1所示，详细实施方式如下：

(1)首先判断APS星敏感器的角速度是否≥0.039°/s，若是，则对当前帧星图直接进行数据处理，不进行噪声抑制；否则，执行步骤(2)；星敏角速度门限值0.039°/s是指：在光积分时间为100ms，视场20°×20°，成像芯片面阵为1024×1024前提下，保证星点质心在一个像元内至少停留5帧，则计算公式如下：

$\frac{\mathrm{\ω}*3600}{1000/100}\≤\frac{20/1024}{5}$

得出ω≤0.039°/s时，满足要求。

APS星敏感器光轴扫过天区的角速度，即星敏感器X、Y轴角速度的合成矢量，如图2。

(2)循环处理M个预报窗口，M为APS星敏感器视场内的预报窗口个数，每个预报窗口的处理过程为：

(a)首先建立一个对应的背景修正模版Bi，该背景修正模版Bi由9×9个数组元素组成，每个数组元素存放对应位置的灰度噪声修正量，背景修正模版Bi中元素的初始值为0，如图3所示。

(b)在当前帧星图读取当前预报窗口外包一圈像素的灰度，预报窗口外包一圈像素的个数为40，如图4所示，预报窗口外包一圈像元个数40，是指：预报窗口大小为N×N，则外包一圈像元个数为：(N+2)²-N²＝4*N+4，取N＝9，则个数为40，对每一个像素灰度进行IIR自适应滤波处理得到该像素的灰度噪声修正量并进行存储，如图5示意图所示。

(c)对于当前预报窗口内的像素，若被固定模式噪声修正，则将被修正的像素设置标记为1，并在背景修正模版Bi中的相应位置写入该像素的灰度噪声修正量，否则背景修正模版Bi中数组元素的值为0。

(d)利用当前预报窗口中任意一个像素的原始灰度减去模版中该像素对应的灰度噪声修正量得到当前预报窗口中每个像素修正后的灰度。

如图6，最左边的图中质心坐标在(m，n)像素，至少停留5帧后，质心坐标移动到中间图中所述的(m+1，n)像素，至少停留5帧后，质心坐标移动到最右边图中所述的(m+2，n)像素。质心坐标停留在(m，n)像素内时，预报窗口外包一圈的像素将进行迭代计算对应的修正量，当质心坐标移动到(m+1，n)时，中间图中的预报窗口涵盖了最左边中的部分边缘像素，即第m+5列中的部分像素，在中间图中，这部分像素是被修正过的，将对应的修正量写入模版的对应位置，在进行(d)时，运用的灰度噪声修正量即是这里所述的数值。当质心坐标移动到(m+2，n)时，最右边图中预报窗口的第m+5列涵盖了最左边图中的部分边缘像素，同时最右边图中预报窗口的第m+6列涵盖了中间图中的部分边缘像素。这两列像素分别在最左边图中和中间图中被修正过，将对应的修正量写入模版的对应位置。

(e)遍历M个预报窗口，根据预报窗口内修正后的像素灰度采用灰度重心法计算星点质心。

在噪声自主抑制开关开启后，当星点质心像移≤N时(以图6中质心移动为例)，预报窗口中的像元并未完全被修正，故当前帧计算出来的星点质心为部分固定模式噪声修正的结果；当星点质心像移＞N时，预报窗口中的像元已经完全被修正，故当前帧计算出来的星点质心为完全固定模式噪声修正的结果，在此之后，随着星点质心的像移，预报窗口中计算出的质心坐标皆是完全固定模式噪声修正的结果。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种APS星敏感器在轨噪声自主抑制方法，预报窗口大小为N×N像素，其中N＝9，其特征在于步骤如下：

(1)判断APS星敏感器的角速度ω是否≥0.039°/s，若是，则对当前帧星图直接进行数据处理，不进行噪声抑制；否则，执行步骤(2)；

(2)循环处理M个预报窗口，M为APS星敏感器视场内的预报窗口个数，每个预报窗口的处理过程为：

(a)首先建立一个对应的背景修正模版Bi，该背景修正模版Bi由9×9个数组元素组成，每个数组元素存放对应位置的灰度噪声修正量，背景修正模版Bi中数组元素的初始值为0；

(b)在当前帧星图读取当前预报窗口外包一圈像素的灰度，预报窗口外包一圈像素的个数为40，对每一个像素灰度进行IIR自适应滤波处理得到该像素的灰度噪声修正量并进行存储；

(c)对于当前预报窗口内的像素，若被固定模式噪声修正，则将被修正的像素设置标记为1，并在背景修正模版Bi中的相应位置写入该像素的灰度噪声修正量，否则背景修正模版Bi中数组元素的值为0；

(d)利用当前预报窗口中任意一个像素的原始灰度减去模版中该像素对应的灰度噪声修正量得到当前预报窗口中每个像素修正后的灰度；

(e)遍历M个预报窗口，根据预报窗口内修正后的像素灰度采用灰度重心法计算星点质心，最终实现在轨噪声自主抑制。

2.根据权利要求1所述的一种APS星敏感器噪声自主抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)中APS星敏感器角速度是指：APS星敏感器光轴扫过天区的角速度，即星敏感器X、Y轴角速度的合成矢量。

3.根据权利要求1所述的一种APS星敏感器噪声自主抑制方法，其特征在于：所述步骤(1)中星敏感器角速度的门限值0.039°/s的计算方法为：在光积分时间为100ms，视场20°×20°，成像芯片面阵为1024×1024的前提下，保证星点质心在一个像素内至少停留5帧，计算公式如下：

$\frac{\mathrm{\ω}*3600}{1000/100}\≤\frac{20/1024}{5}$

得出APS星敏感器的角速度ω≤0.039°/s。

4.根据权利要求1所述的一种APS星敏感器噪声自主抑制方法，其特征在于：所述步骤(b)中预报窗口外包一圈像素个数40的计算方法为：预报窗口大小为N×N，则外包一圈像素个数为：(N+2)²-N²＝4*N+4，N＝9。

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