CN102721400B - 静态红外地球敏感器高精度姿态检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态红外地球敏感器高精度姿态检测方法，它用于对运行在中、高轨轨道的空间飞行器做姿态检测。当空间飞行器运行于中、高轨轨道高度上时，地平圆在焦平面中成像大小变化较大。本发明基于该特点，设计合适的图像网格线扫描方案，读取红外面阵图像8行8列数据，并设计相应的高精度姿态检测方法，获得地平圆圆心位置，输出姿态角，详细的姿态检测流程如图1所示。本发明解决了传统静态红外地球敏感器面阵图像数据量大与存储容量有限的矛盾，具有数据存储量小、测姿精度高、数据更新率高等特点。

Description

静态红外地球敏感器高精度姿态检测的方法

技术领域

本发明涉及空间飞行器用红外地球敏感器。具体指一种静态红外地球敏感器高精度姿态检测的方法，它用于对运行在中、高轨轨道上的空间飞行器做姿态检测。

背景技术

红外地球敏感器，是基于对姿态参考源地球红外辐射敏感原理，在轨实现空间飞行器对于局地垂线滚动、俯仰姿态信息检测的飞行器姿态光学敏感器。红外地球敏感器主要由光学探测部分与信息处理部分构成，有些还包括机械扫描部件。可以按照是否含有机械扫描部件将红外地球敏感器分成扫描式和静态两类。

扫描式红外地球敏感器利用运动机械部件带动一个或少量几个探测元的瞬时视场扫过地平圆,从而将地球/太空边界空间分布的辐射图像变换为时间分布的近似方波,通过电子学手段检测地球的宽度或相位计算出地平圆的位置,从而确定两轴姿态。扫描式红外地球敏感器包括圆锥扫描式和摆动扫描式两种方式。

静态红外地球敏感器的工作方式更加类似于人眼,采用面阵焦平面探测器阵列,将多个探测元放在光学系统的焦平面上,通过探测对投影在焦平面上的地球红外图像的响应计算地球的方位。静态地球敏感器与扫描式地球敏感器相比具有精度高、体积小、质量轻、功耗低、寿命长等优点。

静态地球敏感器包括线阵和面阵两种。线阵地球敏感器用4个探测器元件卡在圆的4个点上,通过判断4个点的中心位置来判断地平圆的中心位置。面阵地球敏感器则要对整个地平圆成像,它通过计算地平圆在整个成像面所成像的中心位置来判断地平圆的中心。

从20世纪60年代起，各国卫星采用了以热敏感电阻作为探测器的机械扫描式红外地球敏感器，并取得了许多宝贵的经验，随着卫星技术发展，对于姿态敏感器要求越来越高，尤其是在敏感器的低功耗、小体积、长寿命、高可靠性及高精度等方面的需求更为迫切。

在欧洲、法国和意大利等国的红外地球敏感器研究处于国际领先地位，其中法国的Sodern公司是星敏感器和红外地球敏感器的知名生产商，目前己研制出各种类型的地球敏感器。经过多年的空间飞行应用和发展，其研制技术相当成熟。

中科院上海技术物理研究所与中国航天科技集团502所对红外地球敏感器的研制技术也相对比较成熟，已研制出圆锥扫描式、静态线阵、静态面阵等多种类型的红外地球敏感器，并成功应用于在轨空间飞行器上。目前我国圆锥扫描式红外地球敏感器的精度优于0.01°，面阵列静态地球敏感器的精度可达到0.05°～0.07°，线阵列红外静态地球敏感器的精度约为0.5°～0.7°，能满足特定的姿态控制系统的姿态检测需求。

总的来说，静态红外地球敏感器由于采用凝视型成像,不需要扫描机械的运动,在质量、功耗、精度以及使用寿命等方面都比扫描式红外地球敏感器存在优势,尤其是面阵地球敏感器,其精度要比线阵地球敏感器更高。静态红外地球敏感器虽然起步相对较晚，但其发展空间仍十分巨大。

静态红外地球敏感器的工作原理如图1所示，地球敏感器工作在中、高轨轨道，采用面阵红外非制冷探测器，对地球长波红外辐射成像。由于地球的平均温度为247K，而太空的平均温度为4K，所以红外地球敏感器看到的地球图像为深冷的太空背景下一个“灼热”大圆盘。红外面阵探测器接收到辐射能量并转换为电信号，在外围电路的控制下，红外面阵探测器把各像元的电压信号串行输出，从而获得地球辐射的能量图像。红外地球敏感器后端的图像信息处理系统对前端电子学系统获得的红外地平圆图像进行处理，设计姿态检测算法获得地平圆的圆心，并通过光路几何关系计算出地球敏感器相对于地球的俯仰、滚动姿态角。

以图像尺寸为480×480的红外面阵探测器为例，若将整幅面阵图像存储供读取，且每像素14bit，则需要450K字节的存储空间。空间应用环境中的平台存储资源配置显然不能满足如此巨大的存储空间需求。因此，需要在保证红外地球敏感器姿态检测精度及测角范围的前提下，设计一种合适的图像读取方法及相应的姿态检测方法，既减少存储的图像数据量，又能保证地球敏感器姿态检测精度与可靠性。

发明内容

本发明的目的是在不降低空间飞行器姿态角检测精度的前提下，利用前端电子学系统获得的面阵探测器图像数据，采用一种兼顾平台资源配置与系统姿态检测精度需求的图像网格线读取方案。在此基础上，提供一种相应的红外地球敏感器姿态检测方法，解决平台资源配置与图像数据存储量相互制约的问题，提高姿态检测精度、数据更新率等性能。

1、面阵图像网格线扫描方案原理：

鉴于本发明涉及的红外面阵探测器输出图像尺寸为480×480，每像素14bit，若存储整幅图像供读取，则需要450K字节的存储空间。空间应用系统的存储资源配置显然不能满足如此巨大的存储空间需求。为解决这种矛盾，本发明提供了一种图像网格线扫描读取方案，仅读取面阵图像的8行8列数据，输入至姿态检测信息处理平台，有效减小了数据存储量。

如图2所示读取8行8列图像数据，即每隔480/9约53行、53列读取一行、一列图像数据，则只需15K字节的存储容量，大幅度降低了对平台资源配置的需求。本发明涉及的光学系统视场为±25°。因此在中、高轨轨道高度上，地平圆在焦平面中成像示意图分别如图3(a)、3(b)所示。在中、高轨轨道高度上，当飞行器俯仰、滚动两轴姿态角达到±25°最大偏差时（如图4所示），本发明提供的图像网格线扫描方案仍能确保地平圆边界与扫描线有足够数目的相交点，保证了后续姿态检测方法的精确性与可靠性。

2、红外地球敏感器姿态检测方法

基于本发明公开的图像网格线扫描读取方案，本发明提供了一种红外地球敏感器高精度姿态检测方法，对经过预处理的8行8列地平圆图像进行检测，检测流程如图5所示，主要包括地平圆边界点粗略扫描、三点法定地平圆圆心、地平圆边界点网格线扫描、地平圆边界点精确定位、地平圆圆心精确定位、姿态解算等环节。

2.1地平圆边界点粗略扫描

地平圆边界点粗略扫描是为了以较少的运算量快速获得对当前地平圆圆心位置的粗略估计，为地平圆圆心相对视场中心的偏离程度作判断。

如图4所示，在中、高轨轨道上，若地平圆的两轴姿态角偏离角度达到最大±25°，水平或纵向的扫描线至少都有2条线穿越地平圆。在这种情况下，进行地平圆边界点粗略扫描时，采用如图6所示的8行8列二选一抽样选取扫描线的方案，得到一组行扫描线的边界点、列扫描线的边界点，根据边界点粗略计算地平圆圆心。

地平圆边界点判断依据：

a、对预处理后地平圆图像的8行8列数据作二选一抽样选取，即仅选取4行4列数据，对选取的每一行、列数据分别做水平、纵向扫描(只扫描视场内的像元)。

b、扫描过程中出现如下情况之一：

ⅰ、连续4个点灰度值≤Vt&&连续四个点灰度值≥Vt

ⅱ、连续4个点灰度值≥Vt&&连续四个点灰度值≤Vt

认为此时正好处于地平圆边缘位置，出现了一个边界点。Vt为边界点判断的门限阈值。

若出现情形ⅰ，为地平圆扫入点；若出现情形ⅱ，为地平圆扫出点。

地平圆边界点判断依据一定程度上剔除了噪声、坏元对边界点检测的影响，保证了边界点选取的可靠性。

2.2三点法定地平圆圆心

根据2.1节地平圆边界点粗略扫描输出的一组地平圆边界点，选取其中合适的三个点A₁(x₁,y₁)、A₂(x₂,y₂)、A₃(x₃,y₃)，采用三点法定圆心法，计算地平圆圆心坐标（R_x，R_y），原理如图7所示。

三点法定圆心的公式如下：

$\mathrm{Rx}=\frac{(y_1-y_2)(x_3-x_2)(x_3+x_2)-(y_3-y_2)(x_1-x_2)(x_1+x_2)+(y_3-y_1)(y_3-y_2)(y_1-y_2)}{2[(y_1-y_2)(x_3-x_2)-(y_3-y_2)(x_1-x_2)]}$

$\mathrm{By}=\frac{(x_1-x_2)(y_3-y_2)(y_3+y_2)-(x_3-x_2)(y_1-y_2)(y_1+y_2)+(x_3-x_1)(x_3-x_2)(x_1-x_2)}{2[(x_1-x_2)(y_3-y_2)-(x_3-x_2)(y_1-y_2)]}---\left(1\right)$

根据输出的地平圆圆心，计算地平圆圆心与视场中心的距离，可以判断出当前地平圆圆心偏离视场中心的情况：若超出了±25°，则输出一个默认角度0xff；若在姿态角精确测量范围之内，则后续需要进一步做姿态角亚像元检测算法。

2.3地平圆边界点网格线扫描

扫描8行8列图像数据，根据2.1节所述地平圆边界点判断依据，得到一组行扫描线的扫入边界点与扫出边界点、列扫描线的扫入边界点与扫出边界点。

2.4地平圆边界点精确定位

基于8行8列的网格线扫描方案，红外地球敏感器的理论测角精度为50°/480，即0.104°，无法满足0.07°的测角精度需求。因此当两轴姿态角偏差进入精确测角范围内时，算法必须对地平圆圆心进行亚像元精确定位。

本发明采用拉格朗日二次多项式插值的亚像元边缘定位方法，在2.3节输出的每个边界点像元左右两边各取1个采样点数，得到3个边缘采样点，对每个边缘采样点做3细分，实现0.104°/3即0.035°的边缘点定位精度，以达到姿态角检测精度目标。拉格朗日多项式插值公式如下：

P₂(x)＝g₀l₀(x)+g₁l₁(x)+g₂l₂(x)

$l_0\left(x\right)=\frac{(x-x_1)(x-x_2)}{(x_0-x_1)(x_0-x_2)}$ $l_1\left(x\right)=\frac{(x-x_0)(x-x_2)}{(x_1-x_0)(x_1-x_2)}$ $l_2\left(x\right)=\frac{(x-x_0)(x-x_1)}{(x_2-x_0)(x_2-x_1)}---\left(2\right)$

其中，g0=P2(x0)，g1=P2(x1)，g2=P2(x2)是插值节点，x是亚像元点的坐标。

多项式插值亚像元边缘检测流程：

ⅰ、输入2.3节网格线扫描得到的每个边界点Qi(xi,yi,gi)(i=1、2、3...32)，共8×4即32个边界点，xi、yi、gi分别为该边界点的行坐标、列坐标、灰度值；

ⅱ、对其中一个边界点Qi(假定该点是行扫描产生的边界点)，取边界点前后共三个像素点，对每个点分别求梯度值，作为插值函数的节点，记为t0、t1、t2，如图7所示；

ⅲ、每两个插值节点之间做3细分，共得到7个点，记为Hj(j=1、2、3...7)，如图8所示；

ⅳ、对每个Hj，分别代入二次多项式插值函数式(2)，计算多项式插值估计值Pj(j=1、2、3...7)，即为亚像元梯度值；

ⅴ、Pj(j=1、2、3...7)中梯度最大的点即为边缘亚像元位置。

2.5地平圆圆心精确定位

由2.4节地平圆边缘精确定位算法得到一组地平圆边缘点亚像元坐标，从中选取三组边界点，每一组分别选取三个合适的边界点。分别对每组的三个边界点根据式1三点法求圆心的原理,计算得到三个地平圆圆心(x_ei，y_ei)(i＝1,2,3)，最后对三个圆心取平均，作为最终的地平圆圆心(x_e,y_e)。

$x_e=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ei}}/3$ （3）

$y_e=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ei}}/3$

2.6姿态解算原理

根据地平圆圆心定位算法得到的圆心坐标，姿态偏差角计算方式如式4所示：

θ_p＝(x_e-x₀)×δ

                                                    （4）

θ_r＝(y_e-y₀)×δ

式中，θ_p、θ_r为姿态偏差角，(x_e,y_e)为地平圆圆心，(x₀,y₀)为面阵图像中心坐标，δ为探测器每像元的角分辨率。

本发明的优点：

（1）、本发明所提供的图像网格线扫描方法解决了平台存储资源少与面阵图像所需存储容量大这一对相互制约的矛盾，减少了算法处理的数据量，数据更新率优于3Hz，有效提高了姿态检测算法的数据更新率。

（2）、本发明提供的姿态检测方法保证了红外地球敏感器±25°宽视场姿态检测范围，可以应用于中、高轨轨道上空间飞行器的姿态检测。

（3）、本发明提供的姿态检测方法对运行于中、高轨轨道上的空间飞行器做精确姿态检测的范围分别为±13°、±15°。

（4）、本发明提供的拉格朗日多项式插值方法实现了地平圆边界亚像元定位，姿态检测精度优于0.07°。

（5）、红外静态地球敏感器没有光机扫描机构，从而可靠性提高，能实现长寿命，低功耗，同时减小了地球敏感器系统的体积和质量。

附图说明：

图1为静态面阵红外地球敏感器工作原理图。

图2为面阵图像8行8列网格线扫描方案原理图。

图3(a)、(b)分别为中、高轨轨道高度上地平圆在红外焦平面中成像示意图。

图4分别为中、高轨轨道高度上，当空间飞行器的两轴姿态角达到最大偏差角25°时，地平圆在面阵图像中成像示意图。

图5为红外地球敏感器高精度姿态检测方法流程图。

图6分别为中、高轨轨道高度上，地平圆边界点粗略扫描数据读取方案，粗实线代表抽样选取的扫描线。

图7为三点法定圆心原理图。

图8为地平圆边界点附近插值函数节点选取示意图。

图9为地平圆边缘拉格朗日多项式插值亚像元定位方法。

具体实施方式：

本发明所述方法在红外地球敏感器信息处理平台上做了验证，通过中、高轨轨道高度地平圆成像的二值化图像模拟，以评估本发明提供的姿态检测方法的测角范围、精确测角精度。

在红外地球敏感器信息处理平台中，设置红外地球敏感器的工作轨道高度，向信息处理平台输入一组俯仰、滚动测试姿态角。信息处理平台将俯仰、滚动测试姿态角反演为地平圆圆心坐标，并根据当前红外地球敏感器的工作轨道高度，生成一张相应的二值化地平圆图像。

红外地球敏感器信息处理平台读取上述二值化地平圆图像的8行8列数据，8行8列选取依据如下：

以480×480尺寸的图像为例，每隔53（480/9≈53）行、53列读取一行、一列数据，即读取的行、列数据位置为（52、106、159、212、265、318、371、424）。8行8列数据送入红外地球敏感器姿态检测方法模块，检测方法流程如图5所示，进行姿态检测。

算法中地平圆边界点粗略扫描时的门限阈值Vt取预处理后该行或该列地平圆图像最大灰度值的50%，当地平圆边界点粗略扫描时检测到连续四个像元的灰度值大于Vt，并且连续四个像元的灰度值小于Vt（或者连续四个像元的灰度值小于Vt，并且连续的四个像元的灰度值大于Vt）时，即认为该处出现了一个地平圆边界点。

信息处理平台完成姿态检测，通过数据接口对外部输出俯仰、滚动姿态角。

Claims (1)

1.一种静态红外地球敏感器高精度姿态检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）获取一帧480×480面阵图像，每隔53行、53列选取图像中的一行与一列，获得一8行8列的图像数据；

2）对读取的8行8列图像数据做抽样选取，按照一定的边界点判断依据对某一行或列数据上连续多个点的灰度做判断，以检测地平圆边界点，边界点判断依据如下：

扫描过程中出现如下情况之一：

ⅰ、连续4个点灰度值≤Vt并且连续四个点灰度值≥Vt；

ⅱ、连续4个点灰度值≥Vt并且连续四个点灰度值≤Vt；

认为此时正好处于地平圆边缘位置，出现了一个边界点，Vt为边界点判断的门限阈值；

3）由步骤2）地平圆边界点粗略扫描得到一组地平圆边界点，从中选取合适的3个边界点，根据三点法求圆心的原理，计算地平圆圆心；

4）对图像数据做精确扫描，根据步骤2）所述的边界点判断依据，获得8行8列图像的地平圆边界点；

5）对步骤4）中得到的一组边界点采用拉格朗日二次多项式插值的方法，实现边界点的亚像元定位；

6）对步骤5）中得到的一组亚像元地平圆边界点，从中选取三组边界点，每一组分别选取三个合适的边界点，分别对每组的三个点根据步骤3）三点法求圆心的原理,计算得到一个地平圆圆心，最后对三个圆心取平均，作为最终的地平圆圆心；

7）由步骤6）计算得到的地平圆圆心，根据下式解算出当前的空间飞行器姿态角：

θ_p＝(x_e-x₀)×δ

θ_r＝(y_e-y₀)×δ

式中，θ_p、θ_r分别指空间飞行器的姿态偏差角，(x_e,y_e)为地平圆圆心，(x₀,y₀)为面阵图像的中心坐标，δ为探测器每像元的角分辨率。

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