CN103323027B - 基于星点重构的星敏感器动态补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于星点重构的星敏感器动态补偿方法，首先以当前帧星图中每个预测的导航星点为中心，开一个N×N的窗口，如果在第i个窗口内提取不出星点，该窗口对应的导航星为S_i；随后在保存的帧序列中，寻找该导航星点S_i对应的窗口序列；并将窗口内每个像素划分成n×n的小网格；再将导航星点S_i在这些窗口内的质心对应位置对齐，然后相应叠加；最后在叠加窗口内开展星点提取。该方法可以将被拉长的星点轨迹重建为均匀星点，即化“线”为“点”，获得高信噪比。本方法可以实现星敏感器1°/s连续跟踪，有利于增强星敏感器的动态跟踪能力,具有国际竞争力。

Description

基于星点重构的星敏感器动态补偿方法

技术领域

本发明属于恒星提取识别技术领域，适用于恒星敏感器动态性能研究。

背景技术

星敏感器是以恒星作为测量目标的光学姿态测量敏感器，能够输出高精度的姿态信息。星敏感器具有自主捕获功能，可以为卫星在空间自主运行提供支持，是实现卫星控制分系统上水平的关键光学姿态测量部件。动态性能是衡量星敏感器性能的关键指标之一。星敏感器在高动态的工况下，受曝光时间影响，会使成像星点呈现出“拖尾”现象，即星点的光通量会散布在较多的像素上，导致星点模糊，信噪比较低，使得星点提取能力降低，无法保证星敏正常识别。目前国际上当星敏的角速度达到0.1°-0.2°/s时，星敏感器的定位精度下降，当星敏的角速度达到1°/s时，星敏感器不能跟踪到星。为此需要开展星敏感器动态补偿方法研究。由于星图背景简单，成像目标弱小，星敏感器动态补偿研究富有挑战性。Lockheed Martin公司研制的AST-201和AST-301卫星上率先实现了动态补偿算法，采用自主式延时积分（TDI）来完成X轴向的图像运动补偿（IMC）以防止精度衰减，既使在2.1°/s速度时，仍适用于自旋航天器。Y轴向使用图像移动调节（IMA）来处理图像拖尾，使合成图像信噪比最大化，这样可以在0.42°/s下做到稳健和精确的跟踪。TDI和IMA均是通过FPGA硬件实现的，这就需要对星敏感器产品的硬件设计进行较大的改动，耗费较长的时间。A.Pasetti等人提出了星点的“动态binning”方法。在该方法中，为了抑制星点扩散，提高信噪比，将星点覆盖的像素叠加到有限个位置。这个算法就需要获得星点在像面上运动的极为准确的角速度，同时由于星点本身并不大，覆盖像素不会超过20个，通过binning的方法，会致使星点过小，不利于星点识别及姿态计算。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种基于星点重构的星敏感器动态补偿方法，该算法简单易行，完全基于软件实现，无需对硬件进行任何改动；同时该算法无需任何外界条件的帮助。

本发明的技术方案是：基于星点重构的星敏感器动态补偿方法，步骤如下：

1）设置一个长度为np帧的星图队列，该星图队列中每个元素记录了这个星图队列中星点的像面坐标及该星点对应的导航星号；所述的星点包括提取星点或预测星点；

2）根据姿态滤波器计算星敏感器当前帧的角速度ω_t；

3）根据步骤2求得的当前帧的角速度ω_t以及前一帧星图的姿态Q_t1，计算当前帧的姿态Q_t；当计算第一帧时，所述前一帧星图的姿态为地面姿态控制系统提供的姿态；

4）根据步骤3获得的当前帧的姿态Q_t，遍历导航星表并寻找获得出现在当前帧星图中的预测星点在像面中的质心坐标；

5）以步骤4获得的每个预测星点在像面中的质心坐标为中心建立一个N×N的窗口，在该N×N窗口内进行星点提取，获得星点的像面坐标；所述N×N窗口的大小大于每个预测星点的大小；若提取的星点个数大于等于3个，本方法结束；若提取的星点个数小于3个，则进入步骤6对N1颗预测星点进行重构；所述的N1颗=（步骤4中获得的当前帧星图中的预测星点个数）—（步骤5中提取的星点个数）；

6）设当前星图为第i帧第j颗导航星NS_j对应的N×N的窗口为w_j，j=1,2,…,N1；分别在第i帧星图前面连续的np帧星图中寻找并获取第j颗导航星NS_j所对应的N×N的窗口，并将每个N×N的窗口划分成N×N个像素点；

7）将步骤6获得的第j颗导航星NS_j对应的m个N×N的窗口内的每个像素划分成n×n的小网格，将前面np帧星图的m个N×N的窗口分别平移，直至每幅星图内星点质心所在的小网格均与当前帧第j颗导航星的质心重合，之后将m个N×N的窗口内的对应位置叠加，并以每幅星图内星点质心所在的小网格为中心建立N×N的窗口作为叠加窗口，在此叠加窗口内进行星点提取；

8）将np帧星图队列的第一帧信息删除，同时将当前帧星图的星点的像面坐标及该星点对应的导航星号保存并作为np帧星图队列的最后一个元素；所述的星点包括提取星点或预测星点。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明基于星点重构的星敏感器动态补偿方法继承了TDI和IMA的指导思想，即划线为点，提高信噪比，但是该算法是在硬件上实现，模式比较固定，局限性较多，本发明完全在应用软件上实现，参数可适当调整，而且对所有工况下工作的星敏均适用。本发明还克服了“binning”方法使星点缩小的不足，以导航星点质心在窗口内的位置为基准，将对应位置叠加，这样并不会造成星点缩小。

附图说明

图1为窗口叠加重构方法示意图；

图2为窗口叠加重构方法流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于星点重构的星敏感器动态补偿方法。该方法的原理如下：

（1）假设在处理过程中，共保存np帧星图，记录了这些星图中提取星点的像面坐标（若未提取，则记录预测星点的坐标）、星点对应的导航星号。

（2）根据姿态滤波器计算星敏感器当前帧的角速度ω_t，假设姿态滤波器系数分别为a_i和b_i，n阶数字滤波器的输入与输出分别为ω_after,i与ω_before,i，其中i=1,2,…n,则

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{after}}}_{x,n}=-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(a_i\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{after}}}_{x,10-i})+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(b_i\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{before}}}_{x,10-i})\\ {{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{after}}}_{y,n}=-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(a_i\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{after}}}_{y,10-i})+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(b_i\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{before}}}_{y,10-i})\\ {{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{after}}}_{z,n}=-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(a_i\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{after}}}_{z,10-i})+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(b_i\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{before}}}_{z,10-i})\end{array}\right.---\left(1\right)$

当前帧的角速度ω_t=ω_after。

（3）根据当前帧的角速度ω_t及前一帧的姿态Q_t1（当计算第一帧时，所述前一帧星图的姿态为地面姿态控制系统提供的姿态），计算当前帧的姿态Q_t；假设当前时刻为t，前一时刻为t₁，则中心时刻旋转矢量[p₁,p₂,p₃]=ω_t×(t-t₁)/2，从t₁到t时刻星敏感器的旋转角度为φ=||ω||×(t-t₁),则旋转矢量d₄=sin(φ/2)， $[d_1,d_2,d_3]=\frac{\sqrt{1-d_4^2}}{\mathrm{mod}}[p_1,p_2,p_3],$ 星敏感器在t时刻的姿态 $Q_t=\left[\begin{array}{cccc}{d}_4& d_3& {-d}_2& d_1\\ {-d}_3& d_4& d_1& d_2\\ d_2& {-d}_1& d_4& d_3\\ {-d}_1& {-d}_2& {-d}_3& d_4\end{array}\right]\×Q_{t1}.$

（4）根据当前帧的姿态Q_t，预测当前帧可能出现的星点，假设预测星点为pStars_t，并进行星点提取，记提取星点为oStars_t；

（5）如果提取星点个数osnum≥3，，则本方法结束，之后对提取的星点像面坐标进行星点识别；如果提取星点个数osnum<3，则对N1颗预测星点进行重构；所述的N1颗=（步骤4中获得的当前帧星图中的预测星点个数）—（步骤5中提取的星点个数）。

51）假设第i帧第j颗导航星NS_j对应的窗口为w_j，j=1,2,…,N1；

52）分别在第i帧前面的np帧中查找第j颗导航星NS_j对应的窗口w_k；

53）将第j颗导航星NS_j对应的m个窗口w_m进行窗口配准，为了提高精度，开展亚像素级的像素配准，即把窗口内的每个像素划分成n×n的小网格，首先将星点质心所在的小网格对齐，叠加，然后再把其余位置对应叠加，以此得到叠加窗口。为了计算的简便性，每个网格等分该像素的灰度，也可采用其他的划分原则。任意两个窗口中每个像素的配准过程如图1所示。图（A）在图（B）之前，现要重构图（B）的星点。首先以各自的星点质心坐标为中心开一个N×N的窗口，将窗口内每个像素划分成3X3个小网格，其中在（A）中，像素质心位于左上格，在（B）中，像素质心位于中心格，为此需要将(A)中的每个小网格整体向左下偏移一个小网格，已将星点质心对齐，像素配准后产生（C）图，即（A）、（B）质心重合。之后需要将叠加窗口重新合并映射到像素级，得到叠加重构窗口。在该叠加重构窗口上开展星点提取。该模块的流程图如图2所示。

（6）将np帧星图队列的第一帧信息删除，同时将当前帧星图的星点的像面坐标及该星点对应的导航星号保存并作为np帧星图队列的最后一个元素；所述的星点包括提取星点或预测星点。

通过星点重构，提高信噪比，提取更多的星点，以便更多的星点参与姿态计算，提高姿态计算的精度。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.基于星点重构的星敏感器动态补偿方法，其特征在于步骤如下：

1)设置一个长度为np帧的星图队列，该星图队列中每个元素记录了这个星图队列中星点的像面坐标及该星点对应的导航星号；所述的星点包括提取星点或预测星点；

2)根据姿态滤波器计算星敏感器当前帧的角速度ω_t；

3)根据步骤2求得的当前帧的角速度ω_t以及前一帧星图的姿态Q_t1，计算当前帧的姿态Q_t；当计算第一帧时，所述前一帧星图的姿态为地面姿态控制系统提供的姿态；

4)根据步骤3获得的当前帧的姿态Q_t，遍历导航星表并寻找获得出现在当前帧星图中的预测星点在像面中的质心坐标；

5)以步骤4获得的每个预测星点在像面中的质心坐标为中心建立一个N×N的窗口，在该N×N窗口内进行星点提取，获得星点的像面坐标；所述N×N窗口的大小大于每个预测星点的大小；若提取的星点个数大于等于3个，本方法结束；若提取的星点个数小于3个，则进入步骤6对N1颗预测星点进行重构；所述的N1颗＝(步骤4中获得的当前帧星图中的预测星点个数)—(步骤5中提取的星点个数)；

6)设当前星图为第i帧第j颗导航星NS_j对应的N×N的窗口为w_j，j＝1,2,…,N1；分别在第i帧星图前面连续的np帧星图中寻找并获取第j颗导航星NS_j所对应的N×N的窗口，并将每个N×N的窗口划分成N×N个像素点；

7)将步骤6获得的第j颗导航星NS_j对应的m个N×N的窗口内的每个像素划分成n×n的小网格，将前面np帧星图的m个N×N的窗口分别平移，直至每幅星图内星点质心所在的小网格均与当前帧第j颗导航星的质心重合，之后将m个N×N的窗口内的对应位置叠加，并以每幅星图内星点质心所在的小网格为中心建立N×N的窗口作为叠加窗口，在此叠加窗口内进行星点提取；

8)将np帧星图队列的第一帧信息删除，同时将当前帧星图的星点的像面坐标及该星点对应的导航星号保存并作为np帧星图队列的最后一个元素。