CN103487058B - 一种提高aps星敏感器动态性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高APS星敏感器动态性能的方法，本发明步骤：(1)根据星光的光电转换传递路径，建立星敏感器基于恒星能量、通光孔径、量子效率、运动角速度、信噪比等参数的动态性能分析模型，分析确定积分时间、灵敏度、视场中恒星探测概率等动态性能参数；(2)根据运动角速度、视场、图像探测器分辨率、星点扩散函数等因素确定APS积分时间；(3)图像探测器的卷帘式快门在大运动角速度情况下，对星图恒星对角距有较大影响，针对APS特有的卷帘式快门积分方式，设计星点位置补偿修正方法；(4)设计星敏感器双帧星图处理模式，根据两帧星图星点位置，在更高角速度情况下，对航天器角速度进行估计。本发明提高了APS星敏感器动态性能。

Description

一种提高APS星敏感器动态性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高APS(有源像元敏感器)星敏感器动态性能设计方法，适用于空间飞行器用恒星敏感器领域。

背景技术

随着空间技术的发展，航天器的指向精度也有了越来越高的要求，姿态测量敏感器是卫星高精度和高稳定度的重要保证。星敏感器是卫星控制系统中的重要姿态测量敏感器之一，应用范围广泛。它以天空中的恒星作为观测基准，是现阶段精度最高的姿态测量敏感器，其姿态的测量精度可达角秒级甚至更高。

星敏感器中，APS星敏感器是未来星敏感器的发展趋势。星敏感器动态性能指其在动态条件下捕获姿态的能力，即在某一正确识别率时，星敏感器能正常工作对应的飞行器最大角速度，动态性能是衡量星敏感器性能中的一项关键指标，星敏感器具有高动态性能可直接提升航天器的机动性和适应性，更好的满足复杂空间环境下卫星姿态控制的需求。

目前星敏感器存在动态性能较低的问题，大约为0.6°/s～1.0°/s，星敏感器动态性能与视场、积分时间、光学系统通光孔径及星点扩散函数、探测器量子效率、星图信噪比、星点提取定位算法及星图匹配算法软件等因素密切相关。目前有很多对星敏感器的研究，目前已经有的成果：

李晓，赵宏，卢欣.动态情况下星敏感器探测灵敏度研究[J].空间控制技术与应用.2010；(01)：37-41.

郭贺，邓年茂，罗长洲.动态因素对星敏感器测星影响的分析[J].航天控制.2008；(06)：38-41+6.

沈本剑，谭吉春，杨建坤，廖家莉.星敏感器曝光时间的优化[J].光电工程.2009；(12)：22-6

龚德铸，武延鹏，卢欣.一种提高星敏感器动态性能的方法[J].空间控制技术与应用.2009；(06)：19-23.

李葆华，陈希军，郑循江，泮宏梁.星敏感器高动态下自主星跟踪算法[J].红外与激光工程.2012；(01)：190-5.

金雁，江洁，张广军.高动态星体目标提取方法[J].红外与激光工程，2011，40(11)

蒋明，喻明艳，王进祥等.适用于高机动性星敏感器的星像坐标提取方法[J].微电子学与计算机，2009，26(7)

但是以上的星敏感器动态性能研究成果都无法达到令人满意的程度，均没有建立APS星敏感器动态性能分析模型、没有系统性对提高APS星敏感器动态性能和不同角速度下最佳积分时间进行分析从而提高APS星敏感器动态性能，因此需要研究一种全面有效地提高APS星敏感器动态性能的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种提高APS星敏感器动态性能的方法，实现了APS星敏感器动态性能分析模型的建立、并在此模型的基础上有效地分析提高APS星敏感器动态性能的因素及方法。

本发明的技术解决方案是：

一种提高APS星敏感器动态性能的方法，步骤如下：

建立星敏感器动态性能分析模型，并在此模型下根据不同角速度下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场中恒星探测概率确定星敏感器动态性能范围；根据星敏感器动态性能分析模型及动态性能范围确定的以下任意一种方法或者任意方法的组合均能提高APS星敏感器动态性能：

(1)根据角速度确定APS星敏感器的最佳积分时间，最佳积分时间确定方法如下：

采用散焦的方法使恒星星像在相邻的像元上形成一个弥散斑，利用式(1)计算得到APS星敏感器的最佳积分时间：

$T_M=\frac{2\mathrm{\θ}}{N_{\mathrm{APS}}\×\mathrm{AR}}---\left(1\right)$

其中，θ为APS星敏感器视场；N_APS为图像探测器行列方向的像元分辨率，设定APS行列方向分辨率相同；AR为星敏感器光轴方向角速度；

(2)对APS星敏感器星点位置坐标进行补偿修正，在星图识别之前，根据星敏感器角速度将提取的星图星点位置相对于每帧曝光时间中心时刻位置进行修正，根据修正后的星点位置进行星图识别和姿态确定；

(3)对APS星敏感器双帧星图进行处理，通过降低两帧星图之间的时间间隔和星点位置偏移，然后根据两帧星图星点位置对星敏感器角速度进行估算完成双帧星图处理。

所述的动态性能分析模型建立方法为：根据恒星星光的光电转换传递路径、恒星星等能量、光谱、光学系统通光孔径、透过率、探测器光谱响应曲线、量子效率、星点扩散函数、角速度、探测器读出噪声及暗电流、信噪比建立动态性能分析模型：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pixel}}^2-k^2\×{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pixel}}-k^2\×(n_{\mathrm{dark}}+n_{\mathrm{dsnu}}+n_{\mathrm{read}})=0---\left(2\right)$

其中，ε_pixel为Mv星等的恒星星光在动态条件下，即时，通过光学系统到达探测器像面，在每个像元上产生的光生电子数：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pixel}}=\frac{H_{\mathrm{Mv}}\×\mathrm{\η}\×\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}}{l\×l}\×\mathrm{QE}\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{hc}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{AR}\×N_{\mathrm{APS}}}---\left(3\right)$

其中，k为星图星点提取的临界信噪比；n_dark为像素在一帧图像积分时间内的暗电流噪声、n_dsnu为APS星敏感器的暗电流不一致性噪声、n_read为读出噪声；H_Mv为动态条件下星等为Mv的恒星在地面的功率密度；D为光学系统的通光孔径；η为光学系统的透过率；T_M为APS图像传感器的积分时间；λ为恒星波长；QE为APS图像传感器的量子效率和填充因子乘积；h为普朗克常数；c为光速；l×l为星点扩散像素面积；

n_dsnu和n_read可由APS手册查询，n_dark的计算过程为：

$n_{\mathrm{dark}}=\frac{I_{\mathrm{dark}}\×T_M\×N_{\mathrm{pixel}}^2\×{10}^{-18}}{C}---\left(4\right)$

其中，I_dark为APS星敏感器暗电流，单位为PA/mm²；C为单个电子的电量N_pixel为星敏感器中图像探测器像元阵列大小；

ε_Mv0为星等Mv=0时的恒星星光在动态条件下，通过光学系统到达探测器像面，在每个像元上产生的光生电子数：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Mv}0}=\frac{H_{\mathrm{Mv}0}\×\mathrm{\η}\×\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}}{1\×1}\×\mathrm{QE}\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{hc}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{AR}\×N_{\mathrm{APS}}}---\left(5\right)$

其中，H_Mv0为恒星MvO在地面的功率密度。

所述不同角速度下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场内恒星探测概率的确定方法：

(1)不同角速度下的探测灵敏度

由公式(3)计算出不同角速度下Mv星等恒星在地面的功率密度H_Mv，进而由式(6)计算出不同角速度下的探测灵敏度，即为不同角速度下的可探测的最暗恒星星等Mv：

$M_V=2.51\×\log \left(\frac{H_{\mathrm{Mv}0}}{H_{\mathrm{Mv}}}\right)---\left(6\right)$

(2)不同角速度下的视场内平均恒星数量

根据不同角速度下的可探测的最暗恒星星等Mv计算不同角速度条件下星敏感器视场内平均恒星数量N_FOV：

$N_{\mathrm{FOV}}=6.57\×e^{1.08\×M_v}\×\frac{1-\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{2}---\left(7\right)$

(3)不同角速度下的视场内恒星探测概率

星敏感器通过至少三颗以上恒星星图识别完成姿态计算，根据不同角速度条件下星敏感器的探测灵敏度对天区进行全天球遍历扫描，得到一个固定角速度下星敏感器视场中探测到三颗恒星概率。

所述步骤(2)中星点中心位置坐标补偿修正方法，根据星敏感器动态分析模型确定星敏感器的积分时间、像元分辨率和视场，星敏感器采用上述参数后进行星图采集，对采集后的星图的星点中心位置坐标补偿修正方法如下：

(a)按照星点位置未补偿修正前的计算方法，计算星点的位置坐标；

(b)设星点的位置坐标为(u_i，v_i)，能量为对星点u方向位置坐标进行修正：

$\left\{\begin{array}{c}u=u_i+(y-\frac{N_{\mathrm{APS}}}{2})\×\frac{v_u\×T_M}{\mathrm{\θ}}\\ v=v_i\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，v_u、v_v为APS星敏感器角速度分解为星敏感器光敏像面的行列方向的角速度，(u，v_i)为修正后的行列坐标。

(c)利用内插算法按式(9)-(12)求星点的重心坐标：

$S=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_i}{\mathrm{\Σ}}{E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{E}_{u_{i}v}=\underset{u}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{E}_{\mathrm{uv}}---\left(9\right)$

$S_u=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_i}{\mathrm{\Σ}}{u_{i}E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{u_{i}E}_{u_{i}v}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{u_{i}E}_{\mathrm{uv}}---\left(10\right)$

$S_v=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_i}{\mathrm{\Σ}}{v_{i}E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{vE}}_{u_{i}v}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{vE}}_{\mathrm{uv}}---\left(11\right)$

$u=\frac{S_u}{S}$ $v=\frac{S_v}{S}---\left(12\right)$

其中，S为星点的能量，(u，v)为星点补偿后的重心坐标。

所述步骤(3)中的星敏感器双帧星图处理方法，根据星敏感器动态分析模型确定星敏感器的积分时间、像元分辨率和视场，星敏感器采用上述参数后进行星图采集后对星敏感器双帧星图进行处理，具体步骤如下：

(1)计算星点矢量

根据星点重心坐标(u，v)，得到入射星点矢量在星敏感器本体坐标系中的矢量(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=F_x(u,v)\\ y=F_y(u,v)\\ z=F_z(u,v)\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，F_x、F_y、F_z由APS星敏感器视场、像元分辨率、噪声确定的内部标定参数决定。

(2)构建双帧星图坐标系

针对双帧星图中的星图1、星图2按照如下方式构建两个坐标系：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=S_{11}\\ Y_1=\frac{S_{11}\×S_{12}}{\left|\right|S_{11}\×S_{12}\left|\right|}\\ Z_1=X_1\×Y_1\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{X}_2=S_{21}\\ Y_2=\frac{S_{21}\×S_{22}}{\left|\right|S_{21}\×S_{22}\left|\right|}\\ Z_2=X_2\×Y_{21}\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为星图1、星图2中两颗星点矢量；

(3)计算星敏感器动态条件下的姿态四元素Q

定义：T₁＝(X₁ Y₁ Z₁)、T₂＝(X₂ Y₂ Z₂)、T₂＝AT₁

其中，A为姿态矩阵

将姿态矩阵A转换为姿态四元素Q：Q＝[q₁，q₂，q₃，q₄]^T

(4)计算星敏感器角速度

令若mod≥1e-7，则星敏感器的旋转角速度星敏感器的旋转轴为星敏感器两帧星图的角速度矢量为 $\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}=[{\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y,{\mathrm{\ω}}_z]=\frac{2\×[q_1,q_2,q_3]}{t_1-t_2};$ 若mod＜1e-7，则 $\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}=[{\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y,{\mathrm{\ω}}_z]=[0,$ $\mathrm{0,0}];$ 其中，t和t₂分别对应星图1和星图2的星时。

所述的弥散斑大小为3～5个像素。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明建立了APS星敏感器动态性能分析模型，通过该模型能够分析星敏感器在不同角速度情况下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场中探测恒星的概率等动态相关性能及动态性能最优范围，并在此模型和动态范围下分析提高APS星敏感器动态性能的方法，本发明降低了APS星敏感器的设计难度，易于实现星敏感器的高动态。

(2)本发明在对星敏感器积分时间的确定过程中，设计了不同档位的积分时间，由星敏感器根据角速度情况自主进行调节和设置，可降低动态星点拖尾带来的影响，提高星敏感器高动态适应能力。

(3)本发明根据APS星敏感器的卷帘式快门的工作特点，设计了星点位置补偿修正方法，根据星敏感器角速度对星图中星点弥散斑进行像素位置和能量的修正补偿，提高高角速度下姿态输出能力；同时设计星敏感器双帧星图处理方法，大幅降低两帧星图之间的时间间隔和星点位置偏移，根据两帧星图星点位置，在更高角速度情况下，对APS星敏感器角速度进行估计，实现了星敏感器高动态性能。

(4)本发明与现有技术中星敏感器普遍采用CCD图像传感器相比，本发明是针对基于APS图像传感器的星敏感器提出提高其动态性能方法，为后续星敏感器的技术发展、高动态、更新换代提供了良好的应用基础。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明积分时间和角速度对应关系示意图；

图3为本发明APS像面及角速度方向示意图；

图4为本发明APS卷帘式快门特性双帧星图提高动态性能示意图。

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。

如图1所述，本发明提出了一种提高APS星敏感器动态性能的方法，本发明通过建立动态性能分析模型，并在此模型下根据不同角速度下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场中恒星探测概率确定星敏感器动态性能范围，根据星敏感器动态性能范围可以确定星敏感器动态调整的最优范围(能够提高的极致范围)，最后在动态性能分析模型基础上通过确定最佳积分时间，对APS星敏感器星点位置进行补偿修正及对APS星敏感器双帧星图进行处理来提高了星敏感器动态性能，上述方法任意一种或者任意组合都能够提高APS星敏感器双帧星图的动态性能，本发明具体步骤如下：

根据恒星星光的光电转换传递路径、恒星星等能量、光谱、光学系统通光孔径、透过率、探测器光谱响应曲线、量子效率、星点扩散函数、角速度、探测器读出噪声及暗电流、信噪比建立星敏感器动态性能分析模型，动态性能分析模型为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pixel}}^2-k^2\×{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pixel}}-k^2\×(n_{\mathrm{dark}}+n_{\mathrm{dsnu}}+n_{\mathrm{read}})=0---\left(1\right)$

其中，ε_pixel为Mv星等的恒星星光在动态条件下，即时，通过光学系统到达探测器像面，在每个像元上产生的光生电子数：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pixel}}=\frac{H_{\mathrm{Mv}}\×\mathrm{\η}\×\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}}{l\×l}\×\mathrm{QE}\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{hc}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{AR}\×N_{\mathrm{APS}}}---\left(2\right)$

其中，k为星图星点提取的临界信噪比，一般取为3～5之间；n_dark为像素在一帧图像积分时间内的暗电流噪声、n_dsnu为APS星敏感器的暗电流不一致性噪声、n_read为读出噪声，上述三种噪声单位均为电子数；H_Mv为动态条件下恒星Mv等在地面的功率密度，单位均为W/mm²；H_Mv为动态条件下恒星Mv在地面的功率密度；D为光学系统的通光孔径，单位mm；η为光学系统的透过率；T_M为APS图像传感器的积分时间，单位s；λ为恒星波长，单位为m；QE为APS图像传感器的量子效率和填充因子乘积；h为普朗克常数；c为光速，单位为m/s；l×l为星点扩散像素面积，无量纲；

n_dsnu和n_read可由APS手册查询，n_dark的计算过程为：

$n_{\mathrm{dark}}=\frac{I_{\mathrm{dark}}\×T_M\×N_{\mathrm{pixel}}^2\×{10}^{-18}}{C}---\left(3\right)$

其中，I_dark为APS星敏感器暗电流，单位为PA/mm²；c为单个电子的电量，单位为库仑；N_pixel为星敏感器中图像探测器像元阵列大小，单位为um；

ε_Mv0为星等Mv＝0时的恒星星光在动态条件下，通过光学系统到达探测器像面，在每个像元上产生的光生电子数：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Mv}0}=\frac{H_{\mathrm{Mv}0}\×\mathrm{\η}\×\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}}{1\×1}\×\mathrm{QE}\×\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{hc}}\×\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{AR}\×N_{\mathrm{APS}}}---\left(4\right)$

其中，H_Mv0为恒星Mv0在地面的功率密度，单位均为W/mm²；

在此模型下根据不同角速度下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场中恒星探测概率确定星敏感器动态性能，不同角速度下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场内恒星探测概率的确定方法：

(a)不同角速度下的探测灵敏度

由公式(4)计算出不同角速度下Mv星等恒星在地面的功率密度H_Mv，进而由式(5)计算出不同角速度下的探测灵敏度，即不同角速度下的可探测的最暗恒星星等Mv：

$M_v=2.51\×\log \left(\frac{H_{\mathrm{Mv}0}}{H_{\mathrm{Mv}}}\right)---\left(5\right)$

(b)不同角速度下的视场内平均恒星数量

根据不同角速度下的可探测的最暗恒星星等Mv计算不同角速度条件下星敏感器视场内平均恒星数量：

$N_{\mathrm{FOV}}=6.57\×e^{1.08\×M_v}\×\frac{1-\cos \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{2}---\left(6\right)$

(c)不同角速度下的视场内平均恒星概率

星敏感器通过三颗以上恒星星图识别完成姿态计算，根据不同角速度条件下星敏感器的探测灵敏度对天区进行全天球遍历扫描，得到某固定角速度下星敏感器视场中探测三颗恒星概率。

根据星敏感器动态性能分析模型采用以下任意一种方法或者任意方法的组合均能提高APS星敏感器动态性能：

(1)根据动态分析模型中的角速度确定APS星敏感器的最佳积分时间，如图2所示，不同角速度下，星点在图像传感器像面上移动，每个像素有效的积分时间(单位为s/pixel)仅取决于视场、角速度大小和图像探测器分辨率，因此星敏感器最佳积分时间应与像素有效积分时间相同。当积分时间过长时，星点将呈长条状，不利于星点提取，当积分时间过短时，星点在各像素曝光量不足，提取困难，所以需要计算最佳的积分时间才能保证良好的APS星敏感器性能。

最佳积分时间确定方法如下：

采用散焦的方法使恒星星像在相邻的像元上形成一个弥散斑，再用亚像素求中心方法计算星像的中心坐标，弥散斑大小为3～5个像素之间，星敏感器整机的最佳积分时间满足：

$T_M=\frac{2\mathrm{\θ}}{N_{\mathrm{APS}}\×\mathrm{AR}}---\left(8\right)$

其中，θ为APS星敏感器视场，单位为°；N_APS为图像探测器行列方向的像元分辨率，设定APS行列方向分辨率相同，无量纲；AR为星敏感器光轴方向角速度，单位为°/s；

(2)如图3所示，定义行方向速度V_x定义向右为正，行方向速度V_y定义向下为正，单位均为(°/s)，图像左上角为(0，0)；卷帘式快门积分的APS星敏感器在大运动角速度(0.6°/s以上)时，对星图恒星星对角距有较大影响，需根据APS星敏感器角速度对星图中星点弥散斑进行位置补偿，在星图识别之前，根据星敏感器角速度将提取的星图星点位置相对于每帧曝光时间中心时刻位置进行修正，根据修正后的星点位置进行星图识别和姿态确定，根据星敏感器动态分析模型确定星敏感器的积分时间、像元分辨率和视场，星敏感器采用上述参数后进行星图采集，对采集后的星图的星点中心位置坐标补偿修正方法具体步骤如下：

(1)按照星点位置未补偿修正前的计算方法，计算星点的位置坐标；

(2)设星点的位置坐标为(u_i，v_i)，能量为，对星点x方向位置坐标进行修正：

$\left\{\begin{array}{c}u=u_i+(y-\frac{N_{\mathrm{APS}}}{2})\×\frac{v_u\×T_M}{\mathrm{\θ}}\\ v=v_i\end{array}\right.---\left(9\right)$

其中，v_u、v_v为APS星敏感器角速度分解为星敏感器光敏像面的行列方向的角速度，(u，v_i)为修正后的行列坐标。

(3)利用内插算法按式(10)-(13)求星点的重心坐标：

$S=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_i}{\mathrm{\Σ}}{E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{E}_{u_{i}v}=\underset{u}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{E}_{\mathrm{uv}}---\left(10\right)$

$S_u=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_i}{\mathrm{\Σ}}{u}_i{E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{u}_i{E}_{u_{i}v}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{u_{i}E}_{\mathrm{uv}}---\left(11\right)$

$S_v=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v_i}{\mathrm{\Σ}}{v}_i{E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}v{E}_{u_{i}v}=\underset{u_i}{\mathrm{\Σ}}\underset{v}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{vE}}_{\mathrm{uv}}---\left(12\right)$

$\begin{array}{cc}u=\frac{S_u}{S}& v=\frac{S_v}{S}\end{array}----\left(13\right)$

其中，S为星点的能量，(u，V)为星点补偿后的重心坐标。

(3)如图4所示，APS星敏感器工作在双帧星图模式，在第一帧星图完成设定时间的积分后，同步进行第一帧星图的图像读出和第二帧星图的积分，根据两帧星图的不少于两颗恒星星点数据计算星敏感器角速度。相比星图识别至少需要3颗以上恒星，由于每帧星图需要的恒星数量减少，因此双帧星图处理方法可适应APS星敏感器更高角速度情况。

确定APS星敏感器双帧星图处理方法：通过降低两帧星图之间的时间间隔和星点位置偏移，然后根据两帧星图星点位置对星敏感器角速度进行估算，，根据星敏感器动态分析模型确定星敏感器的积分时间、像元分辨率和视场，星敏感器采用上述参数后进行星图采集后对星敏感器双帧星图进行处理，星敏感器双帧星图处理方法步骤如下：

(1)计算星点矢量

根据星点重心坐标(u，v)，得到入射星点矢量在星敏感器本体坐标系中的矢量(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=F_x(u,v)\\ y=F_y(u,v)\\ z=F_z(u,v)\end{array}\right.---\left(14\right)$

(2)构建双帧星图坐标系

针对双帧星图中的星图1、星图2按照如下方式构建两个坐标系：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=S_{11}\\ Y_1=\frac{S_{11}\×S_{12}}{\left|\right|S_{11}\×S_{12}\left|\right|}\\ Z_1=X_1\×X_1\end{array}\right.$ $\left\{\begin{array}{c}{X}_2=S_{21}\\ Y_2=\frac{S_{21}\×S_{22}}{\left|\right|S_{21}\×S_{22}\left|\right|}\\ Z_2=X_2\×X_{21}\end{array}\right.---\left(15\right)$

其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为星图1、星图2中两颗星点矢量；

(3)计算星敏感器动态条件下的姿态四元素Q

定义：T₁=(X₁ Y₁ Z₁)、T₂=(X₂ Y₂ Z₂)、T₂=AT₁

其中，A为姿态矩阵

将姿态矩阵A转换为姿态四元素Q：Q=[q₁，q₂，q₃，q₄]^T

(4)计算星敏感器角速度

令若mod≥1e-7，则星敏感器的旋转角速度

星敏感器的旋转轴为星敏感器两帧星图的角速度矢量为 $\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}=[{\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y,{\mathrm{\ω}}_z]=\frac{2\×[q_1,q_2,q_3]}{t_2-t_2};$ 若mod＜1e-7，则 $\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}=[{\mathrm{\ω}}_x,{\mathrm{\ω}}_y,{\mathrm{\ω}}_z]=[\mathrm{0,}$ $\mathrm{0,0}];$ 其中，t和t₂分别对应星图1和星图2的星时。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种提高APS星敏感器动态性能的方法，其特征在于步骤如下：

建立星敏感器动态性能分析模型，并在此模型下根据不同角速度下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场中恒星探测概率确定星敏感器动态性能范围；根据星敏感器动态性能分析模型及动态性能范围确定的以下任意一种方法或者任意方法的组合均能提高APS星敏感器动态性能：

(1)根据角速度确定APS星敏感器的最佳积分时间，最佳积分时间确定方法如下：

采用散焦的方法使恒星星像在相邻的像元上形成一个弥散斑，利用式(1)计算得到APS星敏感器的最佳积分时间：

$T_M=\frac{2\mathrm{\θ}}{N_{APS}\×AR}---\left(1\right)$

其中，θ为APS星敏感器视场；N_APS为图像探测器行列方向的像元分辨率，设定APS行列方向分辨率相同；AR为星敏感器光轴方向角速度；

(2)对APS星敏感器星点位置坐标进行补偿修正，在星图识别之前，根据星敏感器角速度将提取的星图星点位置相对于每帧曝光时间中心时刻位置进行修正，根据修正后的星点位置进行星图识别和姿态确定；

(3)对APS星敏感器双帧星图进行处理，通过降低两帧星图之间的时间间隔和星点位置偏移，然后根据两帧星图星点位置对星敏感器角速度进行估算完成双帧星图处理。

2.根据权利要求1所述的一种提高APS星敏感器动态性能的方法，其特征在于：所述的动态性能分析模型建立方法为：根据恒星星光的光电转换传递路径、恒星星等能量、光谱、光学系统通光孔径、透过率、探测器光谱响应曲线、量子效率、星点扩散函数、角速度、探测器读出噪声及暗电流、信噪比建立动态性能分析模型：

${\mathrm{\ϵ}}_{pixel}^2-k^2\×{\mathrm{\ϵ}}_{pixel}-k^2\×(n_{dark}+n_{dsnu}+n_{read})=0---\left(2\right)$

其中，ε_pixel为Mv星等的恒星星光在动态条件下，即时，通过光学系统到达探测器像面，在每个像元上产生的光生电子数：

${\mathrm{\ϵ}}_{pixel}=\frac{H_{Mv}\×\mathrm{\η}\×\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}}{l\×l}\×QE\×\frac{\mathrm{\λ}}{hc}\×\frac{\mathrm{\θ}}{AR\×N_{APS}}---\left(3\right)$

其中，k为星图星点提取的临界信噪比；n_dark为像素在一帧图像积分时间内的暗电流噪声、n_dsnu为APS星敏感器的暗电流不一致性噪声、n_read为读出噪声；H_Mv为动态条件下星等为Mv的恒星在地面的功率密度；D为光学系统的通光孔径；η为光学系统的透过率；T_M为APS图像传感器的积分时间；λ为恒星波长；QE为APS图像传感器的量子效率和填充因子乘积；h为普朗克常数；c为光速；l×l为星点扩散像素面积；

n_dsnu和n_read可由APS手册查询，n_dark的计算过程为：

$n_{dark}=\frac{I_{dark}\×T_M\×N_{pixel}^2\×{10}^{-18}}{C}---\left(4\right)$

其中，I_dark为APS星敏感器暗电流，单位为PA/mm²；C为单个电子的电量；N_pixel为星敏感器中图像探测器像元阵列大小；

ε_Mv0为星等Mv＝0时的恒星星光在动态条件下，通过光学系统到达探测器像面，在每个像元上产生的光生电子数：

${\mathrm{\ϵ}}_{Mv0}=\frac{H_{Mv0}\×\mathrm{\η}\×\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}}{l\×l}\×QE\×\frac{\mathrm{\λ}}{hc}\×\frac{\mathrm{\θ}}{AR\×N_{APS}}---\left(5\right)$

其中，H_Mv0为恒星Mv0在地面的功率密度。

3.根据权利要求2所述的一种提高APS星敏感器动态性能的方法，其特征在于：所述不同角速度下的探测灵敏度、视场内平均恒星数量、视场内恒星探测概率的确定方法：

(1)不同角速度下的探测灵敏度

由公式(3)计算出不同角速度下Mv星等恒星在地面的功率密度H_Mv，进而由式(6)计算出不同角速度下的探测灵敏度，即为不同角速度下的可探测的最暗恒星星等Mv：

$M_V=2.51\×log\left(\frac{H_{Mv0}}{H_{Mv}}\right)---\left(6\right)$

(2)不同角速度下的视场内平均恒星数量

根据不同角速度下的可探测的最暗恒星星等Mv计算不同角速度条件下星敏感器视场内平均恒星数量N_FOV：

$N_{FOV}=6.57\×e^{1.08\×M_V}\×\frac{1-cos\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{2}---\left(7\right)$

(3)不同角速度下的视场内恒星探测概率

星敏感器通过至少三颗以上恒星星图识别完成姿态确定，根据不同角速度条件下星敏感器的探测灵敏度对天区进行全天球遍历扫描，得到一个固定角速度下星敏感器视场中探测到三颗恒星概率。

4.根据权利要求1所述的一种提高APS星敏感器动态性能的方法，其特征在于：所述步骤(2)中星点中心位置坐标补偿修正方法，根据星敏感器动态分析模型确定星敏感器的积分时间、像元分辨率和视场，星敏感器采用上述参数后进行星图采集，对采集后的星图的星点中心位置坐标补偿修正方法如下：

(a)按照星点位置未补偿修正前的计算方法，计算星点的位置坐标；

(b)设星点的位置坐标为(u_i,v_i)，能量为对星点u方向位置坐标进行修正：

$\left\{\begin{array}{c}u=u_i+(v_i-\frac{N_{APS}}{2})\×\frac{v_u\×T_M}{\mathrm{\θ}}\\ v=v_i+(v_i-\frac{N_{APS}}{2})\×\frac{v_v\×T_M}{\mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，v_u、v_v为APS星敏感器角速度分解为星敏感器光敏像面的行列方向的角速度，(u,v)为修正后的行列坐标；

(c)利用内插算法按式(9)-(12)求星点的重心坐标：

$S=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v_i}{\Σ}{E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v}{\Σ}{E}_{u_{i}v}=\underset{u}{\Σ}\underset{v}{\Σ}{E}_{uv}---\left(9\right)$

$S_u=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v_i}{\Σ}{u}_i{E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v}{\Σ}{u}_i{E}_{u_{i}v}=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v}{\Σ}{u}_i{E}_{uv}---\left(10\right)$

$S_v=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v_i}{\Σ}{v}_i{E}_{u_i{v}_i}=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v}{\Σ}{\mathrm{vE}}_{u_{i}v}=\underset{u_i}{\Σ}\underset{v}{\Σ}{\mathrm{vE}}_{uv}---\left(11\right)$

$\begin{array}{cc}u=\frac{S_u}{S}& v=\frac{S_v}{S}\end{array}---\left(12\right)$

其中，S为星点的能量，(u，v)为星点补偿后的重心坐标。

5.根据权利要求1所述的一种提高APS星敏感器动态性能的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的星敏感器双帧星图处理方法，根据星敏感器动态分析模型确定星敏感器的积分时间、像元分辨率和视场，星敏感器采用上述参数后进行星图采集后对星敏感器双帧星图进行处理，具体步骤如下：

(1)计算星点矢量

根据星点重心坐标(u，v)，得到入射星点矢量在星敏感器本体坐标系中的矢量(x，y，z)：

$\left\{\begin{array}{c}x=F_x(u,v)\\ y=F_y(u,v)\\ z=F_z(u,v)\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，F_x、F_y、F_z由APS星敏感器视场、像元分辨率、噪声确定的内部标定参数决定；

(2)构建双帧星图坐标系

针对双帧星图中的星图1、星图2按照如下方式构建两个坐标系：

$\begin{array}{cc}\left\{\begin{array}{c}{X}_1=S_{11}\\ Y_1=\frac{S_{11}\×S_{12}}{\left|\right|S_{11}\×S_{12}\left|\right|}\\ Z_1=X_1\×Y_1\end{array}\right.& \left\{\begin{array}{c}{X}_2=S_{21}\\ Y_2=\frac{S_{21}\×S_{22}}{\left|\right|S_{21}\×S_{22}\left|\right|}\\ Z_2=X_2\×Y_2\end{array}\right.\end{array}---\left(14\right)$

其中，S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂为星图1、星图2中两颗星点矢量；

(3)计算星敏感器动态条件下的姿态四元素Q

定义：T₁＝(X₁ Y₁ Z₁)、T₂＝(X₂ Y₂ Z₂)、T₂＝AT₁

其中,A为姿态矩阵

将姿态矩阵A转换为姿态四元素Q：Q＝[q₁,q₂,q₃,q₄]^T

(4)计算星敏感器角速度

令若mod≥1e-7，则星敏感器的旋转角速度星敏感器的旋转轴为星敏感器两帧星图的角速度矢量为若mod＜1e-7，则 其中，t和t₂分别对应星图1和星图2的星时。

6.根据权利要求1所述的一种提高APS星敏感器动态性能的方法，其特征在于：所述的弥散斑大小为3～5个像素。