CN103983264A - 一种多路输出图像传感器的星敏感器实时提取星像坐标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种图像传感器多路输出的星敏感器实时提取星像质心方法，该方法在提取恒星星像坐标过程中，首先判断该恒星星像是否在子星图的边沿，如果不是在子星图的边沿，直接采用重心法计算相应的星像坐标；如果是在子星图的边沿，在提取恒星星像坐标过程中不但保存恒星星像灰度值，而且保存该恒星星像的边沿信息，最后根据这些边沿信息判断哪些恒星星像所有像元分布在两个子星图，然后对像元分布在两个子星图的恒星星像采用重心法计算相应的恒星星像坐标。本方法具有更好的实时性，提高了星敏感器的数据更新率，进一步提高了星敏感器的动态性能。

Description

一种多路输出图像传感器的星敏感器实时提取星像坐标方法

技术领域

本发明涉及一种多路输出图像传感器的星敏感器实时提取星像坐标方法。 

背景技术

星敏感器(Star Sensor)是目前多种飞行器中广泛采用的一种高精度、高可靠性的姿态测量部件。其工作原理就是：恒星所发出的星光通过光学系统成像在图像传感器上，图像传感器把光信号转换为电信号，并形成一幅完整的数字星图，数据处理单元对数字星图进行处理，星提取软件对星图进行大目标剔除、星像坐标提取和星等计算。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像空间坐标在惯性坐标系下的三轴姿态，然后发送给飞行器等载体系统。 

从星敏感器工作过程可知，星敏感器工作过程包括：图像曝光过程，从图像传感器中读取图像信息，保存图像信息，提取恒星星像坐标，星图识别以及姿态计算等过程。早期的星敏感器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，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过程，从图像传感器中读取图像信息，保存图像信息，提取恒星星像坐标，星图识别以及姿态计算过程并行处理的工作逻辑，星敏感器在曝光本帧的图像同时，从图像传感器中读取上帧图像信息，星图数据从图像传感器输出后，一方面存入SRAM中保存，另一方面与此同时FPGA读取数字量并进行实时地提取星像坐标。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，提取星像坐标所用的时间降低，提高了整个星敏感器的工作效率提高(如图1)。 

目前其成像器件均采用面阵的图像传感器，目前广泛应用的图像传感器面阵普遍是1024×1024像元，当前应用到星敏感器的传感器只有单路输出，普遍读出速度在10M左右，从图像传感器中读取图像的时间大约为100毫秒左右，从理论上讲，星敏感器的数据更新率只能达到10Hz左右。随着图像传感器面阵增加，将会使星敏感器姿态精度非线性的提高，因此为了进一步提高星敏感器的精度，大面阵的图像传感器 是高精度星敏感器的发展趋势。 

为了减少星敏感器从图像传感器中读取图像的时间，目前很多星敏感器选择了多路并行输出的传感器(比如CMV4000可以同时16路并行输出)，这种传感器主要把图像按照行的方向(有些传感器按列的方向)把图像均匀地分为多块子图，用户可以利用传感器的接口并行地读出这些子图，从而降低了从传感器中读取数据时间，从而降低了星敏感器图像读取时间。现场可编程门阵列(FPGA)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。星像坐标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，因此可以采用FPGA来实现并行地从多路中提取恒星星像坐标，而当恒星星像所有像元分布在两个子星图时，采用传统的实时提取方法只能从各个子图中提取相应的坐标，从而造成恒星星像的像元“拆”成了两部分，导致提取的恒星星像坐标不正确，而由于星敏感器使用过程中随即对准天球，星图中可能存在多个恒星星像所有像元分布在两个子星图内，为了避免由于提取恒星星像坐标带来的问题，用户不得不把图像先保存到存储器中，然后再从存储器中读取星图数据后提取星图中恒星星像坐标，这样就造成了从传感器中读取图像时间与提取恒星星像坐标时间之串行工作，增加了星敏感器的更新周期，降低了提取恒星星像坐标的实时性，从而降低了星敏感器的数据更新率。 

发明内容

基于以上不足之处，本发明提出一种图像传感器多路输出的星敏感器实时提取星像质心方法，该方法即提高星敏感器精度，同时又提高星敏感器的数据更新率。 

本发明所采用的技术如下：一种多路输出图像传感器的星敏感器实时提取星像坐标方法，以星图按列方向平均地分为m块，m≥3，其中从左到右的图像分别为第A₁，A₂，…，A_m块子星图，步骤如下： 

(1)读取像元的坐标和灰度值，利用该像元的坐标判断，如果该像元属于第A₁块子星图，跳转到第2步；如果该像元属于第A₂块子星图，跳转到第4步；如果该像元属于第A_k(3≤k≤m-1)块子星图，跳转到第7步；如果该像元属于第A_m块子星图，跳转到第8步； 

(2)采用重心法从第A₁块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第 A₁块子星图的中间，保存该恒星星像坐标；如果该恒星星像位于第A₁块子星图的右边边沿，跳到第3步； 

(3)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最大值(即最右一列)所有纵坐标Y₂＝{Y₂₁，Y₂₂，…，Y_2n2}，其中n_x2，n_y2表示星像弥散斑尺寸n_x2×n_y2，Y₂₁＜Y₂₂，＜…＜Y_2n2，n2表示恒星星像弥散斑在第A₁块子星图内最右一列亮点数； 

(4)采用重心法从第A₂块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A₂块子星图的中间，不进行任何操作；如果该恒星星像位于第A₂块子星图的左边边沿，跳到第5步；如果该恒星星像位于第A₂块子星图的右边边沿，跳到第6步； 

(5)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}y{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最小值，即最左一列所有纵坐标Y′₂＝{Y′₂₁，Y′₂₂，…，Y′_2n2′}，其中其中n′_x2，n′_y2表示星像弥散斑尺寸n′_x2×n′_y2，Y′₂₁＜Y′₂₂，＜…＜Y′_2n2′，n2′表示恒星星像弥散斑在第A₂块子星图内最左一列亮点数； 

(6)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最大值，即最右一列所有纵坐标Y_k＝{Y_k1，Y_k2，…，Y_knk}，其中n_xk，n_yk表示星像弥散斑尺寸nk×n_yk，Y_k1＜Y_k2，＜…＜Y_knk，nk表示恒星星像弥散斑在第A₂块子星图内最右一列亮点数； 

(7)重复第4步到第6步，采用同样的方法获取第A_k(3≤k≤m-1)块子星图的所有恒星星像坐标； 

(8)采用重心法从第A_m块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A_m块子星图的中间，不进行任何操作；如果该恒星星像位于第A_m块子星图的左边边沿，跳到第9步； 

(9)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最小值，即最左一列所有纵坐标Y′_n-1＝{Y′_(n-1)1，Y′_(n-1)2，…，Y′_{(n-1)n(n-1)′}}，其中n′_x(n-1)，n′_y(n-1)表示星像弥散斑尺寸n′_x(n-1)×n′_y2(n-1)，Y′_(n-1)1＜Y′_(n-1)2，＜…＜Y′_{(n-1)n(n-1)′}，n(n-1)′表示恒星星像弥散斑在第A_m块子星图内最左一列亮点数； 

(10)搜索第A₁块子星图和第A₂块子星图交叉的恒星星像，如果Y₂₁≤Y′₂₁≤Y_2n2或者Y₂₁≤Y′_2n2′≤Y_2n2，说明第A₁块子星图的S₂和第A₂块子星图的S′₂属于同一个恒星星像，跳转到第11步； 

(11)计算 $S_x=\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y)+\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),S_y=\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y)+\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),$ 那么该恒星星像坐标x₂＝S_x/S，y₂＝S_y/S；(12)重复第10步，搜索第A₁块子星图和第A₂块子星图是否有其它目标属于同一个恒星星像，如果有，重复第10和第11步，否则不进行任何操作； 

(13)重复第10步到第12步，搜索第A_k(2≤k≤m-1)块子星图和第A_k+1(2≤k≤m-1)块子星图是否有其它目标属于同一个恒星星像； 

其中，带阈值的重心法公式如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y)}\\ y_i=\frac{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

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_x，n_y表示星像弥散斑尺寸为n_x×n_y，n＝n_x×n_y为星像点所占的像元数。 

本发明具有的有益效果： 

第一：采用传统的恒星星像提取方法，必须要按照整行的方式进行读取采用实现实时提取；或者星敏感器图像传感器多路并行输出方式，然后把图像完全拼成一幅完成图像后，再读取图像后提取恒星星像坐标，因此采用传统方式很难进一步提高星敏感器的数据更新率；不管是恒星星像的所有像元分布在一个子星图内还是分布在两个子星图内，采用本方法都能实现实时提取恒星星像坐标，因此该方法具有更好的实时性； 

第二：当恒星星像的所有像元分布在两个子星图时，采用传统的恒星星像提取方法不能完成实时提取，必须首先把星图保存到存储器中，然后再从存储器中读取图像数据实现提取恒星星像坐标，这样星敏感器的更新周期等于从传感器中读取图像时间与提取恒星星像坐标时间之和，而采用本方法完全能够实现从传感器中并行读取图像的同时又并行从各路图像中提取恒星星像坐标，因此星敏感器的更新周期等于从传感器中读取图像时间或者提取恒星星像坐标时间，因此提高了星敏感器的数据更新率； 

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。 

附图说明

图1采用并行流水后星敏感器工作流程图； 

图2一幅分为多块子图的星图； 

图3采用本发明后星敏感器提取星像坐标过程工作流程图； 

图4并行多路输出星图示意图； 

图5不同方法下运行时间对比图； 

图6随地球自传测试误差曲线对比图； 

图710°/s的角速度进行运动测试误差曲线对比图； 

图8一种多路输出图像传感器的星敏感器实时提取星像质心方法实施方案框图。 

具体实施方式

本发明提出一种图像传感器多路输出的星敏感器实时提取星像质心方法，该方法在提取恒星星像坐标过程中，首先判断该恒星星像是否在子星图的边沿，如果不是在子星图的边沿，直接采用重心法计算相应的星像坐标；如果是在子星图的边沿，在提取恒星星像坐标过程中不但保存恒星星像灰度值，而且保存该恒星星像的边沿信息，最后根据这些边沿信息判断哪些恒星星像所有像元分布在两个子星图，然后对像元分布在两个子星图的恒星星像采用重心法计算相应的恒星星像坐标。 

实施例1 

星敏感器探测器的分辨率是由视场和像平面阵列规模决定的，如果恒星只在一个像元上成像，那么像平面的设备分辨率将是星敏感器精度的上限，显然不能满足姿态确定的精度要求，为了提高姿态确定的精度，通常星敏感器光学部分的设计采用亚像素分辨技术，即采用散焦技术，对像平面上所成的像点进行离焦处理，让来自恒星的星光，投射到几个紧挨着的像素上，根据在每个像元上的能量，用带阈值的重心法计算出恒星星像坐标，利用这种方法计算的恒星星像位置的精度可以达到固有设备分辨率的几十分之一甚至百分之一。带阈值的重心法公式如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y)}\\ y_i=\frac{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

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_x，n_y表示星像弥散斑尺寸为n_x×n_y，n＝n_x×n_y为星像点所占的像元数。 

本发明以星图按列方向平均地分为m(m≥3)块为例，其中从左到右的图像分别为第A₁，A₂，…，A_m块子星图(如图2)，说明恒星星像坐标提取过程，算法实现框图如图3所示， 

具体过程步骤如下： 

1.读取像元的坐标和灰度值，利用该像元的坐标判断，如果该像元属于第A₁块子星图，跳转到第2步；如果该像元属于第A₂块子星图，跳转到第4步；如果该像元属于第A_k(3≤k≤m-1)块子星图，跳转到第7步；如果该像元属于第A_m块子星图，跳转到第8步； 

2.采用重心法从第A₁块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A₁块子星图的中间(如图2的S₁)，保存该恒星星像坐标；如果该恒星星像位于第A₁块子星图的右边边沿(如图2的S₂)，跳到第3步； 

3.保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最大值(即最右一列)所有纵坐标Y₂＝{Y₂₁，Y₂₂，…，Y_2n2}，其中n_x2，n_y2表示星像弥散斑尺寸n_x2×n_y2，Y₂₁＜Y₂₂，＜…＜Y_2n2，n2表示恒星星像弥散斑在第A₁块子星图内最右一列亮点数； 

4.采用重心法从第A₂块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A₂块子星图的中间(如图2的S₄)，不进行任何操作；如果该恒星星像位于第A₂块子星图的左边边沿(如图2的S′₂)，跳到第5步；如果该恒星星像位于第A₂块子星图的右边边沿(如图2的S_k)，跳到第6步； 

5.保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}y{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横 坐标最小值(即最左一列)所有纵坐标Y′₂＝{Y′₂₁，Y′₂₂，…，Y′_2n2′}，其中其中n′_x2，n′_y2表示星像弥散斑尺寸n′_x2×n′_y2，Y′₂₁＜Y′₂₂，＜…＜Y′_2n2′，n2′表示恒星星像弥散斑在第A₂块子星图内最左一列亮点数； 

6.保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最大值(即最右一列)所有纵坐标Y_k＝{Y_k1，Y_k2，…，Y_knk}，其中n_xk，n_yk表示星像弥散斑尺寸nk×n_yk，Y_k1＜Y_k2，＜…＜Y_knk，nk表示恒星星像弥散斑在第A₂块子星图内最右一列亮点数； 

7.重复第4步到第6步，采用同样的方法获取第A_k(3≤k≤m-1)块子星图的所有恒星星像坐标； 

8.采用重心法从第A_m块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A_m块子星图的中间(如图2的S_n)，不进行任何操作；如果该恒星星像位于第A_m块子星图的左边边沿(如图2的S′_n-1)，跳到第9步； 

9.保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最小值(即最左一列)所有纵坐标Y′_n-1＝{Y′_(n-1)1，Y′_(n-1)2，…，Y′_{(n-1)n(n-1)′}}，其中n′_x(n-1)，n′_y(n-1)表示星像弥散斑尺寸n′_x(n-1)×n′_y2(n-1)，Y′_(n-1)1＜Y′_(n-1)2，＜…＜Y′_{(n-1)n(n-1)′}，n(n-1)′表示恒星星像弥散斑在第A_m块子星图内最左一列亮点数； 

10.搜索第A₁块子星图和第A₂块子星图交叉的恒星星像，如果Y₂₁≤Y′₂₁≤Y_2n2或者Y₂₁≤Y′_2n2′≤Y_2n2，说明第A₁块子星图的S₂和第A₂块子星图的S′₂属于同一个恒星星像，跳转到第11步； 

11.计算 $S_x=\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y)+\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),S_y=\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y)+\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),$ 那么该恒星星像坐标x₂＝S_x/S，y₂＝S_y/S； 

12.重复第10步，搜索第A₁块子星图和第A₂块子星图是否有其它目标属于同一个恒星星像，如果有，重复第10和第11步，否则不进行任何操作； 

13.重复第10步到第12步，搜索第A_k(2≤k≤m-1)块子星图和第A_k+1(2≤k≤m-1)块子星图是否有其它目标属于同一个恒星星像。 

实施例2 

主要性能指标： 

我们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：14×14 

星图面阵：2048×2048 

探测星等：6等。 

采用星敏感器传统恒星星像坐标提取方法和本方案的恒星星像坐标提取方法，对星敏感器星像坐标的可行性、提取时间、提取精度。我们选用某型号卫星星敏感器进行试验。 

①星像坐标的可行性 

试验方法：把设置星模拟器参数，使星模拟器显示静态星图，利用星敏感器拍摄该星图，通过测试计算机给星敏感器发送指令，使星敏感器的图像传感器采用一路输出星图，然后采用传统的恒星星像坐标取方法，把星图中所有恒星星像坐标上传到测试计算机中，测试计算机接收数据并且保存(如表1中传统方法提取坐标)。然后测试计算机发送指令给星敏感器，使星敏感器的图像传感器采用8路并行输出，利用本发明的方法实时分别从8块子星图中提取坐标，把提取的坐标发送到测试计算机中，与传统方法进行比较提取的恒星分布在子星图之间(图4中的S₁的部分像元在A₄子星图中和A₅子星图中，S₂和S₃的部分像元在A₅子星图中和A₆子星图中)恒星星像坐标的正确性，同时检测恒星星像的所有像元都在某块子星图中(图4中除了S₁，S₂和S₃的所有恒星星像)，恒星星像坐标的正确性。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提取恒星星像坐标时间 

试验方法：把设置星模拟器参数，使星模拟器显示静态星图，利用星敏感器拍摄该星图，通过测试计算机给星敏感器发送指令，使星敏感器的图像传感器采用一路输出星图，然后采用传统的恒星星像坐标取方法，当星敏感器开始从传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标时，把处理器的某个I/O口置成高电平，当星敏感器从传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标结束时刻，把处理器的某个I/O口置成低电平，并用示波器记录该波形(如图5(a))，从图中可以看出，从传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标的时间大约为210.2毫秒。我们选择的星敏感器面阵是：2048×2048，该传感器每个像元是12位，采用LVDS串行地输出，输出图像的频率是120Mbps，因此可以计算出传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标的时间大约2048×2048×12/240000000＝0.2097152秒，与示波器测试基本符合。 

用户给测试计算机发送指令给星敏感器，使星敏感器的图像传感器采用8路并行输出，并且采用本发明的方法实时分别从8块子星图中提取坐标，当星敏感器开始从 传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标时，把处理器的某个I/O口置成高电平，当星敏感器从传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标结束时刻，把处理器的某个I/O口置成低电平，并用示波器记录该波形(如图5(b))，从图中可以看出，从传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标的时间大约为27毫秒。由于选择的星敏感器面阵是：2048×2048，该传感器每个像元是12位，采用LVDS串行地输出，输出图像的频率是120Mbps，8路并行输出，因此可以计算出传感器中读取星图并且提取恒星星像坐标的时间大约2048×2048×12/240000000/8＝0.0262144秒，与示波器测试的27毫秒基本符合。 

③提取精度的测试 

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，分别测试以下两种情况： 

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10°/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微机，如图6为星敏感器与地球相对静止的离线误差曲线，图7为星敏感器10°/s的角速度进行运动的离线误差曲线。 

不管传统方法还是工作在本发明方法，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，不管是恒星星像的所有像元分布在一个子星图内还是分布在两个子星图内，采用两种方式提取的坐标都一致，从而验证了采用本方法来提取恒星星像分布在两个子星图时的正确性。由于本发明解决了恒星星像分布跨多个子星图时坐标提取问题，因此，当星敏感器图像传感器多路并行输出图像时，本发明也能够实现实时提取，而图像传感器采用多路并行输出能够减少图像传输时间，提高了星敏感器的实时性，从图5(b)可以看出，实验采用的图像传感器8路并行输出只需要27毫秒左右，因此星敏感器的数据更新率可以达到37Hz，从而提高了星敏感器的数据更新率和星敏感器的实时性，而星敏感器采用传统的恒星星像提取方法，必须要按照读取图像整行采样实现提取恒星星像坐标，因此不得不使星敏感器图像传感器采用一路输出，按照整行的方式进行读取采用实现实时提取；或者星敏感器图像传感器多路并行输出方式，然后把图像完全拼成一幅完成图像后，再读取图像后提取恒星星像坐标，因此采用传统方式很难进一 步提高星敏感器的数据更新率。从图5(a)可以看出，采用传统方式实现实时提取恒星星像坐标的最短时间为210毫秒左右，显然这种方式很难进一步提高星敏感器的数据更新率。图6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：1.9002″(3σ)，俯仰角：1.7576″(3σ)，滚动角：5.6604″(3σ)，采用本发明的的三轴姿态精度为：偏航角：1.3637″(3σ)，俯仰角：1.1676″(3σ)，滚动角：8.7865″(3σ)，由于这两种方法提取的恒星星像坐标一致，因此采用本发明方法不会降低星敏感器的精度；图7可以看出，当星敏感器的角速度为10°/s旋转时，采用传统方法的三轴姿态精度为：偏航角：11.6232″(3σ)，俯仰角：10.3060″(3σ)，滚动角：72.2803″(3σ)，而采用本发明的的三轴姿态精度为：偏航角：1.7791″(3σ)，俯仰角：1.8420″(3σ)，滚动角：5.0655″(3σ)，精度几乎与静态精度相等，因为随着星敏感器角速度增大，采用传统方式提取恒星星像坐标时间长，星敏感器姿态更新率低，姿态延时大，从而降低了星敏感器的动态性能，因此星敏感器工作在本发明模式可以提高动态性能低。 

实施例3 

如图8是一种图像传感器多路输出的星敏感器实时提取星像质心方法的实施方案，其中图像传感器采用CMV4000，根据CMV4000的说明书，CMV4000输出的图像面阵是2048×2048。对CMV4000的图像读出方式设计如下：8路并行输出图像，并且每路输出的图像大小为256×2048；每路输出方式采用LVDS，采用串行方式读出图像；每路输出图像的速率240Mbps，为了提高图像的分辨率，每个像元为12位。按照以上设计，每个像元的读取速度为240/12＝20M。CMV4000驱动电路部分的FPGA除了实现CMV4000的驱动信号以外，还并行地接收8路从CMV4000发送的图像数据，并且采用本发明的方法实时提取相应的恒星星像坐标，如果恒星星像分布在图像的多个子星图中，把相应的灰度和等信息通过LVDS发送给控制欲数据处理部分的FPGA，数据处理部分的FPGA接收到后通过SRAM发送给DSP，DSP根据接收到相关信息后，判断哪些恒星星像分布于多个子星图中，并完成相应的恒星星像坐标计算，最后利用整幅星图的星像坐标进行星图识别和姿态计算，通过RS422把姿态信息发送给导航计算机，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，其中DSP采用浮点型的TMS320VC33。 

Claims (1)

1.一种多路输出图像传感器的星敏感器实时提取星像坐标方法，以星图按列方向平均地分为m块，m≥3，其中从左到右的图像分别为第A₁，A₂，…，A_m块子星图，其特征在于，步骤如下：

(1)读取像元的坐标和灰度值，利用该像元的坐标判断，如果该像元属于第A₁块子星图，跳转到第2步；如果该像元属于第A₂块子星图，跳转到第4步；如果该像元属于第A_k(3≤k≤m-1)块子星图，跳转到第7步；如果该像元属于第A_m块子星图，跳转到第8步；

(2)采用重心法从第A1块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A₁块子星图的中间，保存该恒星星像坐标；如果该恒星星像位于第A₁块子星图的右边边沿，跳到第3步；

(3)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最大值(即最右一列)所有纵坐标Y₂＝{Y₂₁，Y₂₂，…，Y_2n2}，其中n_x2，n_y2表示星像弥散斑尺寸n_x2×n_y2，Y₂₁＜Y₂₂，＜…＜Y_2n2，n2表示恒星星像弥散斑在第A₁块子星图内最右一列亮点数；

(4)采用重心法从第A₂块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A₂块子星图的中间，不进行任何操作；如果该恒星星像位于第A₂块子星图的左边边沿，跳到第5步；如果该恒星星像位于第A₂块子星图的右边边沿，跳到第6步；

(5)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}y{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最小值，即最左一列所有纵坐标Y′₂＝{Y′₂₁，Y′₂₂，…，Y′_2n2′}，其中其中n′_x2，n′_y2表示星像弥散斑尺寸n′_x2×n′_y2，Y′₂₁＜Y′₂₂，＜…＜Y′_2n2′，n2′表示恒星星像弥散斑在第A₂块子星图内最左一列亮点数；

(6)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{\mathrm{xk}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{\mathrm{yk}}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最大值，即最右一列所有纵坐标Y_k＝{Y_k1，Y_k2，…，Y_knk}，其中n_xk，n_yk表示星像弥散斑尺寸nk×n_yk，Y_k1＜Y_k2，＜…＜Y_knk，nk表示恒星星像弥散斑在第A₂块子星图内最右一列亮点数；

(7)重复第4步到第6步，采用同样的方法获取第A_k(3≤k≤m-1)块子星图的所有恒星星像坐标；

(8)采用重心法从第A_m块子星图中获取所有恒星星像坐标，如果该恒星星像位于第A_m块子星图的中间，不进行任何操作；如果该恒星星像位于第A_m块子星图的左边边沿，跳到第9步；

(9)保存该恒星星像的 $\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),\underset{x=1}{\overset{n_{x(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y(n-1)}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y),$ 恒星星像横坐标最小值，即最左一列所有纵坐标Y′_n-1＝{Y′_(n-1)1，Y′_(n-1)2，…，Y′_(n-1)n(n-1)′}，其中n′_x(n-1)，n′_y(n-1)表示星像弥散斑尺寸n′_x(n-1)×n′_y2(n-1)，Y′_(n-1)1＜Y′_(n-1)2，＜…＜Y′_{(n-1)n(n-1)′}，n(n-1)′表示恒星星像弥散斑在第A_m块子星图内最左一列亮点数；

(10)搜索第A₁块子星图和第A₂块子星图交叉的恒星星像，如果Y₂₁≤Y′₂₁≤Y_2n2或者Y₂₁≤Y′_2n2′≤Y_2n2，说明第A₁块子星图的S₂和第A₂块子星图的S′₂属于同一个恒星星像，跳转到第11步；

(11)计算 $S_x=\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y)+\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y),S_y=\underset{x=1}{\overset{n_{x2}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y)+\underset{x=1}{\overset{n_{x2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_{y2}^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y),$ 那么该恒星星像坐标x₂＝S_x/S，y₂＝S_y/S；

(12)重复第10步，搜索第A₁块子星图和第A₂块子星图是否有其它目标属于同一个恒星星像，如果有，重复第10和第11步，否则不进行任何操作；

(13)重复第10步到第12步，搜索第A_k(2≤k≤m-1)块子星图和第A_k+1(2≤k≤m-1)块子星图是否有其它目标属于同一个恒星星像；

其中，带阈值的重心法公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{xI}}^{\′}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y)}\\ y_i=\frac{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{yI}}^{\′}(x,y)}{\underset{x=1}{\overset{n_x}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{n_y}{\mathrm{\Σ}}}{I}^{\′}(x,y)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

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_x，n_y表示星像弥散斑尺寸为n_x×n_y，n＝n_x×n_y为星像点所占的像元数。