CN104613962A - 一种星敏感器同步曝光方法 - Google Patents

Abstract

一种星敏感器同步曝光方法，首先在星敏感器内部设计同步开关寄存器，判断是否开启同步功能，并检测同步脉冲信号质量；然后在星敏感器当前帧同步下降沿处增加曝光时间间隔；后续帧保持原曝光时间，对当前帧以后的曝光帧数进行计数，当曝光帧数满足预先设定的条件时，完成一个同步脉冲信号周期曝光时间调整；本发明可以给出星敏感器当前图像曝光时间相对于同步脉冲信号的时间偏差，可以自适应调整星敏感器曝光时间，使得星敏感器曝光时刻与同步信号下降沿具有精确的相位关系。且可以在同步状态下动态调整曝光周期，在不同数据更新率下均可以响应外部同步信号，可普遍用于各类航天成像敏感器或工业级成像敏感器。

Description

一种星敏感器同步曝光方法

技术领域

本发明涉及一种同步曝光方法，特别是一种星敏感器同步曝光方法，适用于空间飞行器用恒星敏感器领域。

背景技术

星敏感器是一种光学成像式敏感器，用于空间姿态的高精度测量。星敏感器在轨工作时，采用敏感器视场恒星光电成像与局域天区或全天球星图匹配的方法，确定星敏感器光轴在惯性空间的指向，利用敏感器本体坐标系和卫星姿态坐标系的转换关系，确定卫星姿态。星敏感器具有高精度、高可靠性等特点，广泛应用于卫星、飞船及导弹等飞行器平台上。

同步功能是航天器平台一项重要功能，可以使航天器各测量设备工作在同一时间基准上，地面处理测量数据时可以根据时间信息进行精确匹配，可以提高遥感数据或科学探测数据的测量精度。星敏感器作为航天器平台控制分系统的重要单机设备之一，也需要具有接收同步信号并使其输出姿态与航天器平台工作在同一时间基准上。

现有的同步曝光设计方法中，目前国内大部分星敏感器具备接收同步信号的功能，但是输出姿态时刻与同步信号时间基准不具备固定的相位关系。现在卫星一般配备多个星敏感器，虽然可以根据相位关系计算得到星敏感器当前图像曝光时间中心时刻，从而得到单个星敏感器姿态信息的计量时刻，但是这种实现方式不是严格意义上的“同步”。而且曝光时间随着同步信号漂移累加，图像曝光时间中心时刻会随着进行漂移，必须通过内部复位才能进行重新同步。同时，多个星敏感器同时使用时，输出的姿态信息之间不具备联系性，不能很好的发挥多个星敏感器的优势，对多个星敏感器的不同时刻曝光数据也很难进行融合得到更高精度的姿态信息。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的局限性和不足，提出了一种星敏感器同步曝光方法，该方法将航天器提供的同步信息进行了扩展应用。在同步功能关闭的情况下，可以通过同步信号得到星敏感器当前图像曝光时间中心时刻，进而得到该帧姿态信息相对于上一个同步信号的相对时刻，兼顾了原有技术的功能。同时，在同步开启的情况下，设计了同步信号自适应检测技术，可以检测航天器同步信号质量并给出正常、滞后、超前及超时等标志信息，方便检测航天器自身同步信号质量。设计了更合理的星敏感器进入退出同步功能机制，在检测连续多次外部同步信号正常后，星敏感器进入同步功能，在检测连续多次外部同步信号滞后或者超前后，星敏感器退出同步功能，在一次检测到外部同步信号超时后，星敏感器退出同步功能。

同时，在星敏感器进入同步功能后，对星敏感器曝光周期进行自适应调整，使曝光开始时刻严格对齐航天器同步信号下降沿，在同步周期内星敏感器图像曝光时间中心时刻跟航天器同步信号具有精确的相位关系，这个设计优势在于可以时刻调整同步信号与图像曝光时间中心时刻偏差，不具有偏差累积效应。同时，多个星敏感器可以在同一时刻进行曝光操作，得到同一时刻的姿态信息，同一时刻的姿态信息可以用于数据融合得到更高精度的姿态信息。同时，还设计了在同步状态下，动态调整星敏感器的曝光周期，目前实现了多种更新率下均可以响应同步功能，满足星敏感器在不同曝光周期下对航天器的同步响应要求。

本发明的技术解决方案是：一种星敏感器同步曝光方法，步骤如下：

(1)在星敏感器FPGA内部设计同步开关寄存器register_PPS，寄存器设置为1bit，“0”表示关闭，“1”表示开启；

(2)开启步骤(1)中的同步开关寄存器register_PPS，星敏感器接收外部同步脉冲信号，并检测同步脉冲信号的周期是否为星敏感器当前帧曝光时间Texp的整数倍，且当前帧曝光时间Texp是否大于同步脉冲信号周期，若同步脉冲信号的周期为星敏感器当前帧曝光时间Texp的整数倍，且当前帧曝光时间Texp小于同步脉冲信号周期，则开启同步功能，进入步骤(3)，否则，不开启同步功能，重新执行步骤(2)；

(3)检测同步脉冲信号下降沿，记录连续两个同步脉冲信号下降沿之间的间隔时间Tpps，用于检测同步脉冲信号质量，所述信号质量包括：正常、超前、滞后和超时四种；

(4)若连续三个Tpps均为正常，则记录星敏感器当前帧同步上升沿到当前同步脉冲信号下降沿时间间隔Tf；进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)；

(5)在星敏感器当前帧同步下降沿处增加空闲曝光时间Tf；

(6)在当前同步脉冲信号周期中，步骤(5)中当前帧的后续帧保持原曝光时间Texp，同时在当前同步脉冲信号周期中，对当前帧以后的曝光帧数Tframe_cnt进行计数；

(7)若某一帧时，曝光帧数Tframe_cnt满足：Tframe_cnt＝同步脉冲信号周期/Texp，则在该帧同步下降沿后，且下一周期同步脉冲信号到来时结束曝光，完成一个同步脉冲信号周期曝光时间调整，同时，Tframe_cnt清零；

(8)若不在同步功能下改变曝光时间，则返回步骤(6)，若在同步功能下改变曝光时间，则进入步骤(9)，所述曝光时间分为5个档位；

(9)若曝光时间由m档位调整为n档位，所述m档位和n档位均为步骤(8)中5个档位中的一种，则调整后的曝光时间为：

T_n＝T_m+t

所述T_n为n档位的曝光时间，T_m为m档位的曝光时间，t为时间调整量；所述t由公式：

t＝n1*t1

其中，n1为m档位和n档位曝光空闲行数的差值，t1为每一个曝光空闲行数对应的曝光时间；

n1由公式：

n1＝add_expo(n)-add_expo(m)

其中，add_expo(n)为n档位下的空闲曝光行数，add_expo(m)为m档位下的空闲曝光行数。

所述步骤(3)中的信号质量具体为：

若Tpps<T-△T或者Tpps>T+△T，则信号质量为超时，若T-△T＝<Tpps<T-△T/2，则信号质量为超前，若T+△T/2<Tpps<＝T+△T，则信号质量为滞后，若T-△T/2＝<Tpps<＝T+△T/2，则信号质量为正常，所述T为同步脉冲信号周期，△T为预设的信号质量阈值，所述△T的取值范围为：1～4ms。

所述步骤(8)中曝光时间的5个档位分别为：100ms、125ms、200ms、250ms和500ms。

所述步骤(8)中add_expo(n)和add_expo(m)均由表1查表获得：

表1

曝光档位	基础曝光行数	空闲曝光行数
			100ms	1023	(Texp_100-Tline×K)/Tline
125ms	1023	(Texp_125-Tline×K)/Tline
			200ms	1023	(Texp_200-Tline×K)/Tline
250ms	1023	(Texp_250-Tline×K)/Tline
			500ms	1023	(Texp_500-Tline×K)/Tline

其中，T_{exp_100}、T_{exp_125}、T_{exp_200}、T_{exp_250}和T_{exp_500}分别为5个档位的实际曝光时间，T_line为一行像素曝光所需时间，K为图像传感器阵列大小。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明可以根据同步信号进行自适应图像曝光调整，使图像曝光开始时刻严格对齐航天器同步信号下降沿，在同步周期内星敏感器图像曝光时间中心时刻跟航天器同步信号具有精确的相位关系，解决了图像曝光中心时刻随同步信号时基漂移而产生的误差累积问题；

(2)本发明在响应外部同步信号的同时，设计了同步信号质量检测功能，将同步信号质量分为正常、超前、滞后和超时四种。设计了更合理的星敏感器进入退出同步功能机制，在检测连续多次外部同步信号正常后，星敏感器进入同步功能，在检测连续多次外部同步信号滞后或者超前后，星敏感器退出同步功能，在一次检测到外部同步信号超时后，星敏感器退出同步功能，增加了同步功能响应安全性；

(3)本发明设计了外部可灵活开启同步功能开关和设置图像曝光时间档位的功能，通过外部处理器可以灵活开启关闭同步功能，以及在同步功能下具有动态调整图像曝光时间的功能，满足了星敏感器响应同步功能的同时，也可以调整其数据更新率的要求，扩展了星敏感器的同步功能应用范围。

(4)本发明可以使得多个星敏感器在同一时刻进行曝光操作，得到同一时刻的姿态信息，同一时刻的姿态信息可以用于数据融合得到更高精度的姿态信息。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为从无同步信号到有同步信号调整示意图；

图3为在同步状态下曝光时间动态调整示意图；

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所示为本发明的流程图，从图1可知，本发明提供的一种星敏感器同步曝光方法，具体步骤如下：

(1)在星敏感器FPGA内部设计同步开关寄存器register_PPS，寄存器设置为1bit，“0”表示关闭，“1”表示开启；通过外部软件控制FPGA内部同步开关寄存器register_PPS，控制同步功能开关；

(2)开启步骤(1)中的同步开关寄存器register_PPS，星敏感器接收外部同步脉冲信号，并检测同步脉冲信号的周期是否为星敏感器当前帧曝光时间Texp的整数倍，且当前帧曝光时间Texp是否大于同步脉冲信号周期，若同步脉冲信号的周期为星敏感器当前帧曝光时间Texp的整数倍，且当前帧曝光时间Texp小于同步脉冲信号周期，则开启同步功能，进入步骤(3)，否则，不开启同步功能，重新执行步骤(2)；

(3)检测同步脉冲信号下降沿，记录连续两个同步脉冲信号下降沿之间的间隔时间Tpps，用于检测同步脉冲信号质量，所述信号质量包括：正常、超前、滞后和超时四种；所述信号质量具体为：

若Tpps<T-△T或者Tpps>T+△T，则信号质量为超时，若T-△T＝<Tpps<T-△T/2，则信号质量为超前，若T+△T/2<Tpps<＝T+△T，则信号质量为滞后，若T-△T/2＝<Tpps<＝T+△T/2，则信号质量为正常，所述T为同步脉冲信号周期，△T为预设的信号质量阈值，所述△T的取值范围为：1～4ms。

(4)若连续三个Tpps均为正常，则记录星敏感器当前帧同步VS上升沿到当前同步脉冲信号下降沿时间间隔Tf；图2所示Tf＝30ms，进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)；

(5)在星敏感器当前帧同步下降沿处增加空闲曝光时间Tf；如图2所示，当前帧原曝光时间均为250ms，所述250ms包括当前帧的基础曝光行数和空闲曝光行数，在同步下降沿处加上了步骤(4)中计算的Tf，即增加当前帧的空闲曝光行数，变为280ms；

(6)在当前同步脉冲信号周期中，步骤(5)中当前帧的后续帧保持原曝光时间Texp，如图2所示，同时在当前同步脉冲信号周期中，对当前帧以后的曝光帧数Tframe_cnt进行计数；

(7)若某一帧时，曝光帧数Tframe_cnt满足：Tframe_cnt＝同步脉冲信号周期/Texp，则在该帧同步下降沿后，且在下一周期同步脉冲信号到来时结束曝光，完成一个同步脉冲信号周期曝光时间调整，同时，Tframe_cnt清零；如图2所示，同步脉冲信号周期为1000ms，Texp为250ms，则Tframe_cnt＝4；在同步帧后的第4个信号帧的下降沿后，且在同步脉冲信号到来时，即在同步脉冲信号的下降沿结束曝光；开始下一周期的曝光；

(8)若不在同步功能下改变曝光时间，则返回步骤(6)，若在同步功能下改变曝光时间，则进入步骤(9)，所述曝光时间分为5个档位；分别为：100ms、125ms、200ms、250ms和500ms。

(9)若曝光时间由m档位调整为n档位，所述m档位和n档位均为步骤(8)中5个档位中的一种，则调整后的曝光时间为：

T_n＝T_m+t

所述T_n为n档位的曝光时间，T_m为m档位的曝光时间，t为时间调整量；所述t由公式：

t＝n1*t1

其中，n1为m档位和n档位曝光空闲行数的差值，t1为每一个曝光空闲行数对应的曝光时间；

n1由公式：

n1＝add_expo(n)-add_expo(m)

其中，add_expo(n)为n档位下的空闲曝光行数，add_expo(m)为m档位下的空闲曝光行数，add_expo(n)和add_expo(m)均由表1查表获得：

表1

曝光档位	基础曝光行数	空闲曝光行数
			100ms	1023	(Texp_100-Tline×K)/Tline
125ms	1023	(Texp_125-Tline×K)/Tline
			200ms	1023	(Texp_200-Tline×K)/Tline
250ms	1023	(Texp_250-Tline×K)/Tline
			500ms	1023	(Texp_500-Tline×K)/Tline

其中，T_{exp_100}、T_{exp_125}、T_{exp_200}、T_{exp_250}和T_{exp_500}分别为5个档位的实际曝光时间，T_line为一行像素曝光所需时间，K为图像传感器阵列大小。

以同步状态下250ms档位调整到500ms档位为例，调整过程示意图如图3所示。

图3所示是在同步下，图像曝光时间由250ms调整到500ms档位，第一个箭头处为外部将新曝光时间档位写入时刻，第二个箭头处为星敏感器响应新档位曝光时间时刻，从图3可以看到，下一帧通过增加读出空闲行数，延长读出时间达到调整曝光时间的目的。

所述设置的同步周期Tpps，连续几次Tpps质量标志为非正常则退出同步功能，以及曝光时间档位，可根据实际需求进行设置，曝光时间可以被同步周期整除即满足要求，不仅限于5档曝光时间，具有很好的外推性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种星敏感器同步曝光方法，其特征在于步骤如下：

(1)在星敏感器FPGA内部设计同步开关寄存器register_PPS，寄存器设置为1bit，“0”表示关闭，“1”表示开启；

(2)开启步骤(1)中的同步开关寄存器register_PPS，星敏感器接收外部同步脉冲信号，并检测同步脉冲信号的周期是否为星敏感器当前帧曝光时间Texp的整数倍，且当前帧曝光时间Texp是否小于同步脉冲信号周期，若同步脉冲信号的周期为星敏感器当前帧曝光时间Texp的整数倍，且当前帧曝光时间Texp小于同步脉冲信号周期，则开启同步功能，进入步骤(3)，否则，不开启同步功能，重新执行步骤(2)；

(3)检测同步脉冲信号下降沿，记录连续两个同步脉冲信号下降沿之间的间隔时间Tpps，用于检测同步脉冲信号质量，所述信号质量包括：正常、超前、滞后和超时四种；

(4)若连续三个Tpps均为正常，则记录星敏感器当前帧同步上升沿到当前同步脉冲信号下降沿时间间隔Tf；进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)；

(5)在星敏感器当前帧同步下降沿处增加空闲曝光时间Tf；

(6)在当前同步脉冲信号周期中，步骤(5)中当前帧的后续帧保持原曝光时间Texp，同时在当前同步脉冲信号周期中，对当前帧以后的曝光帧数Tframe_cnt进行计数；

(7)若某一帧时，曝光帧数Tframe_cnt满足：Tframe_cnt＝同步脉冲信号周期/Texp，则在该帧同步下降沿后，且下一周期同步脉冲信号到来时结束曝光，完成一个同步脉冲信号周期曝光时间调整，同时，Tframe_cnt清零；

(8)若不在同步功能下改变曝光时间，则返回步骤(6)，若在同步功能下改变曝光时间，则进入步骤(9)，所述曝光时间分为5个档位；

(9)若曝光时间由m档位调整为n档位，所述m档位和n档位均为步骤(8)中5个档位中的一种，则调整后的曝光时间为：

T_n＝T_m+t

所述T_n为n档位的曝光时间，T_m为m档位的曝光时间，t为时间调整量；所述t由公式：

t＝n1*t1

其中，n1为m档位和n档位曝光空闲行数的差值，t1为每一个曝光空闲行数对应的曝光时间；

n1由公式：

n1＝add_expo(n)-add_expo(m)

其中，add_expo(n)为n档位下的空闲曝光行数，add_expo(m)为m档位下的空闲曝光行数。

2.根据权利要求1所述的一种星敏感器同步曝光方法，其特征在于：所述步骤(3)中的信号质量具体为：

若Tpps<T-△T或者Tpps>T+△T，则信号质量为超时，若T-△T＝<Tpps<T-△T/2，则信号质量为超前，若T+△T/2<Tpps<＝T+△T，则信号质量为滞后，若T-△T/2＝<Tpps<＝T+△T/2，则信号质量为正常，所述T为同步脉冲信号周期，△T为预设的信号质量阈值，所述△T的取值范围为：1～4ms。

3.根据权利要求1所述的一种星敏感器同步曝光方法，其特征在于：所述步骤(8)中曝光时间的5个档位分别为：100ms、125ms、200ms、250ms和500ms。

4.根据权利要求1所述的一种星敏感器同步曝光方法，其特征在于：所述步骤(8)中add_expo(n)和add_expo(m)均由表1查表获得：

表1

曝光档位 基础曝光行数 空闲曝光行数 100ms 1023 (T_{exp_100}-T_line×K)/T_line

125ms 1023 (T_{exp_125}-T_line×K)/T_line 200ms 1023 (T_{exp_200}-T_line×K)/T_line 250ms 1023 (T_{exp_250}-T_line×K)/T_line 500ms 1023 (T_{exp_500}-T_line×K)/T_line

其中，T_{exp_100}、T_{exp_125}、T_{exp_200}、T_{exp_250}和T_{exp_500}分别为5个档位的实际曝光时间，T_line为一行像素曝光所需时间，K为图像传感器阵列大小。