CN105004353A - 一种星敏感器动态星图仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种星敏感器动态星图仿真方法，首先设置星敏感器的三轴指向、三轴角速度、曝光周期，检索导航星表得到该三轴指向下能够进入成像相面范围的各个导航星及其星号，将导航星投影得到其在成像相面范围的投影中心坐标，并根据导航星星号获取其星等，给定其扩散能量分布半径，然后以各个导航星的投影中心坐标为中心，计算各自星点扩散能量分布范围内各个像素的能量，最后根据各导航星星点扩散能量分布范围内各个像素的能量，得到动态星图。本发明生成的动态星图，可作为星敏感器测试环境的直接输入，提升了星敏感器动态性能的验证能力。

Description

一种星敏感器动态星图仿真方法

技术领域

本发明属于卫星姿态测量部件星敏感器的应用领域，可以应用于星敏感器件测试验证过程。

背景技术

APS高精度星敏感器是一种以恒星为姿态参考源、具有较高精度的光学姿态敏感器，是卫星AOCC分系统中重要姿态测量部件，与陀螺配合使用，共同构成高精度姿态确定系统。星敏感器在轨工作时，光学系统将恒星成像于APS感光器件上，由APS完成光电转换并将输出视频信号，经处理电路放大及模-数转换后形成数字星图输入存储器中。应用软件对数字星图进行处理，识别其中的恒星，再由被识别恒星在惯性坐标系中的坐标，即可确定星敏感器在惯性系中的姿态。

APS高精度星敏感器应用软件属于典型的图像处理类软件，软件规模大、功能多、算法异常复杂，原有调试一般采用“星敏产品+电子星模+MDS仿真器”的在线方式进行，或者采用实际观星方式进行，第一种方法基于硬件环境的调试手段有很大的弊端，严重影响星敏软件的测试验证，主要表现在：

(1)星敏软件算法复杂，涉及到图像处理、星点遍历提取、伪星判断、模板计算、星图匹配识别、姿态计算等内容，基于APS星敏的在线调试方式，受硬件条件的限制，电子星模只能生成相对固定的星点，扩展性不强，无法实现各种图像状态的生成，也无法验证软件全部的算法功能；

(2)电子星模在图像生成过程，采用的是典型的静态映射方式，生成星点不具备动态特性，也无法验证星敏感器的动态性能；

第二种方法基于实际观星测试，受天气条件影响较大，观星转台也无法实现全天区的覆盖。

发明内容

本发明解决的技术问题是：摆脱了星敏感器调试过程对硬件条件的依赖，提供了一种可生成动态星图的星敏感器动态星图方针方法，提高了星敏感器动态性能的验证能力。

本发明的技术解决方案是：一种星敏感器动态星图仿真方法，包括步骤如下：

(1)设置星敏感器在惯性坐标系下的三轴指向、三轴角速度、曝光周期；所述的惯性坐标系的原点为地心，x轴方向指向J2000春分点，z轴指向北极，y轴与x、z成右手系；

(2)根据星敏感器三轴指向，检索导航星表，得到在该三轴指向下能够进入成像相面范围的各个导航星及其星号，然后将各个导航星向星敏感器的成像相面投影，得到各个导航星在成像相面范围的投影中心坐标(x_i,y_i),i∈(1,n)，其中i为正整数，n为能够进入成像相面范围的导航星数量；

(3)根据各个导航星的星号，获取星等，由此确定各个导航星星点扩散能量分布半径；所述的扩散能量分布半径与星等成反比；

(4)以各个导航星在星敏感器成像相面的投影中心坐标为中心，调用高斯扩散公式，得到各个导航星星点扩散能量分布范围内各个像素的能量；所述高斯扩散公式是：

$E=\frac{A}{2{{\mathrm{\π\σ}}_i}^2}\·e^{-\frac{{(x-x_i-w_x*\frac{t}{N}*M)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_i}^2}-\frac{{(y-y_i-w_y*\frac{t}{N}*M)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_i}^2}}$

其中：A表示单位时间内投射到图像敏感器上的能量，与星等成反比，(x,y)表示星点扩散分布范围内像素点的坐标，σ_i表示各个导航星的星点扩散能量分布半径，t表示曝光周期，[w_x,w_y,w_z]表示星敏感器的三轴角速度，N表示星敏感器视场，单位为度，M表示星敏感器像面大小，单位为像元；所述星点扩散能量分布范围是以导航星的投影中心坐标为中心，以星点扩散能量分布半径为半径的圆形区域；

(5)根据步骤(4)计算得到的各个导航星星点扩散能量分布范围内各个像素的能量，依据像素能量越大对应坐标越亮，能量越小对应坐标越暗的方法，绘制动态星图。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法生成的静态和动态星图，可作为APS星敏感器测试环境的直接输入，配合测试环境完成了对软件功能的全面覆盖性测试，大大提升了星敏感器动态性能的验证能力；

(2)本发明方法与现有的“星敏产品+电子星模+MDS仿真器”方法相比，星敏软件算法简单，受硬件条件限制少，扩展性强，并能够验证星敏感器的动态性能；

(3)本发明方法与现有的实际观星方式相比，受天气条件影响小，能够实全天区覆盖。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法静态情况下生成的星点图像，图像大小依据星等变化；

图3为本发明方法动态情况下生成的星点图像，四幅图对应同一星点，角速度逐渐增大，图像出现动态拖尾现象。

具体实施方式

本发明提出一种星敏感器动态星图仿真方法，首先设置星敏感器的三轴指向、三轴角速度、曝光周期，检索导航星表得到该三轴指向下能够进入成像相面范围的各个导航星及其星号，将导航星投影得到其在成像相面范围的投影中心坐标，并根据导航星星号获取其星等，给定其扩散能量分布半径，然后以各个导航星的投影中心坐标为中心，计算各自星点扩散能量分布范围内各个像素的能量，最后根据各导航星星点扩散能量分布范围内各个像素的能量，得到动态星图。

一、动态星图星点能量计算模型

静态条件下，图像敏感器生成的星图星点能量分布特征符合二维高斯分布，常用如下计算公式：

$E=\frac{A}{2{\mathrm{\π\σ}}^2}\·e^{-\frac{{(x-x_0)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}-\frac{{(y-y_0)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}---\left(1\right)$

其中：(x₀,y₀)表示高斯扩散的中心点，即模拟生成星点的中心坐标点。σ表示高斯半径，即星点扩散的能量分布范围。A表示单位时间内投射到图像敏感器上的能量，该值与星点的星等(亮度)相关。

星图的动态模拟与静态模拟过程类似，同样采用高斯扩散的方式。不同的是，静态星图模拟是对固定坐标位置处像元灰度值的重复积分，星点扩散近似于圆形；而动态星图模拟过程要考虑星敏感器角速度的影响，扩散过程是对一定范围内(该范围由星敏感器角速度大小和曝光周期决定)的像元灰度的连续积分。相比静态星图，动态星图的星点会因角速度的原因被拉长。

本发明方法的动态模拟过程近似为多个静态模拟过程的组合。假设星敏感器视场为N(视场即星敏感器镜头的张角，单位为度)，星敏感器像面大小为M×M(像面大小以成像器件所含的行列像元为单位)，星敏感器运行过程的角速度为[w_x,w_y,w_z]，单位为度/s，由于Z轴对应星敏感器光轴，该轴向的角速度对星点在像面的影响可以忽略。如果星敏感器图像曝光周期为t，则动态过程中，t时间内星光扫过的像元个数，横向个数为：纵向个数为：因此动态星图星点能量模拟的计算公式设计如下：

$E=\frac{A}{2{{\mathrm{\π\σ}}_i}^2}\·e^{-\frac{{(x-x_i-w_x*\frac{t}{N}*M)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_i}^2}-\frac{{(y-y_i-w_y*\frac{t}{N}*M)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_i}^2}}---\left(2\right)$

其中：t表示曝光持续周期，范围从0到T，A表示单位时间内投射到星敏感器像面上的能量(该能量与星等数据成反比，实际使用中，A的值可根据具体实验要求设置)，(x_i,y_i),i∈(1,n)，i为正整数，n为能够进去成像相面范围的导航星数量，σ_i表示各个导航星的星点扩散能量分布半径。

二、星图生成

根据星敏感器的惯性指向，在星表中搜索对应的导航星，并依据导航星惯性坐标，折算该导航星在星敏感器视场中的位置，即星点中心位置。

根据星敏感器像面大小，在仿真软件中开辟M×M大小的星图缓冲区，根据对应导航星的星等(即亮度)，设置该导航星的扩散半径σ_i，根据仿真初始条件，设置星敏感器三轴的运动角速度[w_x,w_y,w_z]。

在星图缓冲区中，根据星点中心位置及扩散半径，设置星点计算的区域，对其中的每一个相元(相元即M×M缓冲区中的每个数据)，应用公式(2)进行计算，得到运动状态下的星点信息。

所有视场内的导航星扩散完毕，M×M缓冲区即为生成的动态星图，可采用RAW格式或BMP格式存储以备分析。

下面结合附图对本发明方法进行详细说明，如图1所示，本发明方法的核心在于星图动态生成过程的模拟，以及图像生成后的使用，具体处理流程如下：

(1)星敏感器测试环境中，设置当前星敏感器在惯性坐标系下的三轴指向、三轴角速度信息、曝光周期等，即首先对星敏感器测试环境进行初始化；所述惯性坐标系的原点定义在地心，x轴方向指向J2000春分点，z轴指向北极，y轴与x、z成右手系；

(2)根据指向信息，检索导航星表，提取该星敏感器三轴指向下可能进入成像相面范围的导航星，将该指向下导航星经过投影，得到其在相面的投影中心坐标(x₀,y₀)，用以生成星点；

(3)根据导航星号，取得导航星的星等，用以计算星点扩散大小，扩散大小与星等成反比例关系，星等越大，亮度越低，其中导航星号可在通用的导航星表中查询，每个导航星都有各自对应的星等信息。

(4)根据初始化设计，取得曝光周期，用以计算扩散点的能量计算，即是扩散半径范围内各个像素的能量；

(5)以各个星点投影中心坐标为中心，调用高斯扩散公式(2)，得到该投影中心扩散半径范围内各个像素的能量，即灰度值(能量越高，像素越亮)，将此灰度值根据像素坐标，填入M×M图像缓冲区对应位置，并存储为RAW格式或BMP格式，即可得到星图；

(6)所有视场内的导航星扩散完毕，仿真扩散过程一般人为给定，得到动态星图，并存储置星敏感器测试环境中，通过将该图转发置星敏感器的图像存储器，用以星敏感器算法的识别。

如图2所示为按照本发明工作原理得到的静态情况下生成的星点图像，其中，图像大小依据星等变化；如图3所示为按照本发明工作原理得到的动态情况下生成的星点图像，其中，四幅图对应同一星点，角速度逐渐增大，图像出现动态拖尾现象。

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 (1)

1.一种星敏感器动态星图仿真方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)设置星敏感器在惯性坐标系下的三轴指向、三轴角速度、曝光周期；所述的惯性坐标系的原点为地心，x轴方向指向J2000春分点，z轴指向北极，y轴与x、z成右手系；

(2)根据星敏感器三轴指向，检索导航星表，得到在该三轴指向下能够进入成像相面范围的各个导航星及其星号，然后将各个导航星向星敏感器的成像相面投影，得到各个导航星在成像相面范围的投影中心坐标(x_i,y_i),i∈(1,n)，其中i为正整数，n为能够进入成像相面范围的导航星数量；

(3)根据各个导航星的星号，获取星等，由此确定各个导航星星点扩散能量分布半径；所述的扩散能量分布半径与星等成反比；

(4)以各个导航星在星敏感器成像相面的投影中心坐标为中心，调用高斯扩散公式，得到各个导航星星点扩散能量分布范围内各个像素的能量；所述高斯扩散公式是：

$E=\frac{A}{2{{\mathrm{\π\σ}}_{{}^i}}^2}\·e^{-\frac{{(x-x_{{}_i}-w_x*\frac{t}{N}*M)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_i}^2}-\frac{{(y-y_i-w_y*\frac{t}{N}*M)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_i}^2}}$

其中：A表示单位时间内投射到图像敏感器上的能量，与星等成反比，(x,y)表示星点扩散分布范围内像素点的坐标，σ_i表示各个导航星的星点扩散能量分布半径，t表示曝光周期，[w_x,w_y,w_z]表示星敏感器的三轴角速度，N表示星敏感器视场，单位为度，M表示星敏感器像面大小，单位为像元；所述星点扩散能量分布范围是以导航星的投影中心坐标为中心，以星点扩散能量分布半径为半径的圆形区域；

(5)根据步骤(4)计算得到的各个导航星星点扩散能量分布范围内各个像素的能量，依据像素能量越大对应坐标越亮，能量越小对应坐标越暗的方法，绘制动态星图。