CN105806346B - 中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量方法，本发明提供的中高轨星座星间照相观测敏感器包括：光学系统、成像单元和信息处理单元；所述成像单元接收光学系统的投射光线，对目标卫星和导航恒星成像，并将图像发送到信息处理单元；所述信息处理单元提取目标卫星和导航恒星的质心坐标，计算星间角距。本发明可以为现有导航星座的长期自主运行提供精确的角距信息，可以准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，在自主性、星座整体旋转可观性等方面具有明显优势。可以有效的解决导航星座空间绝对定向，进而实现导航星座的长期高精度自主定轨，为实现导航星座的长期自主运行提供精确的测量信息。

Description

中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量方法

技术领域

本发明涉及卫星领域，特别涉及一种中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量算法。

背景技术

为保障在地面站布设受限的情况下，导航星座仍然能稳定连续的提供导航信息，导航星座必须具备较长时间的自主运行能力。星座卫星自主定轨是星座自主运行的前提，但传统的采用星间测距进行星座卫星自主定轨时，由于没有外部基准，因而会带来不可测的问题。基于角距信息对星座整体旋转是可观的，在星间测距的基础上增加星间测向信息（角距信息），可以准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，增加星间定向观测信息后在卫星运行自主性、星座整体旋转可观性等方面相较于其它手段具有明显优势，可以有效的解决导航星座空间绝对定向，进而实现导航星座的长期高精度自主定轨，实现导航星座的长期自主运行。

本发明中，星座指的是同一轨道上运行的所有导航卫星的组合，星间指的是同一轨道上彼此可见的两个卫星之间；中高轨通常而言指的是人造卫星在地球大气层外运行时，其运行轨道与地表距离一千公里以上的即为中轨，两万公里以上的即为高轨。

发明内容

本发明解决的问题是现有星间测距方法无法测量星间角距信息，因而无法消除星座整体旋转带来的累积误差影响；为解决所述问题，本发明提供一种中高轨星座星间照相观测敏感器。

本发明提供的中高轨星座星间照相观测敏感器包括：光学系统、成像单元和信息处理单元；所述成像单元接收光学系统的投射光线，对目标卫星和导航恒星成像，并将图像发送到信息处理单元；所述信息处理单元提取目标卫星和导航恒星的质心坐标，计算星间角距。

进一步，所述光学系统包括：第一主镜、第二主镜、次镜、补偿镜；星座表面射出的光线经所述第一主镜或第二主镜反射后，入射到所述次镜；所述第一主镜和第二主镜关于次镜的法线对称；入射光在次镜表面反射后经补偿镜补偿，之后入射到成像单元。

进一步，所述第一主镜和第二主镜为回转对称二次非球面镜；所述次镜为二次曲面图面反射镜；所述补偿镜为凹凸透镜的组合镜。

进一步，所述信息处理单元包括：高斯滤波器、质心坐标提取模块、星间角距计算模块。

本发明还提供所述的中高轨星座星间照相观测敏感器的星间角距测量方法，包括：

步骤1、光学系统将星座表面射出的光线汇聚到成像单元，目标卫星和导航恒星在成像单元成像，成像单元将图像传递给信息处理单元；

步骤 2、信息处理单元对所述图像进行滤波处理；

步骤3、信息处理单元在滤波后的图像基础上完成目标卫星与导航恒星的识别，提取目标卫星和导航恒星的质心坐标；

步骤4、信息处理单元根据目标卫星和导航恒星的质心坐标，通过三角形原理解算星间角距。

进一步，所述步骤2中采用高斯滤波，包括：

步骤2.1、建立高斯滤波模板：

模板的中间数值对应于要进行滤波处理的像素点；

步骤2.2、经过滤波处理之后，所述像素点的像素值变为：

（2）

式中，表示每个像素点所应该乘以的系数；表示坐标为的像素点对应的像素值。

进一步，所述步骤3包括：

步骤3.1、通过阈值分割和连通域法将目标卫星和导航恒星与背景分开；

步骤3.2、目标卫星与导航恒星识别；

步骤3.3、通过基于灰度质心坐标的星间角距测量。

进一步，所述步骤3.1包括：

1）根据星图直方图的灰度特征，得到双峰的灰度值和，确定初始分割阈值：

2）对灰度在0到之间的像素进行处理，通过灰度统计，求出背景噪声均值和方差的估计值、：

3）根据步骤2）得到的背景噪声均值，确定新的分割阈值，以使背景像点错划为目标的概率为：

式中，为背景噪声的概率密度分布函数，T是正态分布的分位点，

。

进一步，所述步骤3.3包括：目标像点质心（，）计算方法为：

，

其中，（，）为图像上第i个点的坐标，为连通域分割后的图像。

进一步，所述星间角距为：

，

其中，为星间观测敏感器光学镜头01的焦距，为目标卫星在成像平面上的质心坐标；为恒星在成像平面上的质心坐标。

本发明提出的中高轨星座星间照相观测敏感器采用一套高分辨率长焦距光学系统、高灵敏度成像单元和高精度信息处理单元的方式，为传统的基于星间测距定轨算法引入星间测向信息（角距信息），可以准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，增加星间定向观测信息后在卫星运行自主性、星座整体旋转可观性等方面相较于其它手段具有明显优势，可以有效的解决导航星座空间绝对定向，进而实现导航星座的长期高精度自主定轨，实现导航星座的长期自主运行。

附图说明

图1是本发明所提供的中高轨星座星间照相观测敏感器的结构示意图；

图2是本发明提供中高轨星座星间照相观测敏感器星间角距测量方法测量几何关系示意图。

具体实施方式

以下根据图1，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供中高轨星座星间照相观测敏感器，其包含光学系统、成像单元5和数据处理单元4。

所述的光学系统包含：第一主镜1和第二主镜2，次镜6和补偿镜3；所述第一主镜1和第二主镜2为一次反射镜，其采用二次非球面镜的设计方式，可以减小光学校正镜片的像差、提高观测质量、实现轻量化目标，采用三点支撑方式完成固定，本实施例中，所述第一主镜1和第二主镜2为回转对称二次非球面镜。

所述次镜6为二次反射镜，其采用二次非球面镜的设计方式，次镜6设置在敏感器内能够接收并反射主镜的反射光线的位置处，所述的次镜6为二次曲面凸面反射镜；

所述补偿镜3设置在敏感器内能够接收次镜的反射光线的位置处，主要用来消除像差、色差等，以提高成像质量，所述的补偿镜3为凹凸透镜的组合镜。

所述的成像单元52接收经过补偿镜3的投射光线，对具有较弱光学特性的目标卫星和具有较强光学特性的导航恒星进行成像，并将高质量的图像信息传递给数据处理单元。所述成像单元52采用CMOS探测器（互补金属氧化物半导体，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor）。

所述的数据处理单元4根据成像单元5获得的图像信息，完成目标卫星和导航恒星的星点质心坐标提取，并最终完成星间角距的解算。

具体地，本发明所提供的中高轨星座星间照相观测敏感器的星间角距测量方法，包括：

步骤1、光学系统将星座表面射出的光线汇聚到成像单元，目标卫星和导航恒星在成像单元成像，成像单元将图像传递给信息处理单元；

步骤 2、信息处理单元对所述图像进行滤波处理；

步骤3、信息处理单元在滤波后的图像基础上完成目标卫星与导航恒星的识别，提取目标卫星和导航恒星的质心坐标；

步骤4、信息处理单元根据目标卫星和导航恒星的质心坐标，通过三角形原理解算星间角距。

所述步骤2中，星图中的噪声主要是高斯噪声，因此采用高斯滤波来对星空图像进行预处理，包括：

步骤2.1、建立高斯滤波模板

（1）

每一个模板的中间数值表示它为中心元素，也就是要进行处理的像素点，步骤2.2、经过运算处理之后，所述像素点的像素值变为：

（2）

式中，表示每个像素 点所应该乘以的系数；表示坐标为的像素点对应的像素值。经过平滑模板对图像的处理，可将噪声平滑，从而达到减小噪声的目的。

所述的步骤3包括：

步骤3.1、通过阈值分割和连通域法将目标卫星和导航恒星与背景分开；

步骤3.2、目标卫星与导航恒星识别；

步骤3.3、通过基于灰度质心坐标的星间角距测量。

所述步骤3.1包括：

1）由已知目标导航星的信号特征，根据星图直方图的灰度特征，得到双峰的灰度值和，确定初始分割阈值：

（3）

2）对灰度在0到之间的像素进行处理，通过灰度统计，求出背景噪声均值和方差的估计值、：

（4）

（5）

3）根据上一步得到的背景噪声的统计值，来确定新的分割阈值，以使背景像点错划为目标的概率为：

（6）

式中，为背景噪声的概率密度分布函数。T是正态分布的分位点。

（7）

4）为了获取更高的精度，通常选取一个非常小的，返回步骤1）中，将求得的T作为初始阈值，重新计算。经过多次的迭代优化，把最终得到的稳定阈值作为最佳分割阈值，进而得到阈值分割后的图像。

5）对二值化的星图进行连通性分析可以得到星的位置和外接矩形，经过连通性分析和区域分割后，可以认为每一个连通区域都存在一个星体目标，进而得到连通域分割后的图像。

使用阈值分割和连通域法不仅可以分离星体目标与背景，还可以滤除部分过亮或过暗恒星。

所述步骤3.2包括：

1）目标卫星识别，由于已知目标卫星的光学特性以及卫星目标与恒星目标的运动特性，就可以利用运动特性来区分目标卫星星点与恒星星点。卫星目标在序列星图中几乎保持静止，这时通过比对连续帧的星空图像可以识别出目标卫星。

2）恒星识别，在视场中选择最亮的星s1作为主星

3）在s1的内外环半径（r1，r2）内选择最亮的两颗星（s2，s3）作为识别伴星。采用右手螺旋法则保证s1、s2、s3为逆时针排列

4）以s1、s2、s3构成三角形，计算两两之间的角距。对三角形的三边（即三个角距值）以一定的误差门限ζ在导航星库中进行模式匹配

5）对匹配结果进行分析：a)导航星库中没有相应的三角形模式与之匹配。以星图中的次亮星作为主星s1，重复以上过程；b)导航星库中有唯一的三角形模式与之匹配，匹配成功；c)导航星库中有两个以上的三角形模式与之匹配。在s1、s2的内外环半径所构成的圆环的交集内选择最亮的星s4，以s1、s2、s4、构成三角形，在导航星库中进行匹配。

6）重复以上过程，直至中心区域内再无亮星。进一步，在完成对目标卫星和导航恒星识别的基础上完成对其质心坐标的计算。

步骤3.3、对于灰度特征或能量分布近似呈高斯分布的目标像点质心计算方法为：

（n=1,2） （8）

（n=1,2） （9）

通过星相机拍摄获得星图，再经过质心法求解导航恒星和目标卫星的星点质心位置后，得到的是质心在成像平面坐标系中的直角坐标，设观测卫星i安装有星间观测敏感器，参考图2，对目标卫星03及恒星02进行照相观测。由质心法可求得目标卫星03和恒星02在观测卫星i的成像平面上04的质心坐标分别为和。又知像空间坐标系中光学中心坐标为， 为星间观测敏感器光学镜头01的焦距。

由图2所示的几何关系，可得

（10）

根据三角形余弦公式，有

（11）

由此可以求得角距观测量

（12）

进一步，为了提高星间角距的测量精度，在上一步中计算出多组角距信息进行融合处理，得到最终需要的星间角距值。

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：整体结构紧凑，集成度高，通过采用一套光学系统、一套成像系统和一套电子学单元，可以为现导航星座的长期自主运行提供精确的星间测向信息（角距信息），可以准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，在自主性、星座整体旋转可观性等方面具有明显优势。可以有效的解决导航星座空间绝对定向，进而实现导航星座的长期高精度自主定轨，为实现导航星座的长期自主运行提供精确的测量信息。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种中高轨星座星间照相观测敏感器，其特征在于，包括：高分辨率长焦距光学系统、高灵敏度成像单元和信息处理单元；所述成像单元接收光学系统的投射光线，对目标卫星和导航恒星成像，并将图像发送到信息处理单元；所述信息处理单元提取目标卫星和导航恒星的质心坐标，计算星间角距；所述光学系统包括：第一主镜、第二主镜、次镜、补偿镜；星座表面射出的光线经所述第一主镜或第二主镜反射后，入射到所述次镜；所述第一主镜和第二主镜关于次镜的法线对称；入射光在次镜表面反射后经补偿镜补偿，之后入射到成像单元；所述第一主镜和第二主镜为回转对称二次非球面镜，采用三点支撑方式完成固定；所述次镜为二次曲面凸面反射镜，设置在敏感器内能够接收并反射主镜的反射光线的位置处；所述补偿镜为凹凸透镜的组合镜，设置在敏感器内能够接收次镜的反射光线的位置处；所述的成像单元接收经过补偿镜的投射光线，对具有较弱光学特性的目标卫星和具有较强光学特性的导航恒星进行成像，并将高质量的图像信息传递给数据处理单元，成像单元采用CMOS探测器。

2.依据权利要求1所述的中高轨星座星间照相观测敏感器，其特征在于，所述信息处理单元包括：高斯滤波器、质心坐标提取模块、星间角距计算模块。