CN107677265B - 一种组合全天时星敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合全天时星敏感器，包括底座和设置在底座上的外壳，底座上设置有五个星相机，外壳的顶部设置有分别与五个星相机一一对应的通光孔；星相机包括光谱滤波器、平面反射镜和镜头，入射光线由通光孔射入，依次经过光谱滤波器和平面反射镜并射向镜头；五个星相机的光谱滤波器在水平面上的正投影位于一正五边形的五个顶角处，星相机的光谱滤波器倾斜设置，由通光孔射向光谱滤波器的入射光线与水平面之间的夹角为锐角。将五个带有光谱过滤器的星相机，以在水平面上的正投影为正五边形的顶角，采用五个小视场星相机，同时探测不同天区，从而使该组合全天时星敏感器可不依靠其他系统，在白天也具备独立全天自主测姿能力。

Description

一种组合全天时星敏感器

技术领域

本发明涉及姿态测量敏感设备及星敏感器技术领域，具体涉及一种组合全天时星敏感器及其检测方法。

背景技术

星敏感器是一种高精度的姿态敏感测量仪器，它通过成像系统对星空成像，测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，利用已知的恒星精确位置来确定载体相对于惯性坐标系的三轴姿态。一般来说，作为光测设备的星敏感器受背景杂光的影响较大，只能用于外层空间或夜间测星。随着星惯组合导航技术的不断发展，对星敏感器的要求也越来越高，兼具夜间和白天测星能力的全天时星敏感器逐渐受到重视。全天时星敏感器必须要解决白天测星时信噪比低导致目标提取困难的技术难题。

通常，白天测星系统一般采用缩小视场的方法来抑制天光背景能量，虽然缩小星敏感器视场有利于提高星等探测信噪比，但是减小视场会导致可探测星数目减少，影响星图识别，当视场内星数目少于3颗时，难以实现准确的星图匹配，无法实现全天自主测量。因此，目前现有的全天时星敏感器一般只工作于跟踪模式，很难实现昼间全天自主星识别与姿态输出。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种基于小视场星相机的组合全天时星敏感器及其检测方法，可在白天无云层干扰时实现星敏感器的多星测量，能够同时检测不同天区，从而实现既缩小单台星敏视场又保证视场拼接后的整个组合全天时星敏感器的可测星数目，进而提高组合全天时星敏感器的白天测星能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种组合全天时星敏感器，包括底座和设置在底座上的外壳，所述底座上设置有五个星相机，所述外壳的顶部设置有分别与五个星相机一一对应的通光孔；所述星相机包括光谱滤波器、平面反射镜和镜头，入射光线由所述通光孔射入，依次经过光谱滤波器和平面反射镜并射向所述镜头；所述五个星相机的光谱滤波器在水平面上的正投影位于一正五边形的五个顶角处，所述星相机的光谱滤波器倾斜设置，由所述通光孔射向所述光谱滤波器的入射光线与水平面之间的夹角为锐角。

一些实施例中，所述底座的上表面为平面，所述五个星相机安装在所述底座的上表面上。

一些实施例中，所述锐角的大小为45°—60°。

一些实施例中，所述星相机还包括电子学部件，所述电子学部件用于光电成像、目标提取、星识别和姿态计算。

一些实施例中，所述星相机还包括调整结构，所述调整结构用于对光谱滤波器、平面反射镜或镜头的安装夹角进行精确定位调整。

一些实施例中，所述星相机的视场为5.5°×5.5°。

一些实施例中，所述电子学部件包括成像器件和数据处理单元，所述成像器件由SCMOS探测器件和时序驱动电路组成，所述数据处理单元由时序逻辑、数据处理器、存储器、接口电路和电源转换电路组成。

本发明还提供了一种基于上述组合全天时星敏感器的检测方法，包括：

步骤1、五个星相机分别进行视场内识别，若均能识别，则跳至步骤2；若只有大于一个、小于5个星相机能识别，则跳至步骤3；若均不能识别，且五个星相机视场内的恒星总数超过3颗，则跳至步骤4；

步骤2、根据标定坐标系关系，解算组合全天时星敏感器合成视轴指向姿态，并输出给主控制器；

步骤3、根据一个星相机视场内识别恒星计算的姿态，解算其他视场初始值向，再进行局部识别，最后解算合成视轴指向姿态，并输出给主控制器；

步骤4、将所有视场内恒星转换到统一像空间坐标系下，计算星角距，与组合视场建立的星角距库进行匹配识别；计算组合全天时星敏感器合成视轴指向姿态，输出给主控制器。

本发明的有益效果在于：将五个带有光谱过滤器的星相机，以在水平面上的正投影为正五边形的顶角，同一平面内五个星相机顺次以72°夹角星形排布，以多孔径组合方式实现白天的全天自主星识别和姿态输出。采用五个小视场星相机，同时探测不同天区，从而使该组合全天时星敏感器可不依靠其他系统，具备独立全天自主测姿能力。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的组合全天时星敏感器整体结构示意图。

图2是本发明一个实施例提供的单台星相机的结构示意图。

图3是图2中单台星相机的剖面示意图。

附图标记：

底座 10；外壳 20；通光孔 201；星相机 30；光谱滤波器 301；平面反射镜 302；镜头 303；电子学部件 304；调整结构 305。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1至附图3，详细说明本发明提供的组合全天时星敏感器及其检测方法。

本发明提供了一种组合全天时星敏感器，如图1所示，包括底座和设置在底座上的外壳，所述底座上设置有五个星相机，所述外壳的顶部设置有分别与五个星相机一一对应的通光孔；所述星相机包括光谱滤波器、平面反射镜和镜头，入射光线由所述通光孔射入，依次经过光谱滤波器和平面反射镜并射向所述镜头；所述五个星相机的光谱滤波器在水平面上的正投影位于一正五边形的五个顶角处，所述星相机的光谱滤波器倾斜设置，由所述通光孔射向所述光谱滤波器的入射光线与水平面之间的夹角为锐角。

要实现全天自主星识别，应当保证星敏感器视场内有4颗以上的平均可用星数目，这是本发明选取夹角和星相机视场的前提。为了满足上述前提，星敏感器视场必须很大；但是白天观星时视场越大越难以探测，这也是白天观星的主要困难。为了解决上述矛盾，本发明首先确定星相机的5.5°小视场探测5等星的方案，这样保证星相机能够探测到至少一颗星，然后五个星相机星形均匀分布，保证整个系统至少能探测到5颗星，从而满足前述前提，同时又能冗余一颗星。

“可用星数目”是星敏感器领域的一项技术指标，是指在星敏感器视场内探测到并能够用于识别计算的星数目。当本发明星相机的数量少于4台时，白天观星时的平均可用星数目将小于4，且可能更小，这时星敏无法实现全天自主星识别，也就不能完成姿态测量功能。本发明确定了单台星相机的视场和探测能力、星相机的数量、星相机的夹角，以及这几个指标的匹配方式。星相机数量为5是平衡考虑体积重量与性能指标的基础上确定的，数量大于5，则星敏感器体积重量成本均难以接受，且提高数据融合算法的复杂性，若小于5，则无法实现全天时测量功能。5台相机之所以选择相同的夹角，是因为考虑全天识别能力，提高全天识别概率，必须保证对天球上各个方向上的探测能力一致，只有平均分布才能保证飞行器在飞行过程中对各个方向上的探测概率一致。

如图1所示，本发明一个实施例中，为了便于设置星相机，也便于各星相机之间夹角的设置，将底座设计成圆形；同时，与之配合的外壳也设计成圆柱状外壳，并且在圆柱状外壳的顶部设置有顶盖，在顶盖上开有五个分别与五个星相机一一对应的通光孔。当然，能布置上述星相机的空间足够大时，可以不限于上述形状设计；上述圆形的选择，能够最大程度的充分利用外壳内部空间，减小组合全天时星敏感器的整体体积和重量。在一些实施例中，为了保护外壳内部元器件或结构的安全，防止落尘、积尘，在上述通光孔上都设置了保护玻璃；既不影响光线的射入，又能够对外壳内部结构进行很好的保护。外壳内表面采取消杂光处理，防止杂光影响。

如图2和图3所示，上述光谱过滤器，能够利用恒星光谱与晴空背景光谱的不同，在白天测星时使用光谱滤波器抑制天光背景，更有利于镜头对星光能量的收集，提高星敏感器白天收集星光能量的能力。

平面反射镜的设置，能够改变入射光线的方向，使之能够适应不同的天区。而镜头是星光能量的收集装置，可采用透射式镜头，要求具有轻小型、高精度的特点，精度要达到亚秒级。

如图1所示，五个星相机的光谱滤波器在水平面上的正投影位于一正五边形的五个顶角处，如图中的a、b、c、d和e五处；也就是说，五个星相机的光谱滤波器在同一平面上以72°夹角星形排布，以多孔径组合方式实现星敏感器白天的全天自主星识别和姿态输出。

更具体的，如图1所示，与a对应的通光孔A、与b对应的通光孔B、与c对应的通光孔C、与d对应的通光孔D以及与e对应的通光孔E，入射光线由一个通光孔射向与之对应的光谱滤波器，形成A-a、B-b、C-c、D-d和E-e五条入射光线，该入射光线与水平面之间的夹角为锐角。以A-a入射光线为例，光线经通光孔进入壳体内部，射到星相机上的光谱滤波器，经平面反射镜反射到星相机的镜头内，从而实现星相机对指向天区的恒星探测，其它四个光路通道与此相同，使星相机探测不同的天区。

为了使入射光线A-a、B-b、C-c、D-d以及E-e与水平面之间形成锐角，将星相机的光谱滤波器倾斜设置。如图1所示，五个星相机的光谱滤波器均向内倾斜，即向五个星相机构成的五边形的中心位置倾斜，从中心位置到远离中心的位置，星相机的光谱滤波器越来越高。如此，入射光线射到倾斜的光谱滤波器上，与水平面之间形成锐角。

一个实施例中，选择600nm或700nm的截止滤光片作为光谱滤波器，对蓝色天光背景进行初步抑制；平面反射镜将入射光线调整方向并射到镜头中；由该镜头负责收集星光信号能量。

为了便于安装和调整角度，一个实施例中，如图1所示，底座的上表面为平面，五个星相机安装在底座的上表面上。进一步，可以将底座设计为圆形底座。

本发明的一个实施例中，如图1所示，上述锐角的大小选择45°—60°。倾斜角度由调整结构、平面反射镜来进行调整。这个倾斜角度可以根据不同飞行器平台的飞行轨迹规律(与太阳夹角)进行微调，使之尽量避开太阳光等杂光影响，一旦角度确定，就进行标定，安装固定，在外场不需要再调整。此倾斜角度一般在45°～60°的范围内。

如图2和图3所示，星相机包括电子学部件，该电子学部件用于光电成像、目标提取、星识别和姿态计算。

更具体的，电子学部件包括成像器件和数据处理单元，所述成像器件由SCMOS探测器件和时序驱动电路组成，所述数据处理单元由时序逻辑、数据处理器、存储器、接口电路和电源转换电路组成。

其中，成像器件可接收到星光信号，并进行光电转换，通过数字接口输出星图。而数据处理单元的作用是，实现恒星目标检测、多路视场拼接、星识别、姿态计算等功能，完成星敏感器工作模式设定、状态监测、通信数据组帧等功能，并作为主控制器与载体控制器实现信息交互。

探测器件选择SCMOS器件，在合适光学系统参数选择前提下，星相机白天探测星等灵敏度为5等，夜间星等探测灵敏度为6.5等。白天姿态测量精度可达4″(俯仰偏航)、10″(横滚)(3σ)。白天时系统采用多孔径组合测量方式；夜间时系统单台星相机即可进行姿态测量，各路星相机可进行姿态组合测量。

在一个实施例中，如图3所示，星相机包括调整结构，调整结构用于对光谱滤波器、平面反射镜或镜头的安装夹角进行精确定位调整。星相机的各部件安装均可通过调整结构进行精确定位调整，以方便星敏感器的整体装调和标定。

在一个实施例中，星相机选择视场为5.5°×5.5°。

要实现全天自主星识别，应保证星敏感器视场内有4颗以上的平均可用星数目，根据恒星在天球上的分布规律，昼间5等星探测时视场应大于11°×11°，直接使用11°×11°视场的星敏感器在白天探测5等星是十分困难的。对5等星来说，视场大于5.5°×5.5°时能够保证视场内的平均可用星数目≥1。本发明将单台星相机视场设计为5.5°×5.5°，先保证单台能够探测到5等星，然后再利用5台5.5°×5.5°视场星相机对不同指向的天区进行拍摄。对整个系统来说，可用于星识别和姿态计算的平均可用星数目为5颗，有1颗的冗余，能够实现全天自主识别并保证识别概率。

在传统星敏感器的目标检测方法和星识别算法的基础上，本发明采用多孔径组合测量方法，在星识别过程中解决多路数据融合问题。在星敏感器的标定阶段，利用标定设备和实际夜间拍星来获得标定数据，利用这些数据建立各星相机坐标系到统一坐标系的数学模型，将各星相机采集的目标坐标换到统一坐标系中，然后再完成星敏感器的后续计算。多孔径组合测量星识别可分为以下三种模式：

模式一：五个星相机视场内恒星均能识别；

模式二：有的星相机视场内的恒星能够识别，有的视场内不能识别；

模式三：五个星相机视场内恒星均不能识别，但视场间组合能识别。

基于上述三种模式，本发明还提供了一种基于组合全天时星敏感器的星识别与姿态计算策略：

步骤1、五个星相机分别进行视场内识别，若均能识别，则跳至步骤2；若只有大于一个、小于5个星相机能识别，则跳至步骤3；若均不能识别，且五个星相机视场内的恒星总数超过3颗，则跳至步骤4；

步骤2、根据标定坐标系关系，解算组合全天时星敏感器合成视轴指向姿态，并输出给主控制器；

步骤3、根据一个星相机视场内识别恒星计算的姿态，解算其他视场初始值向，再进行局部识别，最后解算合成视轴指向姿态，并输出给主控制器；

步骤4、将所有视场内恒星转换到统一像空间坐标系下，计算星角距，与组合视场建立的星角距库进行匹配识别；计算组合全天时星敏感器合成视轴指向姿态，输出给主控制器。

上述提到的主控制器可以是飞行器、舰船等平台中需要获取姿态数据的装置。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种组合全天时星敏感器，其特征在于，包括底座和设置在底座上的外壳，所述底座上设置有五个星相机，所述外壳的顶部设置有分别与五个星相机一一对应的通光孔；所述星相机包括光谱滤波器、平面反射镜和镜头，入射光线由所述通光孔射入，依次经过光谱滤波器和平面反射镜并射向所述镜头；所述五个星相机的光谱滤波器在水平面上的正投影位于一正五边形的五个顶角处，所述星相机的光谱滤波器倾斜设置，由所述通光孔射向所述光谱滤波器的入射光线与水平面之间的夹角为锐角；

其中，所述星相机的光谱滤波器倾斜设置是指，五个星相机的光谱滤波器均向内倾斜，即向五个星相机构成的五边形的中心位置倾斜。

2.根据权利要求1所述的组合全天时星敏感器，其特征在于，所述底座的上表面为平面，所述五个星相机安装在所述底座的上表面上。

3.根据权利要求1所述的组合全天时星敏感器，其特征在于，所述锐角的大小为45°—60°。

4.根据权利要求1所述的组合全天时星敏感器，其特征在于，所述星相机还包括电子学部件，所述电子学部件用于光电成像、目标提取、星识别和姿态计算。

5.根据权利要求1所述的组合全天时星敏感器，其特征在于，所述星相机还包括调整结构，所述调整结构用于对光谱滤波器、平面反射镜或镜头的安装夹角进行精确定位调整。

6.根据权利要求1所述的组合全天时星敏感器，其特征在于，所述星相机的视场为5.5°×5.5°。

7.根据权利要求4所述的组合全天时星敏感器，其特征在于，所述电子学部件包括成像器件和数据处理单元，所述成像器件由SCMOS探测器件和时序驱动电路组成，所述数据处理单元由时序逻辑、数据处理器、存储器、接口电路和电源转换电路组成。