CN109682369A - 基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明在一种基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法中，控制星敏感器的各探头异步曝光采集图像；由星跟踪算法确定定姿星，解算各探头的姿态四元数；对参与融合的定姿星观测星矢量做时空配准；将相邻曝光时刻的两探头视场内的定姿星信息，进行星矢量级融合并解算姿态四元数；将融合后的姿态四元数转到参考坐标系下输出。本发明通过控制各探头异步曝光，相邻时刻曝光的两探头的视场信息融合解算姿态，将数据更新率提高；采用两个探头的定姿星做星矢量融合，扩大了视场角，提高了光轴方向的姿态角精度，同时相对于同步曝光中融合所有探头的测量信息，降低了数据传输量，减小了参与解算的星矢量数目，减少了姿态解算的耗时，数据更新率高。

Description

基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法

技术领域

本发明涉及一种多探头星敏感器的数据融合方法，特别涉及一种基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法。

背景技术

星敏感器是组成高精度姿轨控系统的关键部件，其以恒星为参考基准，具有定位精度高，质量小，功耗低，高度自主，并且无姿态累积误差等优点，是目前所有姿态敏感器中精度最高的敏感器。传统单探头星敏感器的光轴方向姿态角精度一般比另外两轴姿态角精度低一个数量级。由于单探头星敏感器视场有限，导致观测矢量空间分布较密集，月光等杂散光会降低系统可靠性。为了克服以上不足，通常在航天器上安装两个或两个以上的星敏感器，它们独立工作，互为备份，提高了姿态测量的精度和可靠性。

为了进一步改善星敏感器的性能，近年来国外出现了以法国Hydra星敏感器为代表的多探头星敏感器。多探头星敏感器，具有两个以上光学探头，通过一个线路盒将多个探头的探测信息融合解算，可明显提高光轴方向精度；同时多探头的不同方位的安装方式，可在某个探头因遮挡、杂光等因素，无法输出数据的情况下，稳定输出姿态信息，提高了系统的可靠性。

多个视场观测信息的融合处理方法作为多探头星敏感器的关键技术之一，是当前的研究热点。

多探头星敏感器数据融合的方法较多，像素级图像拼接，星矢量级融合，四元数融合等，但无论何种方式，均是为了提高系统的可靠性和姿态精度。参与融合信息的增多，导致计算量增大，实时性降低，因此，必然需要一种保证姿态角精度的同时提高数据更新率的方法。

发明内容

本发明涉及一种基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，旨在达到既满足三轴姿态角精度一致，又能提高数据更新率的目的，用于指导多探头星敏感器视场融合工作模式设计。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，包含以下步骤：

S1、控制星敏感器的各探头异步曝光采集图像；

S2、由星跟踪算法确定定姿星，解算各探头的姿态四元数；

S3、对参与融合的定姿星观测星矢量做时空配准；

S4、将相邻曝光时刻的两探头视场内的定姿星信息，进行星矢量级融合并解算姿态四元数；

S5、将融合后的姿态四元数转到参考坐标系下输出。

优选地，三个探头以T/3为时间间隔的曝光控制时序依次启动曝光，T 为前一拍曝光起始时刻与后一拍曝光起始时刻之间的时长。

优选地，曝光结束后，保存采集的星图到指定位置；由质心提取算法对采集的星图提取探测星星点质心数据，由星图识别算法确定导航星，由星跟踪算法确定定姿星。

优选地，根据定姿星观测星矢量、对应的导航星在天球坐标系下的参考星矢量，解算单个探头的姿态四元数。

优选地，第一探头的第k帧的观测星矢量，与第二探头的第k帧的观测星矢量做时间空间配准、融合、解算输出四元数；第二探头的第k帧的观测星矢量，与第三探头的第k帧的观测星矢量做时间空间配准、融合、解算输出四元数；第三探头的第k帧的观测星矢量，与第一探头的第k+1帧的观测星矢量做时间空间配准、融合、解算输出四元数；k＝0,1,2,…。

优选地，进行视场融合的每两个探头中，一个探头作为基准探头，将另一个探头的姿态四元数的逆与基准探头的姿态四元数相乘得到时空配准关系的四元数，进而得到对应的时空转换矩阵，来获取所述另一个探头的探测星点在基准探头坐标系下的观测矢量，对这两个探头所有定姿星做星矢量级融合。

本发明提出的星敏感器数据融合方法，以三探头为例，其算法包含设计异步曝光控制时序；确定定姿星；时空配准与星矢量融合；解算并输出姿态四元数。与现有的技术相比，本发明的方法优点在于：

通过控制各探头异步曝光，相邻时刻曝光的两探头的视场信息融合解算姿态，即可将数据更新率提高3倍；本方法采用两个探头的定姿星做星矢量融合，扩大了视场角，提高了光轴方向的姿态角精度，同时相对于同步曝光中融合所有探头的测量信息，降低了数据传输量，减小了参与解算的星矢量数目，从而减少了姿态解算的耗时，进一步提高了数据更新率。综上所述，本发明的方法既改善了三轴姿态角精度，同时提高了数据更新率，改善了系统的实时性。

附图说明

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1为基于异步曝光的多探头星敏感器视场融合流程图；

图2为异步曝光时序示意图；

图3为异步曝光视场融合示意图。

具体实施方式

本发明以三探头星敏感器为例，提出了基于等时间间隔异步曝光的星敏感器数据融合方法。该方法是指在等时间间隔异步曝光模式下，将前一时刻曝光探头的观测信息通过与相邻曝光探头的观测信息进行时间配准，之后由两探头之间的安装关系，将相邻曝光探头的观测星矢量转换到同一基准坐标系下，进行星矢量级融合解算姿态四元数。

如图1所示，本发明所述的方法，具体步骤如下：

(1)设计以T/3为时间间隔的曝光控制时序；

图2为异步曝光控制时序示意图，该模式下星敏感器3个探头交替工作，高电平T1表示曝光读取时间，低电平T2表示曝光读取完成、传输星点质心数据并开始下一帧的曝光读取，曝光读取过程和星图处理过程是同步进行的； T＝T1+T2，曝光读取起始时刻依次间隔T/3。

(2)各探头按照指定顺序以图2时序流水曝光，采集观测信息。

按照设定的控制时序以T/3等时间间隔探头A、探头B、探头C依次启动曝光；一拍姿态数据从启动曝光到输出的周期T，为前一拍曝光起始时刻与后一拍曝光起始时刻之间的时长。曝光结束后，保存采集的星图到指定位置，由星跟踪算法确定定姿星。

(3)确定定姿星

由质心提取算法对采集星图提取探测星星点质心数据。由星图识别算法确定导航星，星跟踪算法确定定姿星。

将观测星矢量从二维像平面坐标系转到三维星敏感器测量坐标系v；

式中(x,y)观测星在像平面坐标系中的坐标，(x₀,y₀)像平面的主点坐标，f为星敏感器的焦距。由定姿星观测星矢量w₁,w₂,...,w_N，和对应的导航星在天球坐标系下的参考星矢量v₁,v₂,…,v_N解算单探头的姿态四元数q。

(4)时空配准矩阵，以探头B为基准头部，探头A探头B视场融合为例：

假设探头A在T₀+kT时刻曝光，探头B在T₀+(k+1/3)T时刻曝光，探头 C在T₀+(k+2/3)T时刻曝光，k＝0,1,2…。此时以探头B为基准头部，将探头 A第k帧的观测星矢量与探头B第k帧的观测星矢量做时间空间配准。

即，定姿星的观测星矢量做时空配准时，将时间配准、空间配准两步统一，直接由探头A在T₀+kT时刻曝光得到的姿态四元数与探头B在 T₀+(k+1/3)T时刻曝光的姿态四元数解算安装矩阵，一步完成时间与空间配准，简化了计算量，避免了时间配准引入的误差。

(a)由姿态解算算法可解得探头A坐标系下姿态四元数为探头B 坐标系下姿态四元数为时空配准关系四元数：

需要对q_ABk滤波处理，剔除高频误差。

四元数的逆可以表示为q^-1，若q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T则

q^-1＝[q₀ -q₁ -q₂ -q₃]^T 式3

四元数乘用表示，四元数q_A和q_B相乘，定义如下：

若矢量则[x^×]定义如下：

(b)实时解算AB光轴夹角LA_ABk，并与参考值LA_AB0作差，若变化量超出阈值tol，则启动滤波更新安装四元数参考值q_AB，反之采用安装矩阵参考值。

(c)时空配准

四元数q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]与转换矩阵C的对应关系为：

本例中，与探头A及探头B对应的四元数q_ABk＝[q₁ q₂ q₃ q₄]，则时空转换矩阵C_ABk为：

由转换矩阵C_ABk，可由式8解得探头A探测星点在基准探头B坐标系下的观测矢量：

(5)由姿态解算算法，解算姿态四元数：由融合后的探头A和探头B的所有定姿星信息，解算融合姿态四元数，并转到参考坐标系下输出(可根据应用情况定义，如定义探头A或卫星本体坐标系为参考坐标系)。

(6)如图3所示，同理将探头B第k帧的观测星矢量信息与探头C第k 帧的观测星矢量信息配准、融合、解算输出四元数；将探头C第k帧的观测星矢量信息与探头A第k+1帧的观测星矢量信息配准、融合、解算输出四元数。

即，将探头A在T₀+kT时刻曝光得到的定姿星与探头B在T₀+(k+1/3)T 时刻曝光得到的定姿星进行时空配准星矢量融合；将探头B在T₀+(k+1/3)T 时刻曝光得到的定姿星与探头C在T₀+(k+2/3)T时刻曝光得到的定姿星进行星矢量融合；将探头C在T₀+(k+2/3)T时刻曝光得到的定姿星与探头A在 T₀+(k+1)T时刻曝光得到的定姿星进行星矢量融合；k＝0,1,2,…。

(7)以此流水线工作，输出姿态四元数。

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 (6)

1.一种基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、控制星敏感器的各探头异步曝光采集图像；

S2、由星跟踪算法确定定姿星，解算各探头的姿态四元数；

S3、对参与融合的定姿星观测星矢量做时空配准；

S4、将相邻曝光时刻的两探头视场内的定姿星信息，进行星矢量级融合并解算姿态四元数；

S5、将融合后的姿态四元数转到参考坐标系下输出。

2.如权利要求1所述基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，其特征在于，三个探头以T/3为时间间隔的曝光控制时序依次启动曝光，T为前一拍曝光起始时刻与后一拍曝光起始时刻之间的时长。

3.如权利要求1所述基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，其特征在于，曝光结束后，保存采集的星图到指定位置；由质心提取算法对采集的星图提取探测星星点质心数据，由星图识别算法确定导航星，由星跟踪算法确定定姿星。

4.如权利要求1所述基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，其特征在于，根据定姿星观测星矢量、对应的导航星在天球坐标系下的参考星矢量，解算单个探头的姿态四元数。

5.如权利要求2所述基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，其特征在于，第一探头的第k帧的观测星矢量，与第二探头的第k帧的观测星矢量做时间空间配准、融合、解算输出四元数；第二探头的第k帧的观测星矢量，与第三探头的第k帧的观测星矢量做时间空间配准、融合、解算输出四元数；第三探头的第k帧的观测星矢量，与第一探头的第k+1帧的观测星矢量做时间空间配准、融合、解算输出四元数；k＝0,1,2,…。

6.如权利要求1所述基于异步曝光的高精度星敏感器数据融合方法，其特征在于，进行视场融合的每两个探头中，一个探头作为基准探头，将另一个探头的姿态四元数的逆与基准探头的姿态四元数相乘得到时空配准关系的四元数，进而得到对应的时空转换矩阵，来获取所述另一个探头的探测星点在基准探头坐标系下的观测矢量，对这两个探头所有定姿星做星矢量级融合。