CN112611372B - 用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，涉及星图识别技术领域，包括：星敏感器本体，包括底座和遮光罩；切片式衍射星芒镜，设置于遮光罩的中空结构中，切片式衍射星芒镜用于采集星点图像并对星点图像进行衍射处理，使星点图像形成星芒图像；CMOS探测器，设置于切片式衍射星芒镜与底座之间；光学镜头组件，设置于遮光罩的中空结构中，且位于切片式衍射星芒镜和CMOS探测器之间；信号处理器，与CMOS探测器电连接，用于接收CMOS探测器发送的电信号，并根据电信号计算星芒图像中的星点位置。如此，有利于提高星点定位的准确性，同时有利于保证航天器的姿态测量和控制的需求。

Description

用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置

技术领域

本发明涉及星图识别技术领域，更具体地，涉及一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置。

背景技术

星敏感器是一种高精度的姿态敏感控制测量仪器，是卫星姿态控制系统中的一个很重要的组成部分。它通过光学成像系统对星空进行成像，测量恒星矢量在星敏感器坐标系中的分量，并能够利用已知的恒星精确定位位置来确定载体相对于惯性坐标系的三轴姿态。作为光测设备的星敏感器，可以通过光电和射电方式被动的去探测自然天体的方位信息，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，通过星惯联合制导或者星光制导的方式提升导航的精度和可靠性，进而提高飞机、舰船、导弹等武器系统的战场生存能力。

然而，仅采用传统的星敏感器来确定航空航天器姿态是存在缺陷的，在航天器移动速度很快或者翻滚的情况下，则会导致航天器中星敏感器的恒星相机的视场变化太快而无法聚焦，恒星的形状会变得模糊，为不规则斑点形状，将无法由恒星相机充分解析，无法确定恒星位置，进而无法与已知星型的恒星目录正确比较，对航天器姿态确定造成较大困难。并且，星敏感器受背景杂散光的影响较大，只能用于外空间或者夜间测星，但是随着导航技术发展，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。白天恒星会受到强烈的大气辐射和大气湍流光学效应的影响导致恒星目标灰度闪烁变化、质心漂移、降低恒星成像的信噪比等，从而严重影响星敏感器的单星测量精度，进一步彻底影响光轴的指向精度、姿态角的测量精度以及系统噪声等，难以实现恒星星点的高效提取和高精度测量。

可以看出，航天器姿态控制的关键问题在于星点的定位，而星点定位精确度主要由两方面决定，分别是定位算法和星敏感器系统构造。基于此，亟待发明一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，以提升星点定位的准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，解决现有技术中的星敏感器星点质心定位的质心漂移问题，可获取到高精度的星点位置信息，有利于提高星点定位的准确性，同时有利于保证航天器的姿态测量和控制的需求。

本申请提供一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，包括：

星敏感器本体，包括底座和遮光罩，所述遮光罩设置于所述底座的一侧，所述遮光罩为中空结构；

切片式衍射星芒镜，设置于所述遮光罩的所述中空结构中，所述切片式衍射星芒镜用于采集星点图像并对星点图像进行衍射处理，使星点图像形成星芒图像；

CMOS探测器，设置于切片式衍射星芒镜与所述底座之间，所述CMOS探测器用于将光信号转换为电信号；

光学镜头组件，设置于所述遮光罩的所述中空结构中，且位于所述切片式衍射星芒镜和所述CMOS探测器之间，所述光学镜头组件用于将与所述星芒图像对应的星点发出的辐射光聚焦在所述CMOS探测器的靶面上；

信号处理器，与所述CMOS探测器电连接，用于接收所述CMOS探测器发送的电信号，并根据所述电信号计算所述星芒图像中的星点位置。

可选地，其中：

所述切片式衍射星芒镜为切片式四线星芒镜。

可选地，其中：

所述前置板位于所述底座朝向所述遮光罩的一侧，且所述CMOS探测器安装在所述前置板朝向所述遮光罩的一侧。

可选地，其中：

所述切片式衍射星芒镜用于采集星点图像并对星点图像进行衍射处理，使星点图像形成星芒图像，具体为：

所述切片式衍射星芒镜用于采集星点图像，对所述星点图像进行傅里叶变换得到第一频谱图像，并将所述第一频谱图像与所述切片式衍射星芒镜的第二频谱图像进行卷积，再逆傅里叶变换得到星芒图像。

可选地，其中：

将所述第一频谱图像与所述切片式衍射星芒镜的第二频谱图像进行卷积所对应的计算公式为：

其中，F(m,n)为所述第一频谱图像，X(u-m,v-n)为所述第二频谱图像，m表示第一频谱图像的像素所在的横坐标，n表示第一频谱图像的像素所在的纵坐标，u表示第二频谱图像的像素所在的横坐标，v表示第二频谱图像的像素所在的纵坐标。

可选地，其中：

根据所述电信号计算所述星芒图像中的星点位置，具体为：

遍历所述星芒图像中所有行和列，获取灰度值突变的行和列，对应的计算公式为：

其中，(x,y)为所述星点位置，col 1和col2为灰度值突变的行，row1和row2为灰度值突变的列。

可选地，其中：

还包括通信接口，所述通信接口与所述信号处理器电连接，所述通信接口设置于所述底座上。

与现有技术相比，本发明提供的一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，至少实现了如下的有益效果：

本申请提供所提供的一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，包括星敏感器本体、切片式星芒镜、CMOS探测器、光学镜头组件和信号处理器，其中，星敏感器本体包括遮光罩和底座，切片式星芒镜、光学镜头组件和CMOS探测器依次设置于上述遮光罩的中空结构中。本发明所提供的星敏感器点光源衍射星芒装置中加入了切片式星芒镜，能够采集星点图像并对星点图像进行衍射处理而形成星芒图像，根据该星芒图像进行星点定位，解决了现有技术中的星敏感器质心定位的质心漂移的问题，能够获取到高精度的星点位置信息，因而有利于提升星点定位的精度，进而有利于保证航天器的姿态测量和控制的需求，可推广至中高轨卫星平台，大大扩展了产品的应用范围及使用价值。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1所示为本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置的一种立体结构图；

图2所示为本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置的整体结构示意图；

图3所示为本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置切片式衍射星芒镜的一种俯视图；

图4所示为利用本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置对星点的定位效果图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

现有技术中，仅采用传统的星敏感器来确定航空航天器姿态是存在缺陷的，在航天器移动速度很快或者翻滚的情况下，则会导致航天器中星敏感器的恒星相机的视场变化太快而无法聚焦，恒星的形状会变得模糊，为不规则斑点形状，将无法由恒星相机充分解析，无法确定恒星位置，进而无法与已知星型的恒星目录正确比较，对航天器姿态确定造成较大困难。

有鉴于此，本发明提供了一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，解决现有技术中的星敏感器星点质心定位的质心漂移问题，可获取到高精度的星点位置信息，有利于提高星点定位的准确性，同时有利于保证航天器的姿态测量和控制的需求。

图1所示为本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置的一种立体结构图，图2所示为本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置的整体结构示意图，请参见图1和图2，本发明提供一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，包括：

星敏感器本体，包括底座001和遮光罩002，所述遮光罩002设置于所述底座001的一侧，所述遮光罩002为中空结构；

切片式衍射星芒镜003，设置于所述遮光罩002的所述中空结构中，所述切片式衍射星芒镜003用于采集星点图像并对星点图像进行衍射处理，使星点图像形成星芒图像；

CMOS探测器005，设置于切片式衍射星芒镜003与所述底座001之间，所述CMOS探测器005用于将光信号转换为电信号；

光学镜头组件004，设置于所述遮光罩002的所述中空结构中，且位于所述切片式衍射星芒镜003和所述CMOS探测器005之间，所述光学镜头组件004用于将与所述星芒图像对应的星点发出的辐射光聚焦在所述CMOS探测器005的靶面上；

信号处理器007，与所述CMOS探测器005电连接，用于接收所述CMOS探测器005发送的电信号，并根据所述电信号计算所述星芒图像中的星点位置。

需要说明的是，图1和图2仅对本发明中用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置的结构进行了示意，并不代表各个组成部件的实际尺寸，另外图1和图2也仅对本发明中的星敏感器点光源衍射星芒装置的部分结构进行了示意，并未示出该装置的所有结构部件，对于该星敏感器点光源衍射星芒装置的其他结构部件，可参见现有技术的结构部件，本发明对此不进行具体限定。

请继续参见图1和图2，本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，包括星敏感器本体、切片式衍射星芒镜003、CMOS探测器005、光学镜头组件004和信号处理器007，其中，星敏感器本体包括底座001和设置于该底座001一侧的遮光罩002，遮光罩002具备遮光的功能，避免杂散光线的干扰。遮光罩002为中空结构，沿着遮光罩002指向底座001的方向，在遮光罩002的中空结构中依次设置有切片式衍射星芒镜003、光学镜头组件004和CMOS探测器005，其中，切片式衍射星芒镜003用于采集星点图像，例如采集星空中的恒星的星点图像，并对星点图像进行衍射处理，使星点图像形成星芒图像。光学镜头组件004用于将星芒图像对应的星点发出的辐射光聚焦在CMOS探测器005的靶面上。CMOS探测器005在接收到光信号后，将光信号转换为电信号，并将电信号传输至信号处理器007。信号处理器007用于根据电信号计算星芒图像中的星点位置。

可以理解地，衍射现象是光传播过程中的一类典型现象，是波粒二象性中的波动性的重要体现，而“星芒”现象是点光源周围出现多条沿着特定方向延伸的“光线”的一种衍射现象。星芒镜又被称为星光镜，是相机滤镜的一种，其本质实在无色光学玻璃表面有规则的蚀刻一系列平行线条，产生的光的衍射作用后形成的以发光点为中心的光芒四射的效果。根据发散星芒数量，可以分为2线、4线、6线、8线等星芒镜。在星敏感器定位星点时，如果能使亮星光源通过星芒镜，使其发生衍射而产生星芒，星芒线的交点即是亮星的精确位置，大大提升由质心定位星点的方法的精度。

因此，本发明所提供的星敏感器点光源衍射星芒装置中加入了切片式星芒镜，能够采集星点图像并对星点图像进行衍射处理而形成星芒图像，根据该星芒图像进行星点定位，解决了现有技术中的星敏感器质心定位的质心漂移的问题，能够获取到高精度的星点位置信息，因而有利于提升星点定位的精度，进而有利于保证航天器的姿态测量和控制的需求，可推广至中高轨卫星平台，大大扩展了产品的应用范围及使用价值。

在本发明的一种可选实施例中，请结合图1-图2，本发明所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置中，所述切片式衍射星芒镜003为切片式四线星芒镜，切片式四线星芒镜的结构可参见图3，其中，图3所示为本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置切片式衍射星芒镜003的一种俯视图。

具体而言，本发明中的切片式衍射星芒镜003可通过在四线星芒镜的四个顶角处进行切面得到，实现对星点衍射产生星芒现象。切片式四线星芒镜使得星点产生四线“星芒”图像来进行星点定位，所以具备定位精度高的特点，使本发明中的星敏感器点光源衍射星芒装置能够有效保证卫星姿态测量和控制的精度需求。

当然，在本发明的一些其他实施例中，还可根据发散星芒的数量选用6线、8线等星芒镜作为本发明中的切片式衍射星芒镜。

在本发明的一种可选实施例中，请继续参见图2，本发明所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置还包括前置板006，所述前置板006位于所述底座001朝向所述遮光罩002的一侧，且所述CMOS探测器005安装在所述前置板006朝向所述遮光罩002的一侧。

本发明所提供的星敏感器点光源衍射装置可搭载在航空航天器中来确定航空航天器的姿态。请参见图2，本发明在星敏感器本体的底座001朝向遮光罩002的一侧引入前置板006，该前置板006用于安装CMOS探测器005。前置板006的引入更加方便CMOS探测器005的安装，使探测器在本发明的星敏感器点光源衍射星芒装置中可靠固定，有效避免星敏感器点光源衍射星芒装置在航天器移动速度很快或者翻滚的情况下，导致CMOS探测器005与星芒装置发生脱离的现象，因而有利于提升CMOS探测器005的固定可靠性，进而有利于提升本发明中星敏感器点光源衍射星芒装置的结构稳定性。

在本发明的一种可选实施例中，请结合图1-图2，所述切片式衍射星芒镜003用于采集星点图像并对星点图像进行衍射处理，使星点图像形成星芒图像，具体为：

所述切片式衍射星芒镜003用于采集星点图像，对所述星点图像进行傅里叶变换得到第一频谱图像，并将所述第一频谱图像与所述切片式衍射星芒镜003的第二频谱图像进行卷积，再逆傅里叶变换得到星芒图像。

具体而言，本发明所提供的切片式衍射星芒镜003在采集到星点图像后，能够对星点图像进行傅里叶变换而得到第一频谱图像，假设本发明中切片式衍射星芒镜003的频谱图像为第二图像，该切片式衍射星芒镜003能够将第一频谱图像和第二频谱图像进行卷积以及逆傅里叶变换，进而得到星芒图像。在星敏感器点光源衍射星芒装置在定位星点时，如果能时亮星光源发生衍射而产生星芒，通过星芒线的交点即可获得亮星的精确位置。本发明中的切片式衍射星芒镜003能够将星点图像转换为星芒图像，进而为星点位置的定位提供了计算基础，因而大大提升了由质心定位星点的方法的精度。

在本发明的一种可选实施例中，将所述第一频谱图像与所述切片式衍射星芒镜的第二频谱图像进行卷积所对应的计算公式为：

其中，F(m,n)为所述第一频谱图像，X(u-m,v-n)为所述第二频谱图像，m表示第一频谱图像的像素所在的横坐标，n表示第一频谱图像的像素所在的纵坐标，u表示第二频谱图像的像素所在的横坐标，v表示第二频谱图像的像素所在的纵坐标。

具体而言，本发明采用上述计算公式对星点图像对应的第一频谱图像和切片式衍射星芒镜003对应的第二频谱图像进行卷积，得到的结果较为准确，因而使得基于上述卷积计算再进行逆傅里叶变换而得到的星芒图像与实际的星点更为匹配，进而使得根据该星芒图像计算得到的星点位置更为精确，因此更有利于改进目前星敏感器获取星点以及卫星姿态控制的准确度，有效解决了星敏感器星点质心定位的质心漂移问题。

在本发明的一种可选实施例中，根据所述电信号计算所述星芒图像中的星点位置，具体为：

遍历所述星芒图像中所有行和列，获取灰度值突变的行和列，对应的计算公式为：

其中，(x,y)为所述星点位置，col 1和col2为灰度值突变的行，row1和row2为灰度值突变的列。

请参见图4，图4所示为利用本发明实施例所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置对星点的定位效果图。通过上述计算方法可精确计算出星点位置，有效提升了星点定位的精确度，从而有效保证卫星姿态测量和控制的精度要求。

在本发明的一种可选实施例中，请参见图2，本发明所提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置还包括通信接口009，所述通信接口009与所述信号处理器007电连接，所述通信接口009设置于所述底座001上。

在星敏感器点光源衍射星芒装置上引入通信接口009，可使得星敏感器点光源衍射星芒装置利用通信接口009与外部的设备实现连接和信号传输。可选地，本发明所提供的星敏感器点光源衍射星芒装置还包括电源008，该电源008用于为星敏感器点光源衍射星芒装置中的电学器件进行供电。

可选地，本发明所提供的星敏感器点光源衍射星芒装置中，遮光罩包括遮光罩壳体以及设置在遮光罩壳体内部的多个遮光板。

可选地，本发明所提供的星敏感器点光源衍射星芒装置中，光学镜头组件包括光学镜片和镜片保护罩，该镜片保护罩透光能力强，并设置在光学镜头远离底座的一侧，用以对光学镜片进行保护。

本发明所提供的星敏感器点光源衍射星芒装置，还具备体积重量小，成本功耗低的优点，而且在其内部安装有切片式衍射星芒镜，可以使得星点产生四线“星芒”图像来进行星点定位，所以同时具备定位精度高的特点，该星敏感器装置能够有效保证卫星姿态测量和控制的精度需求。

通过上述实施例可知，本发明提供的用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，至少实现了如下的有益效果：

本申请提供所提供的一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，包括星敏感器本体、切片式星芒镜、CMOS探测器、光学镜头组件和信号处理器，其中，星敏感器本体包括遮光罩和底座，切片式星芒镜、光学镜头组件和CMOS探测器依次设置于上述遮光罩的中空结构中。本发明所提供的星敏感器点光源衍射星芒装置中加入了切片式星芒镜，能够采集星点图像并对星点图像进行衍射处理而形成星芒图像，根据该星芒图像进行星点定位，解决了现有技术中的星敏感器质心定位的质心漂移的问题，能够获取到高精度的星点位置信息，因而有利于提升星点定位的精度，进而有利于保证航天器的姿态测量和控制的需求，可推广至中高轨卫星平台，大大扩展了产品的应用范围及使用价值。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于星点位置精确提取的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，包括：

星敏感器本体，包括底座和遮光罩，所述遮光罩设置于所述底座的一侧，所述遮光罩为中空结构；

切片式衍射星芒镜，设置于所述遮光罩的所述中空结构中，所述切片式衍射星芒镜用于采集星点图像并对星点图像进行衍射处理，使星点图像形成星芒图像，具体为：所述切片式衍射星芒镜用于采集星点图像，对所述星点图像进行傅里叶变换得到第一频谱图像，并将所述第一频谱图像与所述切片式衍射星芒镜的第二频谱图像进行卷积，再逆傅里叶变换得到星芒图像；

CMOS探测器，设置于切片式衍射星芒镜与所述底座之间，所述CMOS探测器用于将光信号转换为电信号；

光学镜头组件，设置于所述遮光罩的所述中空结构中，且位于所述切片式衍射星芒镜和所述CMOS探测器之间，所述光学镜头组件用于将与所述星芒图像对应的星点发出的辐射光聚焦在所述CMOS探测器的靶面上；

信号处理器，与所述CMOS探测器电连接，用于接收所述CMOS探测器发送的电信号，并根据所述电信号计算所述星芒图像中的星点位置。

2.根据权利要求1所述的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，所述切片式衍射星芒镜为切片式四线星芒镜。

3.根据权利要求1所述的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，还包括前置板，所述前置板位于所述底座朝向所述遮光罩的一侧，且所述CMOS探测器安装在所述前置板朝向所述遮光罩的一侧。

4.根据权利要求1所述的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，将所述第一频谱图像与所述切片式衍射星芒镜的第二频谱图像进行卷积所对应的计算公式为：

其中，F(m,n)为所述第一频谱图像，X(u-m,v-n)为所述第二频谱图像，m表示第一频谱图像的像素所在的横坐标，n表示第一频谱图像的像素所在的纵坐标，u表示第二频谱图像的像素所在的横坐标，v表示第二频谱图像的像素所在的纵坐标。

5.根据权利要求1所述的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，根据所述电信号计算所述星芒图像中的星点位置，具体为：

遍历所述星芒图像中所有行和列，获取灰度值突变的行和列，对应的计算公式为：

其中，(x,y)为所述星点位置，col 1和col 2为灰度值突变的行，row 1和row 2为灰度值突变的列。

6.根据权利要求1所述的星敏感器点光源衍射星芒装置，其特征在于，还包括通信接口，所述通信接口与所述信号处理器电连接，所述通信接口设置于所述底座上。