CN112729276A - 星敏感器的星点提取系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种星敏感器的星点提取方法，该方法包含：建立动态条件下的星点能量分布模型；预测星点当前时刻坐标，以星点当前时刻坐标为中心开窗口；以动态条件下的星点能量分布模型为模板，在窗口中逐点计算相关性，取相关性最大区域作为星点所在区域；以动态条件下的星点能量分布模型覆盖所述星点所在区域，利用灰度加权的质心法计算星点坐标。本发明利用星敏感器动态模型作为模板，以相关性大小为依据，保证了大动态条件下星敏感器星点提取率与提取精度，提高星敏感器的动态性能。

Description

星敏感器的星点提取系统及方法

技术领域

本发明涉及空间控制技术，具体涉及一种星敏感器的星点提取系统及方法。

背景技术

星敏感器的动态性是指在航天器以一定角速度转动的情况下，星敏感器对这种转动的适应能力，是星敏感器的一项重要指标。卫星在初始入轨、机动、大角度调姿等大动态场合对于星敏感器动态性能的要求，星敏感器在空间机动平台、导弹等高机动性航天器上更多的应用都对星敏感器的动态性能提出了更高的要求。

提高星敏感器动态性的难点如下。由于星敏感器成像是能量积分的过程，其成像像斑(星点)的能量分布与曝光时间和星敏感器角速度有关。在静态或低速情况下，星点能量分布呈高斯弥散斑。在大动态，即星敏感器角速度达到5°/S及以上，的条件下，由于运动，星点的能量分布不再是近圆形的弥散斑，而是条带形像斑，称为“拖尾”现象。对于当前常规的星点提取方法主要依据图像灰度阈值和连通域为判据提取星点，对于大动态条件下星点提取能力不强。主要难点在于，当曝光时间较长时，星点“拖尾”过长极易导致断裂，将星点轨迹分为若干段，导致常规星点提取方法提取失败；缩短曝光时间后，可缩短星点拖尾，减少断裂的可能性，但会导致探测器接收的星点总能量变少，信噪比降低，从而导致星点难以提取。

发明内容

本发明提供一种星敏感器的星点提取系统及方法，提高星敏感器在大动态条件下的星点提取率与星点定位提取精度。

为实现上述目的，本发明提供一种星敏感器的星点提取方法，其特点是，该方法包含：

建立动态条件下的星点能量分布模型；

预测星点当前时刻坐标，以星点当前时刻坐标为中心开窗口；

以动态条件下的星点能量分布模型为模板，在窗口中逐点计算相关性，取相关性最大区域作为星点所在区域；

以动态条件下的星点能量分布模型覆盖所述星点所在区域，利用灰度加权的质心法计算星点坐标。

上述动态条件下的星点能量分布模型w’建立如下式(1)和(2)：

w'(x,y)＝h_xy(x,y)*w(x,y) (1)

式(1)中，w为常态下的星点能量分布模型，h_xy为退化函数，h_xy如式(2)：

式(2)中，(x,y)为星敏感器像平面坐标系坐标点，ω_xy为星敏感器旋转角速度，α为角速度与像平面坐标系x轴夹角，t为星敏感器曝光时间，f为镜头焦距，d为探测器像元尺寸，L_xy为星点长度。

上述星点当前时刻坐标(x₁,y₁)由上一时刻星点坐标(x₀,y₀)计算得到，如下式(3)：

式(3)中ω_x为绕x轴转动角速率，ω_y为绕y轴转动角速率，t_f为星敏感器帧间隔时间，d为探测器像元尺寸，f为镜头焦距。

上述逐点计算相关性的方法包含：

以动态条件下的星点能量分布模型w'为模板，在窗口f(x,y)中，采用图像配准的方法，对窗口中每一坐标点逐个求取相关性；

其中，计算某一坐标点(x,y)相关性时，在窗口f(x,y)中移动动态条件下的星点能量分布模型w'，使w'的原点和该坐标点重合，该点的相关性c(x,y)的计算方法如式(4)所示

式(4)中，x＝0,1,2,…,N-K，y＝0,1,2,…,M-J，i,j为坐标值，窗口大小为M×N，星点能量分布模型w'大小为J×K，其中坐标系原点均位于图像的左上角；

其中，相关性最大的点所代表的区域为星点所在区域s。

上述计算星点坐标包含：

用动态条件下的星点能量分布模型w'覆盖星点所在区域s，依据式(5)，利用灰度加权的质心法计算星点质心在星点所在区域s内的坐标(x_s,y_s)：

根据星点所在区域s在窗口f(x,y)内的坐标(x_f,y_f)，依据式(6)计算星点坐标(x_c,y_c)：

(x_c,y_c)＝(x_f,y_f)+(x_s,y_s) (6)。

一种适用于上述星敏感器的星点提取方法的星点提取系统，其特点是，该系统包含：

星点能量分布模型生成模块，其基于星敏感器旋转角速度和常态下的星点能量分布模型建立动态条件下的星点能量分布模型；

窗口生成模块，其根据星点上一时刻坐标得到星点当前时刻坐标，以星点当前时刻坐标为中心开窗口；

星点所在区域确定模块，其以动态条件下的星点能量分布模型为模板，在窗口中逐点计算相关性，取相关性最大的区域为星点所在区域；

星点坐标获取模块，其以动态条件下的星点能量分布模型覆盖星点所在区域，利用灰度加权的质心法获取星点坐标。

本发明星敏感器的星点提取系统及方法和现有技术相比，其优点在于，本发明不同于现有的基于阈值分割和连通域判定的星点提取方法，利用星敏感器动态模型作为模板，以相关性大小为依据，保证了大动态条件下星敏感器星点提取率与提取精度，提高星敏感器的动态性能。

附图说明

图1为本发明星敏感器的星点提取方法的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图1和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的星敏感器的星点提取方法、星点提取系统、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种星敏感器的星点提取方法、星点提取系统、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的星敏感器的星点提取方法、星点提取系统、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。

如图1所示，本发明揭示了一种大动态条件下星敏感器的星点提取方法，该方法具体包含以下步骤：

S1、建立动态条件下的星点能量分布模型。依据式(1)，由星敏感器旋转角速度ω和常态下的星点能量分布模型w建立大小为J×K的星点图像退化函数模型w'，即动态条件下的星点能量分布模型。上述动态条件下的星点能量分布模型w’建立如下式(1)：

w'(x,y)＝h_xy(x,y)*w(x,y) (1)

式(1)中，w为常态下的星点能量分布模型，h_xy为退化函数，h_xy如式(2)：

式(2)中，(x,y)为星敏感器像平面坐标系坐标点，ω_xy为星敏感器旋转角速度，α为角速度与像平面坐标系x轴夹角，t为星敏感器曝光时间，f为镜头焦距，d为探测器像元尺寸，，L_xy为星点长度。

S2、预测星点当前时刻坐标(x₁,y₁)，以星点当前时刻坐标(x₁,y₁)为中心，开大小为M×N窗口f(x,y)。

这里，星点当前时刻坐标(x₁,y₁)依据式(3)，由上一时刻星点坐标(x₀,y₀)计算得到，式(3)如下：

式(3)中ω_x为绕x轴转动角速率，ω_y为绕y轴转动角速率，t_f为星敏感器帧间隔时间，d为探测器像元尺寸，f为镜头焦距。

S3、以动态条件下的星点能量分布模型w'为模板，在窗口f(x,y)中，采用图像配准的方法，对窗口中每一坐标点逐个计算相关性，取相关性最大区域作为星点所在区域s。

其中，计算某一坐标点(x,y)相关性时，在窗口f(x,y)中移动动态条件下的星点能量分布模型w'，使w'的原点和该坐标点重合，该点的相关性c(x,y)的计算方法如式(4)所示：

式(4)中，x＝0,1,2,…,N-K，y＝0,1,2,…,M-J，i,j为坐标值，窗口大小为M*N，星点能量分布模型w'大小为J*K，其中坐标系原点均位于图像的左上角；

其中，相关性最大的点所代表的区域为星点所在区域s。

S4、计算星点质心坐标(x_c,y_c)。

具体的，以动态条件下的星点能量分布模型w'覆盖所述星点所在区域s，依据式(5)，利用灰度加权的质心法计算星点质心在星点所在区域s内星点坐标(x_s,y_s)：

根据星点所在区域s在窗口f(x,y)内的坐标(x_f,y_f)，依据式(6)计算星点坐标，即星点质心坐标，(x_c,y_c)：

(x_c,y_c)＝(x_f,y_f)+(x_s,y_s) (6)。

进一步的，本发明还公开一种适用于上述星敏感器的星点提取方法的星点提取系统，该系统包含：

星点能量分布模型生成模块，其基于星敏感器旋转角速度和常态下的星点能量分布模型建立动态条件下的星点能量分布模型；

窗口生成模块，其根据星点上一时刻坐标得到星点当前时刻坐标，以星点当前时刻坐标为中心开窗口；

星点所在区域确定模块，其以动态条件下的星点能量分布模型为模板，在窗口中逐点计算相关性，取相关性最大的区域为星点所在区域；

星点坐标获取模块，其以动态条件下的星点能量分布模型覆盖星点所在区域，利用灰度加权的质心法获取星点坐标。

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)

1.一种星敏感器的星点提取方法，其特征在于，该方法包含：

建立动态条件下的星点能量分布模型；

预测星点当前时刻坐标，以星点当前时刻坐标为中心开窗口；

以所述动态条件下的星点能量分布模型为模板，在所述窗口中逐点计算相关性，取相关性最大区域作为星点所在区域；

以所述动态条件下的星点能量分布模型覆盖所述星点所在区域，利用灰度加权的质心法计算星点坐标。

2.如权利要求1所述的星敏感器的星点提取方法，其特征在于，所述动态条件下的星点能量分布模型w’建立如下式(1)：

w'(x,y)＝h_xy(x,y)*w(x,y) (1)

式(1)中，w为常态下的星点能量分布模型，h_xy为退化函数，h_xy如式(2)：

式(2)中，(x,y)为星敏感器像平面坐标系坐标点，ω_xy为星敏感器旋转角速度，α为角速度与像平面坐标系x轴夹角，t为星敏感器曝光时间，f为镜头焦距，d为探测器像元尺寸，L_xy为星点长度。

3.如权利要求1所述的星敏感器的星点提取方法，其特征在于，所述星点当前时刻坐标(x₁,y₁)由上一时刻星点坐标(x₀,y₀)计算得到，如下式(3)：

式(3)中ω_x为绕x轴转动角速率，ω_y为绕y轴转动角速率，t_f为星敏感器帧间隔时间，d为探测器像元尺寸，f为镜头焦距。

4.如权利要求1所述的星敏感器的星点提取方法，其特征在于，所述逐点计算相关性的方法包含：

以动态条件下的星点能量分布模型w'为模板，在窗口f(x,y)中，采用图像配准的方法，对窗口中每一坐标点逐个求取相关性；

其中，计算某一坐标点(x,y)相关性时，在窗口f(x,y)中移动动态条件下的星点能量分布模型w'，使w'的原点和该坐标点重合，该点的相关性c(x,y)的计算方法如式(4)所示

式(4)中，x＝0,1,2,…,N-K，y＝0,1,2,…,M-J，i,j为坐标值，窗口大小为M×N，星点能量分布模型w'大小为J×K，其中坐标系原点均位于图像的左上角；

其中，相关性最大的点所代表的区域为星点所在区域s。

5.如权利要求4所述的星敏感器的星点提取方法，其特征在于，所述计算星点坐标包含：

用动态条件下的星点能量分布模型w'覆盖星点所在区域s，依据式(5)，利用灰度加权的质心法计算星点质心在星点所在区域s内的坐标(x_s,y_s)：

根据星点所在区域s在窗口f(x,y)内的坐标(x_f,y_f)，依据式(6)计算星点坐标(x_c,y_c)：

(x_c,y_c)＝(x_f,y_f)+(x_s,y_s) (6)。

6.一种适用于权利要求1至5中任意一项权利要求所述星敏感器的星点提取方法的星点提取系统，其特征在于，该系统包含：

星点能量分布模型生成模块，其基于星敏感器旋转角速度和常态下的星点能量分布模型建立动态条件下的星点能量分布模型；

窗口生成模块，其根据星点上一时刻坐标得到星点当前时刻坐标，以星点当前时刻坐标为中心开窗口；

星点所在区域确定模块，其以动态条件下的星点能量分布模型为模板，在窗口中逐点计算相关性，取相关性最大的区域为星点所在区域；

星点坐标获取模块，其以动态条件下的星点能量分布模型覆盖星点所在区域，利用灰度加权的质心法获取星点坐标。

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