CN114076596A - 一种基于星敏感器的自主星跟踪方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种基于星敏感器的自主星跟踪方法、系统及存储介质 Download PDF

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CN114076596A CN202111331931.6A CN202111331931A CN114076596A CN 114076596 A CN114076596 A CN 114076596A CN 202111331931 A CN202111331931 A CN 202111331931A CN 114076596 A CN114076596 A CN 114076596A
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star sensor
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何昕
张磊
何家维
穆治亚
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Abstract

本申请提供的基于星敏感器的自主星跟踪方法及系统，根据高动态条件下星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度，在此基础上对星敏感器的姿态进行预测，进而得到星点在图像中的预测质心坐标，并将星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪，本发明基于星敏感器的自主星跟踪方法及系统，使星敏感器在高动态条件下能够实现自主星跟踪，既发挥了星敏感器自主导航的优势，又解决了高动态条件下星跟踪的成功率和效率降低的问题，易于实现。

Description

一种基于星敏感器的自主星跟踪方法、系统及存储介质
技术领域
本发明属于天文导航技术领域，具体涉及一种基于星敏感器的自主星跟踪方法、系统及存储介质。
背景技术
星敏感器是一种以恒星为测量对象的姿态测量仪器，其具有重量轻、体积小、功耗低、精度高、抗干扰性强、可不依赖于其它系统进行自主导航等优点，目前已经在深空探测以及天文导航等空间任务中得到了广泛的应用。星敏感器有初始姿态捕获和星跟踪两种工作模式。在初始姿态捕获模式下，星敏感器通过星点质心定位，全天球星图识别和姿态解算获得初始姿态。在获得初始姿态后，星敏感器便进入星跟踪模式。在该模式下，星敏感器无需进行全天球星图识别，只需通过相邻帧之间的星跟踪即可识别图像中的星点目标，进而进行姿态解算。星敏感器通常在载体平稳飞行的阶段工作，当星敏感器工作于载体初始入轨、机动、大角度调姿等高动态场合时，相邻帧图像中星点的位置变化比较大，造成星敏感器跟踪星点目标的难度加大，导致星跟踪的成功率和效率降低。
目前，国内外的许多研究机构都已经提出了高动态条件下星敏感器的星跟踪方法，但大多都需要依托惯导、加速度计等其它系统提供的角速度信息才能实现。然而，不依赖于其它系统进行自主导航是星敏感器最重要的能力之一，无法实现自主导航将会严重限制星敏感器的应用。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种解决现有无法实现星敏感器自主星跟踪的基于星敏感器的自主星跟踪方法。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
本申请提供了一种基于星敏感器的自主星跟踪方法，包括下述步骤：
根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型；
根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度；
根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系；
根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标；
将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪。
在其中一些实施例中，在根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型的步骤中，具体包括下述步骤：
假设在t0时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure BDA0003349124150000021
在t0+Δt时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure BDA0003349124150000022
Δt＜＜T,T为星敏感器的曝光时间)，则星点质心的运动模型可以近似表示为：
Figure BDA0003349124150000023
其中，f为星敏感器的焦距，w＝[wx wy wz]T为星敏感器的角速度矢量。
在其中一些实施例中，在根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度的步骤中，具体包括下述步骤：
曝光时间内图像中星点的像素在x方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure BDA0003349124150000031
和
Figure BDA0003349124150000032
在y方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure BDA0003349124150000033
和
Figure BDA0003349124150000034
通过下述公式，计算得到星敏感器在x,y方向上的角速度wx,wy：
Figure BDA0003349124150000035
在其中一些实施例中，在根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系的步骤中，具体包括下述步骤：
所述星敏感器的姿态随时间的变化满足：
Figure BDA0003349124150000036
根据上述步骤获取姿态随时间的变化满足：q(t)＝eW·t；
根据上述步骤得到相邻帧之间姿态变化的离散方程：
Figure BDA0003349124150000037
其中，Δtf表示为所述星敏感器相邻帧之间的时间间隔，q(k-1)和q(k)分别代表所述星敏感器在第k-1帧和第k帧的姿态。
在其中一些实施例中，在根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标的步骤中，具体包括下述步骤：
根据所述星敏感器在第k帧的姿态根据下述公式得到其对应的姿态矩阵A(k)：
Figure BDA0003349124150000038
利用所述姿态矩阵A(k)，根据第k-1帧中星点的参考矢量uc(k-1)通过ws(k)＝A(k)uc(k-1)计算得到第k帧中星点的观测矢量ws(k)：
将星点的观测矢量ws(k)通过下述转换公式转换为星点在图像中的质心坐标，即为第k帧中星点的预测质心坐标，所述转换公式如下：
Figure BDA0003349124150000041
在其中一些实施例中，将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪的步骤中，具体包括下述步骤：
在得到第k帧中星点的预测质心坐标后，在其邻域r内搜索第k帧图像中星点的真实质心坐标，若存在唯一匹配则说明该质心坐标为第k-1帧中的星点在第k帧中对应的质心坐标，即完成高动态条件下的星跟踪。
此外，本申请还提供了一种所述的基于星敏感器的自主星跟踪方法的系统，包括：
模型构建单元：用于根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型；
角速度计算单元：用于根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度；
姿态计算单元：用于根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系；
质心坐标单元：用于根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标；
跟踪单元：用于将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪。
另外，本申请还提供了一种存储介质，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行所述基于星敏感器的自主星跟踪方法。
本申请采用上述技术方案具备下述效果：
本申请提供的基于星敏感器的自主星跟踪方法及系统，根据高动态条件下星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度，在此基础上对星敏感器的姿态进行预测，进而得到星点在图像中的预测质心坐标，并将星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪，本发明基于星敏感器的自主星跟踪方法及系统，使星敏感器在高动态条件下能够实现自主星跟踪，既发挥了星敏感器自主导航的优势，又解决了高动态条件下星跟踪的成功率和效率降低的问题，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于星敏感器的自主星跟踪方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例1提供的星敏感器的自主星跟踪方法中星点在图像中像素拖移的示意图。
图3为本发明实施例1提供的星敏感器的自主星跟踪方法中星敏感器姿态测量模型的示意图；
图4为本发明实施例1提供的星敏感器的自主星跟踪方法中相邻帧图像中星点匹配的示意图。
图5为本发明实施例2提供的基于星敏感器的自主星跟踪系统的结构示意图。
图6为本发明实施例3提供的存储介质的结构示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
请参阅图1，为本申请提供的基于星敏感器的自主星跟踪方法的步骤流程图，包括下述步骤：
步骤S110：根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型。
具体地，在根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型的步骤中，包括下述步骤：
假设在t0时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure BDA0003349124150000061
在t0+Δt时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure BDA0003349124150000062
Δt＜＜T,T为星敏感器的曝光时间)，则星点质心的运动模型可以近似表示为：
Figure BDA0003349124150000063
其中，f为星敏感器的焦距，w＝[wx wy wz]T为星敏感器的角速度矢量。
可以理解，相较于x,y方向上的角速度，星敏感器在z方向上的角速度对星点成像的影响较小，一般可以忽略。因此，令wz＝0，此时公式(1)可以表示为：
Figure BDA0003349124150000071
步骤S120：根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度。
请参阅图2，为本申请实施例提供的所述的星敏感器的自主星跟踪方法中星点在图像中像素拖移的示意图。
曝光时间内图像中星点的像素拖移如图2所示，其在x方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure BDA0003349124150000072
和
Figure BDA0003349124150000073
在y方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure BDA0003349124150000074
和
Figure BDA0003349124150000075
将星点在x,y方向上的起始坐标和终止坐标分别代入公式(2)中，可以通过计算得到星敏感器在x,y方向上的角速度wx,wy：
Figure BDA0003349124150000076
步骤S130：根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系。
可以理解，星敏感器的姿态用四元数q＝[q0 q1 q2 q3]T进行描述。在本实施例中，所述星敏感器，其姿态随时间的变化满足：
Figure BDA0003349124150000077
根据公式(4)中的微分方程，可以进一步得到姿态随时间的变化满足：
q(t)＝eW·t (5)
由于星敏感器相邻帧之间的时间间隔Δtf通常为毫秒级，在此期间星敏感器的角速度矢量可以看做是常量，在此基础上解公式(5)中的连续方程，可以得到相邻帧之间姿态变化的离散方程：
Figure BDA0003349124150000081
其中，q(k-1)和q(k)分别代表星敏感器在第k-1帧和第k帧的姿态。
步骤S140：根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标。
在本实施例中，已知星敏感器在第k-1帧的姿态后，通过公式(6)可以得到星敏感器在第k帧的姿态，并进一步得到其对应的姿态矩阵A(k)，方法如下：
Figure BDA0003349124150000082
如图3所示，为本实施例提供的星敏感器的自主星跟踪方法中星敏感器姿态测量模型的示意图。
在本实施例中，利用姿态矩阵A(k)，可以根据第k-1帧中星点的参考矢量uc(k-1)通过计算得到第k帧中星点的观测矢量ws(k)：
ws(k)＝A(k)uc(k-1) (8)
将星点的观测矢量ws(k)转换为星点在图像中的质心坐标，即为第k帧中星点的预测质心坐标，转换方法如下：
Figure BDA0003349124150000083
步骤S150：将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪。
在本实施例中，在得到第k帧中星点的预测质心坐标后，在其邻域r内搜索第k帧图像中星点的真实质心坐标，若存在唯一匹配则说明该质心坐标为第k-1帧中的星点在第k帧中对应的质心坐标，即完成高动态条件下的星跟踪。
如图4所示，为本实施例提供的星敏感器的自主星跟踪方法中相邻帧图像中星点匹配的示意图，灰度框表示为真实质心坐标，黑框表示为预测质心坐标。
本申请上述实施例提供的基于星敏感器的自主星跟踪方法，根据高动态条件下星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度，在此基础上对星敏感器的姿态进行预测，进而得到星点在图像中的预测质心坐标，并将星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪，上述方法，使星敏感器在高动态条件下能够实现自主星跟踪，既发挥了星敏感器自主导航的优势，又解决了高动态条件下星跟踪的成功率和效率降低的问题，易于实现。
实施例2
请参阅图5，为本申请实施例2提供的基于星敏感器的自主星跟踪方法的系统，包括：模型构建单元110、角速度计算单元120、姿态计算单元130、质心坐标单元140及跟踪单元150。以下详细说明各个单元的具体实现方式。
模型构建单元110用于根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型。
具体地，假设在t0时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure BDA0003349124150000091
在t0+Δt时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure BDA0003349124150000092
Δt＜＜T,T为星敏感器的曝光时间)，则星点质心的运动模型可以近似表示为：
Figure BDA0003349124150000101
其中，f为星敏感器的焦距，w＝[wx wy wz]T为星敏感器的角速度矢量。
可以理解，相较于x,y方向上的角速度，星敏感器在z方向上的角速度对星点成像的影响较小，一般可以忽略。因此，令wz＝0，此时公式(1)可以表示为：
Figure BDA0003349124150000102
角速度计算单元120用于根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度。
在本实施例中，曝光时间内图像中星点的像素拖移如图2所示，其在x方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure BDA0003349124150000103
和
Figure BDA0003349124150000104
在y方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure BDA0003349124150000105
和
Figure BDA0003349124150000106
将星点在x,y方向上的起始坐标和终止坐标分别代入公式(2)中，可以通过计算得到星敏感器在x,y方向上的角速度wx,wy：
Figure BDA0003349124150000107
姿态计算单元130：用于根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系。
可以理解，星敏感器的姿态用四元数q＝[q0 q1 q2 q3]T进行描述。
在本实施例中，所述星敏感器，其姿态随时间的变化满足：
Figure BDA0003349124150000108
根据公式(4)中的微分方程，可以进一步得到姿态随时间的变化满足：
q(t)＝eW·t (5)
由于星敏感器相邻帧之间的时间间隔Δtf通常为毫秒级，在此期间星敏感器的角速度矢量可以看做是常量，在此基础上解公式(5)中的连续方程，可以得到相邻帧之间姿态变化的离散方程：
Figure BDA0003349124150000111
其中，q(k-1)和q(k)分别代表星敏感器在第k-1帧和第k帧的姿态。
质心坐标单元140：用于根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标。
在本实施例中，已知星敏感器在第k-1帧的姿态后，通过公式(6)可以得到星敏感器在第k帧的姿态，并进一步得到其对应的姿态矩阵A(k)，方法如下：
Figure BDA0003349124150000112
如图3所示，为本实施例提供的星敏感器的自主星跟踪方法中星敏感器姿态测量模型的示意图。
在本实施例中，利用姿态矩阵A(k)，可以根据第k-1帧中星点的参考矢量uc(k-1)通过计算得到第k帧中星点的观测矢量ws(k)：
ws(k)＝A(k)uc(k-1) (8)
将星点的观测矢量ws(k)转换为星点在图像中的质心坐标，即为第k帧中星点的预测质心坐标，转换方法如下：
Figure BDA0003349124150000113
跟踪单元150：用于将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪。
在本实施例中，在得到第k帧中星点的预测质心坐标后，在其邻域r内搜索第k帧图像中星点的真实质心坐标，若存在唯一匹配则说明该质心坐标为第k-1帧中的星点在第k帧中对应的质心坐标，即完成高动态条件下的星跟踪。
如图4所示，为本实施例提供的星敏感器的自主星跟踪方法中相邻帧图像中星点匹配的示意图，灰度框表示为真实质心坐标，黑框表示为预测质心坐标。
本申请上述实施例提供的基于星敏感器的自主星跟踪系统，根据高动态条件下星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度，在此基础上对星敏感器的姿态进行预测，进而得到星点在图像中的预测质心坐标，并将星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪，上述系统，使星敏感器在高动态条件下能够实现自主星跟踪，既发挥了星敏感器自主导航的优势，又解决了高动态条件下星跟踪的成功率和效率降低的问题，易于实现。
实施例3
请参阅图6，为本发明实施例3提供的存储介质的结构示意图。
在其中一些实施例中，所述存储介质4存储有能够实现上述所有方法的程序文件41，其中，该程序文件41可以以软件产品的形式存储在上述存储介质4中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种基于星敏感器的自主星跟踪方法，其特征在于，包括下述步骤：
根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型；
根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度；
根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系；
根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标；
将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪。
2.根据权利要求1所述的基于星敏感器的自主星跟踪方法，其特征在于，在根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型的步骤中，具体包括下述步骤：
假设在t0时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure FDA0003349124140000011
在t0+Δt时刻，图像中星点的质心坐标为
Figure FDA0003349124140000012
Δt＜＜T,T为星敏感器的曝光时间)，则星点质心的运动模型可以近似表示为：
Figure FDA0003349124140000013
其中，f为星敏感器的焦距，w＝[wx wy wz]T为星敏感器的角速度矢量。
3.根据权利要求2所述的基于星敏感器的自主星跟踪方法，其特征在于，在根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度的步骤中，具体包括下述步骤：
曝光时间内图像中星点的像素在x方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure FDA0003349124140000021
和
Figure FDA0003349124140000022
在y方向上的起始坐标和终止坐标分别为
Figure FDA0003349124140000023
和
Figure FDA0003349124140000024
通过下述公式，计算得到星敏感器在x,y方向上的角速度wx,wy：
Figure FDA0003349124140000025
4.根据权利要求3所述的基于星敏感器的自主星跟踪方法，其特征在于，在根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系的步骤中，具体包括下述步骤：
所述星敏感器的姿态随时间的变化满足：
Figure FDA0003349124140000026
q＝[q0 q1 q2 q3]T；
根据上述步骤获取姿态随时间的变化满足：q(t)＝eW·t；
根据上述步骤得到相邻帧之间姿态变化的离散方程：
Figure FDA0003349124140000027
其中，Δtf表示为所述星敏感器相邻帧之间的时间间隔，q(k-1)和q(k)分别代表所述星敏感器在第k-1帧和第k帧的姿态。
5.根据权利要求4所述的基于星敏感器的自主星跟踪方法，其特征在于，在根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标的步骤中，具体包括下述步骤：
根据所述星敏感器在第k帧的姿态根据下述公式得到其对应的姿态矩阵A(k)：
Figure FDA0003349124140000028
利用所述姿态矩阵A(k)，根据第k-1帧中星点的参考矢量uc(k-1)通过ws(k)＝A(k)uc(k-1)计算得到第k帧中星点的观测矢量ws(k)：
将星点的观测矢量ws(k)通过下述转换公式转换为星点在图像中的质心坐标，即为第k帧中星点的预测质心坐标，所述转换公式如下：
Figure FDA0003349124140000031
6.根据权利要求5所述的基于星敏感器的自主星跟踪方法，其特征在于，将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪的步骤中，具体包括下述步骤：
在得到第k帧中星点的预测质心坐标后，在其邻域r内搜索第k帧图像中星点的真实质心坐标，若存在唯一匹配则说明该质心坐标为第k-1帧中的星点在第k帧中对应的质心坐标，即完成高动态条件下的星跟踪。
7.一种根据权利要求1所述的基于星敏感器的自主星跟踪方法的系统，其特征在于，包括：
模型构建单元：用于根据所述星敏感器的参数，建立图像中星点质心的运动模型；
角速度计算单元：用于根据所述星点质心的运动模型以及图像中星点的像素拖移计算星敏感器的角速度；
姿态计算单元：用于根据所述星敏感器姿态随时间的变化关系，解算相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系；
质心坐标单元：用于根据所述相邻帧之间星敏感器姿态的变化关系，得到星点的预测质心坐标；
跟踪单元：用于将所述星点的预测质心坐标与真实质心坐标进行匹配，完成高动态条件下的星跟踪。
8.一种存储介质，其特征在于，存储有处理器可运行的程序指令，所述程序指令用于执行权利要求1至6任一项所述基于星敏感器的自主星跟踪方法。
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