KR100780464B1

KR100780464B1 - 별센서에서의 별 중심찾기 방법

Info

Publication number: KR100780464B1
Application number: KR1020060132845A
Authority: KR
Inventors: 주광혁; 박영웅; 박근주; 이훈희
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2007-11-28

Abstract

본 발명은 별센서에서의 별 중심찾기 방법에 관한 것으로서, 촬영된 별의 이미지를 밝기에 따라 그룹하고, 그룹화된 별의 밝기정보와 CCD상의 위치정보를 통해 별위치의 중심을 찾아내어 우주비행체의 자세를 결정하는 별센서에 있어서, 상기 별센서의 CCD를 통해 촬영된 별영상에서 암전류를 보상하는 단계와; 상기 CCD상에 나타난 별영상과 우주에 해당하는 배경영상의 밝기를 구별하기 위해, 선정된 스캔윈도우로부터 우주공간에 해당하는 배경영상의 평균밝기를 측정하는 단계와; 상기 우주공간의 배경영상의 밝기 평균값으로부터 최소유효밝기수준을 선택하는 단계와; 상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 검색하는 단계와; 상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 모아 클러스터를 형성하는 단계와; 상기 클러스터 중에서 특이한 형태의 별들을 제외하는 단계와; 상기 클러스터화된 별의 중심을 무게중심법으로 계산하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하여, 별 중심위치를 보다 정확하게 계산할 수 있고, 클러스터를 형성하는 과정에서 특이한 별을 미리 제거할 수 있어, 별패턴 인식 및 자세결정의 정확도와 신속성 및 성공률을 높일 수 있는 장점이 있다.

별센서, 별 중심찾기, 우주비행체, 자세, 인공위성, 별 밝기, 미세진동

Description

별센서에서의 별 중심찾기 방법{Adaptive Star Centroiding Method in Star Sensor based}

도 1은 본 발명에 이용되는 일반적인 별센서의 개념도이다.

도 2는 본 발명에 이용되는 별센서에서의 자세결정을 위한 내부 알고리즘을 나타낸 흐름도이다.

도 3은 본 발명에 따른 별센서에서의 별 중심찾기 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 이용되는 별센서의 CCD 영상에 촬영된 4등성(level) 별 밝기의 에너지 분포를 3차원상으로 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 이용되는 별센서의 CCD 영상에 촬영된 1등성과 4등성의 별 밝기를 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 이용되는 CCD 영상에 촬영된 1등성의 별 밝기를 나타낸 등고선도이다.

도 7은 본 발명에 이용되는 CCD 영상에 촬영된 4등성의 별 밝기를 나타낸 등고선도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 별센서 2 : 광학시스템

3 : CCD Imager 4 : 이미지 처리부

5 : 별 패턴처리 및 자세계산 컴퓨터

10 : 별 이미지 처리단계 20 : 별 중심찾기 단계

30 : 별 패턴 분석 단계 40 : 자세결정단계

100 : 암전류(Dark Cuurent)를 보상하는 단계

200 : 선정된 스캔윈도우로부터 우주공간에 해당하는 배경영상의 평균밝기를 측정하는 단계

300 : 우주공간 영상의 밝기 평균값으로부터 최소유효밝기수준(Minimum Threshold Level)을 선택하는 단계

400 : 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 검색하는 단계

500 : 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 모아 클러스터를 형성하는 단계

600 : 특이한 형태의 별들을 제외하는 단계

700 : 무게중심법을 이용하여 클러스터화된 별의 중심을 계산하는 단계

본 발명은 별센서에서의 별 중심찾기 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 는 인공위성을 비롯한 우주비행체의 자세를 결정하는 별센서(또는 별추적기) 내부에 장착된 CCD(Charge-Coupled Device) 또는 APS(Active Pixel Sensor) 검출기(detector)를 통해 감지되는 별 영상의 정확한 위치측정을 위해 사용되는 별 중심찾기 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 우주에서 사용되고 있는 위성의 자세를 결정하기 위해 사용되는 센서로는, 별센서, 태양센서, 지자기센서, 지구센서, 자이로 등이 있으며, 운용모드에 따라 이러한 센서들을 조합하여 위성의 자세를 결정하게 된다.

이 중에서 별센서는, 하나의 센서만으로도 우주공간의 별을 관측하여 관성좌표계상의 위성의 3축 자세정보를 결정할 수 있는 센서로서, 별 카탈로그(star catalog)에 등록된 천구상의 별 정보와 측정된 별의 정보를 비교함으로써 위성의 자세를 결정하는 자세측정센서이다.

이러한 기존의 별센서는, 별 영상을 감지하는 검출기(detector)로 보통 사용되는 것이 CCD인데, 별센서의 광학계와 CCD를 통하여 획득한 2차원의 별 영상을 가지고 별 패턴 인식 알고리즘을 적용하여 관측된 별의 정보와 별 카탈로그(star catalog)에 등록된 천구상의 별 정보를 비교하여 위성의 자세를 결정하도록 구성되어 있는데, 이를 위해서는 관측된 별의 정확한 위치를 계산하는 것(이하 "별 중심찾기" 라 한다)이 선행되어야 한다.

기존의 별센서에 구현되어 있는 실제 별 중심찾기 알고리즘은, 별영상이 감 지된 영역에 대하여 동일한 면적의 윈도우를 적용하여 무게중심법을 이용, CCD상의 별의 중심을 산출해내는 방식을 CCD에 연결된 하드웨어 로직에 의하여 구현되도록 설계된 것이 일반적인 것으로 알려져 있으나, 그 구체적인 내용이 완전 공개되어 있지는 않은 실정이다.

따라서, 최근에는 국내에 공개된 별감지기의 별 인식과정에 관한 특허(대한민국 공개특허 10-2001-0025906호)에 의하면, 여러 개의 픽셀들로 이루어진 CCD영상에서 허용픽셀을 선정하고, 허용픽셀들로부터 별 클러스터 집합을 만든 다음, 각각의 클러스터 집합의 중심좌표를 무게중심법을 이용하여 구하는 것으로 언급되어 있으나, 구체적인 내용은 설명되어 있지 않다. 또한 별의 에너지를 CCD상에 일정시간동안 축적하여 별을 관측하는 별센서의 원리상, 위성내부의 타 서브시스템에서 전달되어 오는 위성 미세진동이 별센서에 전달될 경우 일반적으로 원의 형태(CCD상의 2차원 영상 기준)를 유지하는 별의 관측영상이 타원모양 등으로 왜곡될 수 있는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 무게중심법 적용을 위한 유효영역(중심찾기 윈도우)의 일괄적용에 따라 발생할 수 있는 영상노이즈에 따른 중심찾기 방법 자체의 정확도 저하를 방지할 수 있고, 미세진동에 기인한 별영상을 왜곡을 고려한 중심찾기 방법의 적용으로 별패턴 인식 및 자세결정의 성공률을 높일 수 있는 별센서에서의 별 중심찾기 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 별센서에서의 별 중심찾기 방법은, 촬영된 별의 이미지를 밝기에 따라 그룹하고, 그룹화된 별의 밝기정보와 CCD상의 위치정보를 통해 별위치의 중심을 찾아내어 우주비행체의 자세를 결정하는 별센서에 있어서, 상기 별센서의 CCD를 통해 촬영된 별영상에서 암전류를 보상하는 단계와; 상기 CCD상에 나타난 별영상과 우주에 해당하는 배경영상의 밝기를 구별하기 위해, 선정된 스캔윈도우로부터 우주공간에 해당하는 배경영상의 평균밝기를 측정하는 단계와; 상기 우주공간의 배경영상의 밝기 평균값으로부터 최소유효밝기수준을 선택하는 단계와; 상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 검색하는 단계와; 상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 모아 클러스터를 형성하는 단계와; 상기 클러스터 중에서 특이한 형태의 별들을 제외하는 단계와; 상기 클러스터화된 별의 중심을 무게중심법으로 계산하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 암전류 보상단계에서는, CCD를 통해 촬영된 별영상에서 암전류의 특성을 지니고 있는 영상을 픽셀밝기값을 일대일로 차감하여 보정한다.

그리고, 상기 특이한 형태의 별들은, 별의 밝기가 최대유효밝기수준을 넘는 천체 또는 인공물체를 포함한다.

상기 별의 중심을 계산하는 단계에서는, 중심찾기 윈도우의 크기를 설정할 때 가로 또는 세로방향의 미세진동에 따라 윈도우의 모양을 가로 또는 세로방향으 로 변형시켜 무게중심법을 적용한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1 내지 도 7은 본 발명에 이용되는 별센서와, 별센서에서의 별 중심찾기 방법을 나타낸 도면이다.

먼저, 본 발명에 이용되는 별센서를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 이용되는 일반적인 별센서의 개념도로서, 별센서(1)는, 상대적으로 적은 광량을 가진 별의 광 에너지를 집주잇켜 주는 광학시스템(2)과, 별 영상을 감지하는 CCD Imager(3)와, CCD상에 감지된 별 영상을 디지털 정보로 변환하여 별위치의 중심을 찾아주는 이미지 처리부(4)와, 그리고 변환된 별들의 정보와 컴퓨터내에 저장된 별 데어터베이스와의 비교를 통해 별 패턴을 분석하여 별센서의 시선벡터의 방향을 계산하여 우주비행체의 자세정보를 처리하는 별 패턴처리 및 자세계산 컴퓨터(5)로 구성된다.

도 2는 본 발명에 이용되는 별센서에서의 자세결정을 위한 내부 알고리즘의 처리과정을 나타낸 흐름도로서, 광학시스템(2)과 CCD Imager(3)로 이루어진 별 감지부로부터 별 영상정보가 입력되면, 별의 이미지를 밝기에 따라 그룹화 하는 이미지 처리단계(10)를 거친 후, 그룹화된 별의 밝기정보와 CCD상의 위치정보를 통해 별의 광에너지의 중심을 CCD상의 좌표로 계산하고(20), 다시 별의 중심위치를 관성 좌표계로 변화하여 별 카탈로그에 저장된 별들의 관성좌표 위치와 비교하여 별의 분포 패턴이 같은 그룹을 찾아내는 과정을 거친다(30).

일단, 별의 구성모양의 패턴이 동일하다고 인식된 별의 좌표와 측정된 별의 좌표와의 오차를 근거로 하여 CCD Imager(3)의 시선벡터가 지향하는 방향정보를 계산하고 별 감지부와 우주비행체의 상호위치를 고려하면 우주비행체의 기본 자세가 산출되게 된다(40).

이하, 본 발명에 이용되는 별센서에서의 별 중심찾기 방법을 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 별센서에서의 별 중심찾기 방법을 나타낸 흐름도로서, 촬영된 별의 이미지를 밝기에 따라 그룹하고, 그룹화된 별의 밝기정보와 CCD상의 위치정보를 통해 별위치의 중심을 찾아내어 우주비행체의 자세를 결정하는 별센서(1)에 있어서, 상기 별센서(1)의 CCD를 통해 촬영된 별영상에서 암전류(Dark Current)를 보상하는 단계(100)와; 상기 CCD상에 나타난 별영상과 우주에 해당하는 배경영상의 밝기를 구별하기 위해, 선정된 스캔윈도우로부터 우주공간에 해당하는 배경영상의 평균밝기를 측정하는 단계(200)와; 상기 우주공간의 배경영상의 밝기 평균값으로부터 최소유효밝기수준(Minimum Threshold Level)을 선택하는 단계(300)와; 상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 검색하는 단계(400)와; 상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 모아 클러스터를 형성하는 단계(500)와; 상기 클러스터 중에서 특이한 형태의 별들을 제외하는 단계(600)와; 상기 클러스터화된 별의 중심을 무게중심법으로 계산하는 단계(700);를 포함하여 구성된다.

상기 암전류 보상단계(100)에서의 암전류는, 일반적으로 CCD에 빛이 전혀 들어오지 않은 상태에서의 영상을 말하는 것으로, 각각의 픽셀의 밝기를 나타내어 주는 값이 빛이 전혀 취득되지 않은 경우에서는 0의 값이 출력되어야 정상이나, CCD 픽셀 자체의 제조상의 불균일성과 온도에 따라 이 값들이 극히 낮은 레벨의 밝기값으로 존재하는 경우가 종종 발생한다.

따라서, 암전류(Dark Cuurent)를 보상하는 단계(100)에서는 CCD를 이용한 영상촬영에서 별영상에서 암전류의 특성을 지니고 있는 영상을 픽셀 밝기값을 일대일로 차감하여 보정하는 과정을 거친다.

그리고, 상기 선정된 스캔윈도우로부터 우주공간에 해당하는 영상의 평균밝기를 측정하는 단계(200)에서는, 먼저 CCD상에 나타난 별영상에 해당하는 유효픽셀의 최소 밝기(intensity)와 배경영상에 해당하는 우주의 어두운 공간의 밝기를 구별하기 위하여, 적절히 골고루 분포된 5∼10개의 스캔 윈도우(예를 들면, 10×10 픽셀)를 선정하여 해당 윈도우내의 모든 픽셀의 밝기의 평균을 계산함으로써 배경영상의 밝기의 수준을 파악한다.

우주공간은 평상시 CCD상에서의 밝기는 거의 0에 가까우나 태양이나 달, 또는 지구가 별센서의 시야각에 가까워 질 경우에는 우주공간영상의 밝기가 다소 증가하는 경향이 있어서 6등성이하의 별들의 밝기의 수준에 근접해 진다. 한번에 촬 영되는 별의 개수는 별센서의 유효시야각과 CCD의 감도에 따른 촬영될 별의 유효등급에 따라 적게는 1∼2개에서 많게는 100개 이상으로 달라지지만, 전체 영상면적 대비 별영상이 차지하는 비율은 일반적으로 최대 5％ 이내이므로 임의 또는 미리정한 위치에 분포시킨 5∼10개의 스캔 윈도우가 배경이 아닌 별영상을 포함할 확률은 지극히 낮다.

또한, 우주공간의 배경을 대표하는 스캔 윈도우에 별영상이나 예측되지 않은 밝은 물체가 포함될 경우를 대비하여 이례적으로 밝기의 평균이 이례적으로 높은 스캔윈도우나 픽셀의 정보는 평균 계산에서 제외된다. 이렇게 하여 계산된 평균값은 최소 밝기 허용치(minimum threshold level)를 결정하는데 사용된다.

상기 우주공간 배경영상의 밝기 평균값으로부터 최소유효밝기수준(Minimum Threshold Level)을 선택하는 단계(300)에서는, 측정된 우주공간 배경영상의 밝기 평균값의 크기에 따라 각각 다르게 정해져 있는 실험적인 경험치를 더하여 해당 촬영영상에 적합한 최소유효밝기수준 값을 선정한다.

상기 최소유효밝기수준을 넘는 픽셀을 검색하는 단계(400)에서는, 해당 촬영영상에 대한 모든 픽셀의 밝기 값을 최소유효밝기수준값과 비교하여 최소유효밝기수준보다 밝은 유효픽셀의 위치정보와 밝기정보를 메모리가 허용하는 범위를 고려하여 임의로 정한 갯수만큼 저장한다.

상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 모아 클러스터를 형성하는 단계(500)에서는, 인접하고 있는 최소유효밝기수준을 넘는 픽셀들을 그룹화하여 클러스터를 형성한다.

우선, 제일 높은 밝기 값을 가진 픽셀을 먼저 선정하여 해당 픽셀의 밝기 값에 따른 유효넓이(실험적인 경험치로 밝기의 크기가 커짐에 따라 유효넓이의 크기도 증가한다)에 해당하는 영역 내에서 유효픽셀을 모아 클러스터를 형성한다. 이때, 유효넓이내에 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀이 인접하여 존재하지 않으면 클러스터의 형성이 무효화되며, 형성된 클러스터의 개수가 미리 정한 일정수를 넘거나 유효픽셀을 다 소모하였을 경우 클러스터의 형성단계를 종료하게 된다.

그리고, 특이한 형태의 별들을 제외하는 단계(600)는, 형성된 클러스터 가운데 너무 가까이 인접한 별들과 성운, 그리고 일반적인 별의 밝기를 과도하게 넘는 천체 또는 인공물체 등을 적절하게 정한 판단기준에 의해 제거한다.

즉, 인접한 별들은 클러스터 사이 간격에 최소거리를 설정함으로써, 성운은 최소유효밝기수준 이하의 픽셀을 제거하는 과정을 수행함으로써, 과도하게 밝은 천체 또는 인공물체의 경우에는 최대유효밝기수준을 설정함으로써 최소유효밝기수준을 선택하는 단계(400)와 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 검색하는 단계(500)에서 각각 제거할 수 있다.

한편, 상기 특이한 형태의 별들은 자세추정을 위한 별 패턴인식 과정에서 착오를 일으키게 하는 요인이 되어 결과적으로 우주비행체의 자세추정시간을 지연시 키거나 자세추정의 실패를 유발하는 효과를 가져오므로 별센서의 별 데이터베이스에 미리 제외되어 있는 것이 일반적일 뿐만 아니라 별 영상획득과정에서 제거되면 앞에서 언급한 부정적인 효과들을 미리 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 4는 CCD 영상에 촬영된 4등성(level) 별 밝기의 에너지 분포를 3차원 상에 나타낸 그래프이다. CCD 영상에 촬영된 별의 영상은 광학계에서 조정된 초점거리에 의하여 초점이 흐려진 효과에 의해 별빛의 에너지가 보통 점 형태가 아닌 원 모양을 이루고 있으며 밝기 분포의 단면을 보면 가로, 세로 방향으로 가우시안(Gaussian) 분포를 이루고 있는 것이 일반적이다.

도 5는 CCD 영상에 촬영된 1등성과 4등성의 별 밝기를 나타낸 그래프이다. 픽셀 단위의 x축을 기준으로 서로 다른 밝기의 별들의 밝기가 진폭과 폭이 다른 각각의 가우시안 분포이루고 있음을 보인다. 아울러, 별의 밝기 분포가 CCD상에서 차지하는 면적은 별의 밝기등급에 비례하는 경향을 보인다.

도 6은 본 발명에 이용되는 CCD 영상에 촬영된 1등성의 별 밝기를 나타낸 등고선도이다. x축과 y축은 각각 2차원 평면 상의 픽셀을 나타내며, 사각 윈도우의 크기가 (11×11) 픽셀 면적을 포함한다.

도 7은 본 발명에 이용되는 CCD 영상에 촬영된 4등성의 별 밝기를 나타낸 등고선도이다. x축과 y축은 각각 2차원 평면 상의 픽셀을 나타내며, 사각 윈도우의 크기가 (4×4) 픽셀 면적을 포함한다.

4등성의 별은 (4×4) 픽셀의 면적을 차지하는 반면, 1등성의 별은 (11×11) 픽셀의 면적을 차지하는 식이다. 이러한 경향은 발사전 지상에서 또는 우주공간에 서 미리 확보한 별의 영상의 분석을 통해 실험적인 경험치를 내부 데이터베이스에 저장해두어야 한다. 그런 다음 각각의 클러스터내에서 제일 높은 밝기를 가진 픽셀의 밝기 수준을 측정하여 이에 비례하는 크기의 중심찾기 윈도우(centroid window)를 설정(예를 들면, 4등성의 별은 (5×5) 픽셀의 면적을 차지하는 중심찾기 윈도우를 설정하는 반면, 1등성의 별은 (12×12) 픽셀의 면적을 차지하는 식으로)하여 하기에 기술되는 무게중심법을 이용하여 클러스터화된 별의 중심을 계산하는 단계(700)를 마무리 할 수 있다.

따라서, 무게중심법을 이용하여 클러스터화된 별의 중심을 계산하는 단계(700)에서는, 중심찾기 윈도우(centroid window)의 크기를 설정하는 과정에서 가로 또는 세로방향의 미세진동량이 별도의 센서 등과 같은 수단에 의해 감지되는 경우, 미세진동량을 고려하여 미세진동이 별 영상의 왜곡에 영향을 미치는 크기에 비례하여 윈도우의 모양을 가로 또는 세로 방향으로 변형시킨 다음, 무게중심법을 적용하여 별 중심을 구한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 별센서에서의 별 중심찾기 방법에 따르면, 별의 밝기등급에 관계없이 일률적인 크기의 중심찾기 윈도우를 적용하는 방법에 비해 불필요한 영상노이즈가 포함된 부분을 제거할 수 있는 효과가 있을 뿐 아니라 위성내부에서 발생하는 미세진동량을 고려하여 중심찾기 윈도우의 모양을 다양하게 변화하여 무게중심법을 적용시킴으로써 별 중심위치를 보다 정확하게 계산할 수 있고, 클러스터를 형성하는 과정에서 특이한 별을 미리 제거할 수 있어, 별패턴 인식 및 자세결정의 정확도와 신속성 및 성공률을 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims

촬영된 별의 이미지를 밝기에 따라 그룹하고, 그룹화된 별의 밝기정보와 CCD상의 위치정보를 통해 별위치의 중심을 찾아내어 우주비행체의 자세를 결정하는 별센서에 있어서,

상기 별센서의 CCD를 통해 촬영된 별영상에서 암전류를 보상하는 단계와;

상기 CCD상에 나타난 별영상과 우주에 해당하는 배경영상의 밝기를 구별하기 위해, 선정된 스캔윈도우로부터 우주공간에 해당하는 배경영상의 평균밝기를 측정하는 단계와;

상기 우주공간의 배경영상의 밝기 평균값으로부터 최소유효밝기수준을 선택하는 단계와;

상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 검색하는 단계와;

상기 최소유효밝기수준을 넘는 유효픽셀을 모아 클러스터를 형성하는 단계와;

상기 클러스터 중에서 특이한 형태의 별들을 제외하는 단계와;

상기 클러스터화된 별의 중심을 무게중심법으로 계산하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 별센서에서의 별 중심찾기 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 암전류 보상단계에서는, CCD를 통해 촬영된 별영상에서 암전류의 특성을 지니고 있는 영상을 픽셀밝기값을 일대일로 차감하여 보정하는 것을 특징으로 하는 별센서에서의 별 중심찾기 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 특이한 형태의 별들은, 별의 밝기가 최대유효밝기수준을 넘는 천체 또는 인공물체를 포함하는 것을 특징으로 하는 별센서에서의 별 중심찾기 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 별의 중심을 계산하는 단계에서는, 중심찾기 윈도우의 크기를 설정할 때 가로 또는 세로방향의 미세진동에 따라 윈도우의 모양을 가로 또는 세로방향으로 변형시켜 무게중심법을 적용하는 것을 특징으로 하는 별센서에서의 별 중심찾기 방법.