CN104977000A - 中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量算法 - Google Patents

Abstract

一种中高轨星座星间照相观测敏感器，包含光学***、成像单元和数据处理单元。一种星间角距测量方法，包含：S1、将中高轨星座星间照相观测敏感器安装在观测卫星上，利用光学***对目标卫星和背景恒星进行观测；S2、成像单元对目标卫星和背景恒星进行星空图像成像，并进行滤波去噪；S3、数据处理单元对目标卫星与背景恒星进行识别，完成星点质心坐标的提取；S4、通过三角形原理解算得到观测卫星到目标卫星的连线和观测卫星到背景恒星连线之间的角距。本发明整体结构紧凑，集成度高，为现导航星座的长期自主运行提供精确的星间角距信息，准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，有效解决导航星座空间绝对定向及长期高精度自主定轨。

Description

中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量算法

技术领域

本发明涉及一种中高轨星座星间照相观测敏感器，以及利用该敏感器实现的星间角距测量算法。

背景技术

为保障在地面站布设受限的情况下，导航星座仍然能稳定连续的提供导航信息，导航星座必须具备较长时间的自主运行能力。星座卫星自主定轨是星座自主运行的前提，但传统的采用星间测距进行星座卫星自主定轨时，由于没有外部基准，因而会带来不可测的问题。

基于角距信息对星座整体旋转是可观的，在星间测距的基础上增加星间测向信息(角距信息)，可以准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响。增加星间定向观测信息后，在卫星运行自主性、星座整体旋转可观性等方面相较于其它手段具有明显优势，可以有效的解决导航星座空间绝对定向，进而实现导航星座的长期高精度自主定轨，实现导航星座的长期自主运行。

基于上述，因此本发明提出一种中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量算法，整体结构紧凑，集成度高，为现导航星座的长期自主运行提供精确的星间角距信息，准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，有效解决导航星座空间绝对定向及长期高精度自主定轨。

为实现上述目的，本发明提供一种中高轨星座星间照相观测敏感器，其包含：光学***，对目标卫星和视场区域内的背景恒星进行观测；成像单元，其设置在所述的光学***的前端，接收光学***的投射光线，对具有较弱光学特性的目标卫星和具有较强光学特性的背景恒星进行成像；数据处理单元，其与所述的成像单元连接，接收成像单元得到的高质量图像信息，对目标卫星和背景恒星的星点质心坐标进行提取，并通过三角形原理解算得到观测卫星到目标卫星的连线方向和观测卫星到背景恒星连线之间的角距。

所述的光学***采用折反射式长焦距光学***，通过二次折反，将目标卫星和背景恒星成像在成像单元上。

所述的光学***包含：主镜，为一次反射镜，采用二次非球面镜，并通过三点支撑方式固定；次镜，为二次反射镜，采用二次非球面镜，设置在敏感器内能接收并反射主镜的反射光线的位置处；补偿镜，设置在敏感器内能接收次镜的反射光线的位置处。

所述的主镜为回转对称二次非球面镜；所述的次镜为二次曲面凸面反射镜；所述的补偿镜为凹凸透镜的组合镜。

所述的成像单元接收经过补偿镜的投射光线，该成像单元采用CMOS探测器。

本发明还提供一种中高轨星座星间照相观测敏感器的星间角距测量方法，包含以下步骤：

S1、将中高轨星座星间照相观测敏感器安装在观测卫星上，并利用光学***1对目标卫星和视场区域内的背景恒星进行观测；

S2、成像单元对目标卫星和背景恒星进行星空图像的成像，并对成像后的星空图像中的噪声进行滤波处理；

S3、数据处理单元对目标卫星与背景恒星进行识别，完成目标卫星与背景恒星的星点质心坐标的提取；

S4、在提取到的目标卫星与背景恒星的星点质心坐标的基础上，数据处理单元通过三角形原理解算得到观测卫星到目标卫星的连线和观测卫星到背景恒星连线之间的角距。

所述的S2中，采用高斯滤波器对星空图像进行滤波处理。

所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、将目标卫星或背景恒星的星体目标与背景分离，通过星空图像阈值分割法实现；

S32、将目标卫星或背景恒星的某一单个星体目标与其他星体目标分离，通过星空图像连通域法实现，在经过S31分割后的星空图像上使用连通域法，对目标卫星和背景恒星进行识别；

S33、对目标卫星或背景恒星进行星点质心坐标的计算。

所述的S32中，具体包含以下步骤：

S321、对二值化的星空图像进行四连通判据分析，得到星体目标的位置和其外接矩形；对连通分析后的星空图像进行区域分割，使得每一个连通区域内都存在一个星体目标，从而得到连通域分割后的图像L(x,y)；

S322、对目标卫星进行识别，利用运动特性区分目标卫星与恒星，因目标卫星在连续帧的星空图像中保持静止，从而通过比对连续帧的星空图像即可识别出目标卫星；

S323、对恒星进行识别，采用三角形算法实现。

所述的S4中，将目标卫星或背景恒星的星点质心坐标对应在观测卫星的成像平面坐标系中，并根据三角几何关系以及三角形余弦公式计算得到观测卫星到目标卫星的连线和观测卫星到背景恒星的连线之间的角距。

综上所述，本发明所提供的中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量算法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：整体结构紧凑，集成度高，通过采用一套高分辨率长焦距光学***、一套高灵敏度成像单元和一套高精度数据处理单元，为传统的基于星间测距定轨算法引入星间测向信息(角距信息)，可以准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，在自主性、星座整体旋转可观性等方面具有明显优势。可以有效的解决导航星座空间绝对定向，进而实现导航星座的长期高精度自主定轨，为实现导航星座的长期自主运行提供精确的测量信息。

附图说明

图1为本发明中的中高轨星座星间照相观测敏感器的结构示意图；

图2为本发明中的中高轨星座星间照相观测敏感器的星间角距测量方法的流程图；

图3为本发明中的星体目标识别方法的流程图；

图4A为四连通判据示意图，图4B为八连通判据示意图；

图5为本发明中的角距观测示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图5，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明提供的一种中高轨星座星间照相观测敏感器，其包含：高分辨率的光学***1，对目标卫星和视场区域内的背景恒星进行观测；高灵敏度的成像单元2，其设置在所述的光学***1的前端，接收光学***1的投射光线，对具有较弱光学特性的目标卫星和具有较强光学特性的背景恒星进行成像；高精度的数据处理单元3，其与所述的成像单元2连接，接收成像单元2得到的高质量图像信息，对目标卫星和背景恒星的星点质心坐标进行提取，并通过三角形原理解算得到观测卫星到目标卫星的连线方向和观测卫星到背景恒星连线之间的角距。

所述的光学***1采用折反射式长焦距光学***，通过二次折反，将目标卫星和背景恒星成像在成像单元2上。具体的，所述的光学***1包含：主镜101，为一次反射镜，采用二次非球面镜，并通过三点支撑方式固定，用于减小光学校正镜片的像差、提高观测质量、实现轻量化目标；次镜102，为二次反射镜，采用二次非球面镜，设置在敏感器内能接收并反射主镜101的反射光线的位置处；补偿镜103，设置在敏感器内能接收次镜102的反射光线的位置处，用来消除像差、色差等，提高成像质量。

所述的主镜101为回转对称二次非球面镜。

所述的次镜102为二次曲面凸面反射镜。

所述的补偿镜103为凹凸透镜的组合镜。

所述的成像单元2接收经过补偿镜103的投射光线，该成像单元2采用具有高灵敏度的CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)探测器。在现有技术的基础上进行象元的双路读出，双路独立放大，再分别进行数模转换，每路输出11bit的数字图像，然后两路输出的11bit图像重构成16bit的高动态图像，可以有效的实现对弱光学目标的探测，并且可以有效的抑制象元的读出噪声。

如图2所示，本发明还提供一种中高轨星座星间照相观测敏感器的星间角距测量方法，包含以下步骤：

S1、将中高轨星座星间照相观测敏感器安装在观测卫星上，并利用光学***1对目标卫星和视场区域内的背景恒星进行观测；

S2、成像单元2对目标卫星和背景恒星进行星空图像的成像，并对成像后的星空图像中的噪声进行滤波处理；

S3、数据处理单元3对目标卫星与背景恒星进行识别，完成目标卫星与背景恒星的星点质心坐标的提取；

S4、在提取到的目标卫星与背景恒星的星点质心坐标的基础上，数据处理单元3通过三角形原理解算得到观测卫星到目标卫星的连线方向和观测卫星到背景恒星连线之间的角距，并对星间角距信息进行融合处理。

所述的S2中，由于成像后的星空图像中的噪声主要是高斯噪声，因此采用高斯滤波器对星空图像进行滤波处理。高斯滤波器是一类根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑滤波器，因此其对于抑制服从正态分布的高斯噪声非常有效。

进一步，所述的高斯滤波器的具体操作过程是：运用一个模板扫描星空图像中的每一个像素，利用模板确定的邻域内的像素加权平均灰度值来代替模板中心像素点的值。因为任何一幅图像中的某个像素点不仅仅是孤立的，它和周围临域之内的像素都有关系。于是，采用临域与之共同操作，几个临域加上该像素点构成了一个模板，对整幅图像进行临域运算模板操作。利用相关运算或者卷积运算实现结果。

在本实施例中，采用高斯模板对星空图像中的每一个像素进行滤波，该高斯模板是通过采用二维高斯函数而得到的。具体的，所述的高斯模板为：

$\frac{1}{16}\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}=1& k_{12}=2& k_{13}=1\\ k_{21}=2& k_{22}=4& k_{23}=2\\ k_{31}=1& k_{32}=2& k_{33}=1\end{array}\right];$

该高斯模板的中间数值表示为中心元素，也就是要进行处理的像素元素，经过运算处理之后，该点的像素值变为：

$g(x,y)=\frac{1}{16}\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{3}{\Σ}}{k}_{ij}f(x_i,y_j);$

式中，k_ij表示每个灰度点所应该乘以的系数；f(x_i,y_j)表示每个灰度点对应的灰度值。经过所述的高斯模板对星空图像进行滤波处理，可将星空图像中存在的噪声平滑，从而达到减小噪声的目的。

如图3所示，所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、将目标卫星或背景恒星的星体目标与背景分离，通过星空图像阈值分割法实现；

S32、将目标卫星或背景恒星的某一单个星体目标与其他星体目标分离，通过星空图像连通域法实现，在经过S31分割后的星空图像上使用连通域法，对目标卫星和背景恒星进行识别；

S33、对目标卫星或背景恒星进行星点质心坐标的计算。

所述的S31中，根据已知星体目标的信号特征等先验知识，不仅可以使用阈值分割法将目标卫星与背景分离，还可以滤除部分过亮或过暗的恒星。本实施例中，采用与星空图像的灰度直方图特征相关的迭代阈值分割法，具体计算步骤为：

S311、根据星空图像的直方图灰度特征，得到双峰的灰度值P₁和P₂，确定初始分割阈值T₀：

$T_0=\frac{P_1+P_2}{2};$

S312、对灰度值在0到T₀之间的像素进行处理，通过灰度统计，求出背景噪声均值和方差估计值

$\widehat{\mathrm{\&mu;}}=\stackrel{\&OverBar;}{I}=\frac{1}{n}\underset{g(x,y)<T_0}{\&Sigma;}g(x,y);$

${\widehat{\mathrm{\&sigma;}}}^2=\frac{1}{n}\underset{g(x,y)}{\&Sigma;}g(x,y)-\stackrel{\&OverBar;}{I};$

式中，g(x,y)表示像素的灰度值，n表示灰度值位于0到T₀之间的像素数量；

S313、根据计算得到的背景噪声均值和方差估计值确定新的分割阈值，以使背景像素错划为目标像素的概率降低；

$\mathrm{\&alpha;}\left(T\right)=\underset{T}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Integral;}}p\left(x\right)dx;$

$p\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{{(x-\mathrm{\&mu;})}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}};$

式中，p(x)为背景噪声的概率密度分布函数；T是正态分布α的分位点Z_α；

S314、为了获取更高的分割精度，通常选取一个非常小的α(T)，返回S311中，将求得的T重新作为初始分割阈值，再次执行S311～S313。如此反复多次，经过多次的迭代优化，把最终得到的趋于稳定的分割阈值作为最佳分割阈值，进而得到阈值分割后的图像T(x,y)。

所述的S32中，具体包含以下步骤：

S321、对二值化的星空图像进行连通性分析，得到星体目标的位置和其外接矩形；在经过连通性分析和区域分割后，认为每一个连通区域内都存在一个星体目标，从而得到连通域分割后的图像L(x,y)；

根据星体目标的形状，其一般可分为凸形和凹形两种，本发明中所提到的星体目标的星点属于凸形目标，因此适合采用如图4A所示的四连通判据进行分析，而另外一种凹形目标则一般适合采用如图4B所示的八连通判据进行分析；

S322、对目标卫星进行识别，根据已知目标卫星的光学特性以及目标卫星与恒星的运动特性，利用运动特性来区分目标卫星星点与恒星星点；由于目标卫星在序列星空图像中几乎保持静止，因此通过比对连续帧的星空图像即可识别出目标卫星；

S323、对恒星进行识别，恒星识别技术是确定恒星的关键技术，识别结果直接影响最终的角距信息的计算；本实施例中是采用三角形算法来实现恒星识别的，该算法主要依据星对的角距和星等来形成多个星组，从而达到识别目的；在选择星组时需要遵循一定的准则：1)尽量不要选择落在视场边缘的星，因为这种星很有可能对匹配算法造成干扰，从而易于引起误匹配；2)视场内可选择作为匹配的星应不少于3颗；3)所选星组中的星最好是成像单元能较好提取的星；4)所选星组中的星最好是较为邻近的；5)最好采用较为精确的星对角距，而尽量减少对星等的依赖；

基于上述，对恒星进行识别的流程包含以下步骤：

A.在视场中选择最亮的星s1作为主星；

B.在主星s1的内外环半径(r1，r2)内选择最亮的两颗星s2和s3作为识别伴星；采用右手螺旋法则保证s1、s2、s3为逆时针排列；

C.以s1、s2、s3构成三角形，计算两两之间的角距；对三角形的三边(即三个角距值)以一定的误差门限ζ在导航星库中进行模式匹配；

D.对匹配结果进行分析：a)导航星库中没有相应的三角形模式与之匹配，那么则以视场中的次亮星作为主星s1，并重复以上A～C的过程重新匹配；b)导航星库中有唯一的三角形模式与之匹配，则匹配成功，识别s1为恒星；c)导航星库中有两个以上的三角形模式与之匹配，则在s1、s2的内外环半径所构成的圆环的交集内选择最亮的星s4，以s1、s2、s4、构成三角形，在导航星库中重新进行匹配；

E.重复以上过程，直至视场中内再无亮星，则完成所有恒星的识别。

所述的S33中，在完成对目标卫星和背景恒星识别的基础上，计算目标卫星和背景恒星的星点质心坐标，本实施例中，对于灰度特征或能量分布近似呈高斯分布的目标星点质心的计算方法为：

$x=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{x}_{i}L(x_i,y_i)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{L}^2(x_i,y_i)};$

$y=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{y}_{i}L(x_i,y_i)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{L}^2(x_i,y_i)}.$

如图5所示，所述的S4中，假设观测卫星i上安装有本发明所提供的中高轨星座星间照相观测敏感器，其对目标卫星j及恒星A进行成像观测；根据上述S1～S3可求得目标卫星j以及恒星A在观测卫星i的星点质心坐标，其对应在观测卫星i的成像平面坐标系中的直角坐标分别为P₁(x₁,y₁,0)和P₂(x₂,y₂,0)，又已知像空间坐标系中光学中心坐标为S(0,0,f)，f为星间照相观测敏感器光学镜头的焦距；根据三角几何关系，得到：

$\{\begin{array}{c}{P}_1=\sqrt{x_1^2+y_1^2+f^2}\\ P_2=\sqrt{x_2^2+y_2^2+f^2}\end{array};$

根据三角形余弦公式，得到：

P₁P₂ ²＝P₁S²+P₂S²-P₁S·P₂S cos∠P₁SP₂；

计算得到观测卫星i到目标卫星j的连线和观测卫星i到背景恒星A的连线之间的角距观测量：

$\begin{array}{c}\&angle;P_1{\mathrm{SP}}_2=\arccos \frac{P_1{S}^2+P_2{S}^2-P_1{P_2}^2}{P_{1}S\&CenterDot;P_{2}S}\\ =\arccos \frac{\left(x_1^2+y_1^2+f^2\right)+\left(x_2^2+y_2^2+f^2\right)-{\left(x_1-x_2\right)}^2+{\left(y_1-y_2\right)}^2}{\sqrt{x_1^2+y_1^2+f^2}\sqrt{x_2^2+y_2^2+f^2}}\\ =\arccos \frac{\left(f^2+x_1{x}_2+y_1{y}_2\right)}{\sqrt{x_1^2+y_1^2+f^2}\sqrt{x_2^2+y_2^2+f^2}}\end{array}.$

综上所述，本发明所提供的中高轨星座星间照相观测敏感器及其星间角距测量算法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：整体结构紧凑，集成度高，通过采用一套高分辨率长焦距光学***、一套高灵敏度成像单元和一套高精度数据处理单元，为传统的基于星间测距定轨算法引入星间测向信息(角距信息)，可以准确确定并消除星座整体旋转带来的累积误差影响，在自主性、星座整体旋转可观性等方面具有明显优势。可以有效的解决导航星座空间绝对定向，进而实现导航星座的长期高精度自主定轨，为实现导航星座的长期自主运行提供精确的测量信息。

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 (10)

1.一种中高轨星座星间照相观测敏感器，其特征在于，包含：

光学***（1），对目标卫星和视场区域内的背景恒星进行观测；

成像单元（2），其设置在所述的光学***（1）的前端，接收光学***（1）的投射光线，对具有较弱光学特性的目标卫星和具有较强光学特性的背景恒星进行成像；

数据处理单元（3），其与所述的成像单元（2）连接，接收成像单元（2）得到的高质量图像信息，对目标卫星和背景恒星的星点质心坐标进行提取，并通过三角形原理解算得到观测卫星到目标卫星的连线方向和观测卫星到背景恒星连线之间的角距。

2.如权利要求1所述的中高轨星座星间照相观测敏感器，其特征在于，所述的光学***（1）采用折反射式长焦距光学***，通过二次折反，将目标卫星和背景恒星成像在成像单元（2）上。

3.如权利要求2所述的中高轨星座星间照相观测敏感器，其特征在于，所述的光学***（1）包含：

主镜（101），为一次反射镜，采用二次非球面镜，并通过三点支撑方式固定；

次镜（102），为二次反射镜，采用二次非球面镜，设置在敏感器内能接收并反射主镜（101）的反射光线的位置处；

补偿镜（103），设置在敏感器内能接收次镜（102）的反射光线的位置处。

4.如权利要求3所述的中高轨星座星间照相观测敏感器，其特征在于，所述的主镜（101）为回转对称二次非球面镜；所述的次镜（102）为二次曲面凸面反射镜；所述的补偿镜（103）为凹凸透镜的组合镜。

5. 如权利要求3所述的中高轨星座星间照相观测敏感器，其特征在于，所述的成像单元（2）接收经过补偿镜（103）的投射光线，该成像单元（2）采用CMOS探测器。

6. 一种中高轨星座星间照相观测敏感器的星间角距测量方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、将中高轨星座星间照相观测敏感器安装在观测卫星上，并利用光学***（1）对目标卫星和视场区域内的背景恒星进行观测；

S2、成像单元（2）对目标卫星和背景恒星进行星空图像的成像，并对成像后的星空图像中的噪声进行滤波处理；

S3、数据处理单元（3）对目标卫星与背景恒星进行识别，完成目标卫星与背景恒星的星点质心坐标的提取；

S4、在提取到的目标卫星与背景恒星的星点质心坐标的基础上，数据处理单元（3）通过三角形原理解算得到观测卫星到目标卫星的连线和观测卫星到背景恒星连线之间的角距。

7. 如权利要求6所述的星间角距测量方法，其特征在于，所述的S2中，采用高斯滤波器对星空图像进行滤波处理。

8. 如权利要求6所述的星间角距测量方法，其特征在于，所述的S3中，具体包含以下步骤：

S31、将目标卫星或背景恒星的星体目标与背景分离，通过星空图像阈值分割法实现；

S32、将目标卫星或背景恒星的某一单个星体目标与其他星体目标分离，通过星空图像连通域法实现，在经过S31分割后的星空图像上使用连通域法，对目标卫星和背景恒星进行识别；

S33、对目标卫星或背景恒星进行星点质心坐标的计算。

9. 如权利要求8所述的星间角距测量方法，其特征在于，所述的S32中，具体包含以下步骤：

S321、对二值化的星空图像进行四连通判据分析，得到星体目标的位置和其外接矩形；对连通分析后的星空图像进行区域分割，使得每一个连通区域内都存在一个星体目标，从而得到连通域分割后的图像                                               ；

S322、对目标卫星进行识别，利用运动特性区分目标卫星与恒星，因目标卫星在连续帧的星空图像中保持静止，从而通过比对连续帧的星空图像即可识别出目标卫星；

S323、对恒星进行识别，采用三角形算法实现。

10.如权利要求6所述的星间角距测量方法，其特征在于，所述的S4中，将目标卫星或背景恒星的星点质心坐标对应在观测卫星的成像平面坐标系中，并根据三角几何关系以及三角形余弦公式计算得到观测卫星到目标卫星的连线和观测卫星到背景恒星的连线之间的角距。