CN111412914B - 一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法，包括：(1)根据连续星图(设为第p‑1帧和第p帧)，获取在第p帧星图中星点质心位置，解算星点沿图像水平方向(X)和竖直方向(Y)的平均速度；(2)以第p帧星图中间行的曝光时刻为基准，对上、下半帧中的星点进行位置校正，解算一次星敏感器姿态；(3)基于步骤(2)的星点位置校正方式，根据第p帧星图与第p+1帧星图的星点质心位置，更新在第p+1帧星图中星点平均速度，以第p+1帧星图的第1行曝光时刻为基准，对第p帧星图的下半帧和第p+1帧星图的上半帧中的星点进行位置校正，解算一次星敏感器姿态，依次每间隔半帧星图更新一次姿态，实现星敏感器姿态的连续估计，提升了星敏感器姿态更新率。

Description

一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法

技术领域

本发明涉及一种连续帧星图的星敏感器姿态解算方法，尤其涉及一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率的方法。

背景技术

星敏感器是通过观测太空中恒星方位来实现航天器自主姿态测量的核心部件，在对地遥感、空间探测等航空航天任务中扮演着重要角色。现有大多数国内外星敏感器姿态更新率是10Hz-20Hz，随着航天技术的高速发展，尤其是在高分辨率对地观测等领域对星敏感器的姿态更新率提出了更高的需求。传统的星敏感器主要采用全局曝光模式，由于星敏感器所敏感的恒星能量很弱，需要较长的曝光时间，限制了星敏感器姿态更新率的提升。

专利CN201310053052.0提出了一种基于卷帘曝光成像的星敏感器的姿态确定方法，该方法中，利用运动姿态递推估计和单星点测量信息融合，进行姿态和角速率的迭代求解。该方法中未涉及利用星点运动速度进行星点位置校正的方式对连续帧的卷帘曝光星图进行姿态解算的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法。该方法利用第p-1帧和第p帧星图确定第p帧星图中星点移动的平均速度，以第p帧星图的中间行曝光时刻为基准，将第p帧星图上、下半帧中的星点质心坐标校正到该时刻，解算一次星敏感器的姿态；通过第p帧和第p+1帧星图确定第p+1帧星图中星点的平均速度，以第p+1帧的第1行曝光时刻为基准，将第p帧星图下半帧的星点和第p+1帧星图上半帧的星点校正到第p+1帧星图的第1行曝光时刻，解算一次星敏感器的姿态，实现每间隔半帧星图校正一次星点的位置，解算一次姿态，提升了星敏感器的姿态更新率。

本发明采用的技术方案如下：一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法，包括：

步骤(1)、设置星敏感器为卷帘曝光模式，获取卷帘曝光模式下的连续两帧(设为第p-1帧和第p帧)星图。其中已知星图的列数为W，行数为H。设置卷帘模式每行曝光时长为t_r，图像每行曝光起始时刻间隔为Δt，图像第p帧第H行曝光起始时刻与第p+1帧第1行曝光起始时刻间隔为Δt。根据第p-1帧和第p帧星图中的星点质心确定第p帧中星点沿水平方向(X),竖直方向(Y)的平均速度

步骤(2)、提取在第p帧星图中n个星点质心坐标集

i＝1,2,…,n，以第p帧的中间行(第H/2行)曝光时刻为基准，对该帧的上、下半帧中星点质心位置进行校正，校正量为：

则对应于中间行曝光时刻的星点真实坐标为：

解算在第p帧星图中间行曝光时刻的星敏感器姿态。

步骤(3)、提取在第p+1帧星图中n个星点质心坐标集

i＝1,2,…,n，根据第p帧和第p+1帧星图星点质心位置获取第p+1帧星图中星点沿X、Y方向的平均速度

以第p+1帧星图的第1行曝光时刻为基准，对第p帧星图下半帧的星点和第p+1帧星图上半帧的星点进行位置校正：

第p帧星图下半帧星点校正到第p+1帧星图第1行曝光时刻，校正量为：

其中k为第p帧星图中下半帧星点。

则第p帧星图下半帧星点对应于第p+1帧星图第1行曝光时刻的星点真实坐标为：

第p+1帧星图上半帧星点校正到该帧第1行曝光时刻，校正量为：

其中q为第p+1帧星图上半帧的星点。

则第p+1帧星图上半帧星点对应于该帧第1行曝光时刻的星点真实坐标为：

根据第p帧星图下半帧校正后的星点和第p+1帧星图上半帧校正后的星点共同解算第p+1帧第1行曝光时刻对应的星敏感器姿态。

步骤(4)、以此类推，每间隔半帧校正一次星点位置，解算一次姿态，提升了星敏感器的姿态更新率。

本发明与现有技术相比的优点在于：一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法。该方法使用连续两帧星图得到星点的运动平均速度，根据卷帘快门成像特点将每半帧的星点分别校正到当前帧和下一帧中的同一时刻，解算对应时刻的星敏感器姿态信息，相比传统的单帧星图更新一次姿态，有效地提升了星敏感器的姿态更新率。该方法计算效率高、操作简便，实时性好。

附图说明

图1本发明一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法具体流程图。

图2设置视场中星点向右运动，以第p帧星图中间行曝光时刻为基准的星点校正，解算一次星敏感器姿态的示意图(实线星点代表卷帘成像后的位置，虚线代表以中间行曝光时刻为基准校正后的位置)。

图3设置视场中星点向右运动，以第p+1帧星图的第1行曝光时刻为基准，对第p帧星图的下半帧和第p+1帧星图的上半帧中的星点进行位置校正，解算一次姿态的示意图(实线星星代表卷帘成像后的位置，虚线代表以第p+1帧星图的第1行曝光时刻为基准校正后的位置)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明方法进一步说明。

具体流程如图1所示。以XXX星敏感器产品为例，焦距为24.09mm，像元尺寸大小0.0055mm，视场为20°×20°，星敏感器探测器像面行数是1555，列数是1526，图像每行曝光起始时刻间隔是43.9μs。以星号1101，星号205，星号165，星号37，星号543作为星点为例，作进一步说明。

本发明的具体步骤如下：

(1)利用第p-1帧和第p帧连续两帧星图，分别提取星点质心后，获取第p帧中各星点沿X,Y方向的平均速度

(2)提取在第p帧星图中星点的质心坐标集为

i＝1,2,…,5，以第p帧的中间行曝光时刻为基准，对该帧的上、下半帧中星点质心位置进行校正，校正量为：

其中Δt为图像每行曝光起始时刻间隔。

则对应于中间行曝光时刻的星点真实坐标为：

解算第p帧在中间行曝光时刻的星敏感器姿态，如表1所示。表1为根据第p-1帧星图和第p帧星图差分得到星点在第p帧星图的平均速度：X方向30pixel/s，Y方向30pixel/s，校正到第p帧中间行曝光时刻，解算该行曝光时刻的星敏感器姿态。

表1

(3)提取第p+1帧星图中星点的质心坐标

i＝1,2,…,5，根据第p帧和第p+1帧星图中星点位置获取第p+1帧中各星点沿X、Y方向的平均速度

以第p+1帧星图的第1行曝光时刻为基准，对第p帧星图的下半帧星点和第p+1帧星图的上半帧星点进行位置校正：

第p帧星图下半帧星点位置校正到第p+1帧星图第1行曝光时刻，校正量为：

其中k为第p帧星图中下半帧星点。

则第p帧星图下半帧星点对应于第p+1帧第1行时刻的星点真实坐标为：

第p+1帧上半帧星点校正到该帧第1行曝光时刻，校正量为：

其中q为第p+1帧星图中上半帧星点。

则第p+1帧上半帧星点对应于该帧第1行时刻的星点真实坐标为：

解算第p+1帧第1行曝光时刻对应的星敏感器姿态，如表2所示。表2为根据第p帧星图和第p+1帧星图差分得到星点在第p+1帧的平均速度：X方向30.73pixel/s，Y方向29.85pixel/s，校正到第p+1帧星图的第1行曝光时刻，解算该曝光时刻的星敏感器姿态。

表2

(4)以此类推，每间隔半帧校正一次星点位置，解算一次姿态，提升了星敏感器的姿态更新率。

本发明未详述部分属于本技术领域的公知技术。以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤(1)、设置星敏感器为卷帘曝光模式，获取卷帘曝光模式下的连续两帧星图，设为第p-1帧和第p帧，其中已知星图的列数为W，行数为H，设置卷帘模式每行曝光时长为t_r，图像每行曝光起始时刻间隔为△t，图像第p帧第H行曝光起始时刻与第p+1帧第1行曝光起始时刻间隔为△t，提取第p-1帧和第p帧星图星点的质心坐标，获取第p帧星图沿水平方向X和竖直方向Y平均速度

步骤(2)、以第p帧星图中间行，即第H/2行曝光时刻为基准，对第p帧星图上、下半帧中的星点进行位置校正，解算中间行曝光时刻对应的星敏感器姿态；

所述步骤(2)的具体过程为：

第p帧星图中n个星点的质心坐标集为

以星图的中间行曝光时刻为基准，对该上、下半帧的星点质心位置进行校正：

则对应于中间行曝光时刻的星点真实坐标为：

解算该曝光时刻的星敏感器姿态；

步骤(3)、提取第p+1帧星图星点质心坐标集

根据第p帧和第p+1帧星图中星点的位置获取第p+1帧星图中各星点沿X、Y方向的平均速度

以第p+1帧星图的第1行曝光时刻为基准，对第p帧星图下半帧中的星点和第p+1帧星图上半帧中的星点进行位置校正，解算星敏感器姿态；

步骤(4)、将步骤(2)和步骤(3)的方法应用于连续帧中，实现每间隔半帧星图，更新一次姿态，明显提升星敏感器的姿态更新率。

2.根据权利要求1所述的一种基于卷帘曝光帧间关联的星敏感器提高姿态更新率方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体过程为：

a、第p帧下半帧的星点校正到第p+1帧第1行曝光时刻，校正量为：

其中k为第p帧星图下半帧的星点；

则第p帧星图下半帧的星点对应于第p+1帧第1行曝光时刻的真实坐标为：

b、第p+1帧星图上半帧的星点校正到该帧第1行曝光时刻，校正量为：

其中q为第p+1帧星图上半帧的星点；

则第p+1帧上半帧星点对应于该帧第1行曝光时刻的真实坐标为：

根据第p帧星图下半帧校正后的星点和第p+1帧星图上半帧校正后的星点共同解算第p+1帧第1行曝光时刻对应的星敏感器姿态。

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