CN113670299B - 一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法 - Google Patents

Abstract

一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法，包括如下步骤：步骤S100，进行全场串行选通成像和全场星图识别；步骤S200，选择视场，进行并行选通成像，并进行全场姿态计算，实现姿态信息的精测；步骤S300，进行并行选通成像跟踪。本发明采用串行视场选通成像实现星敏感器初始姿态测量，在此基础上并行选通互异星图模式的视场成像，以实现星敏感器瞬态姿态准确测量，从而解决了串行选通速度慢、星点定位不准、测量精度低问题，同时又解决了并行选通星点图像压缩、混叠、不能测量问题，使得这种视场选通成像的星敏感器无需外部设备就能够先后实现初始姿态和瞬态姿态的准确测量。

Description

一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法

技术领域

本发明涉及星敏感器技术领域，具体涉及一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法。

背景技术

星敏感器是一种以恒星作为参考源的姿态测量敏感器，具有精度高、抗干扰性强、可不依赖其他设备进行全自主姿态确定的优点，已在卫星平台上得到广泛应用。将星敏感器由大气层外太空环境扩展到近地空间环境使用，可使舰船、飞机、导弹等近地空间平台摆脱对卫星导航***的依赖，具有广泛的应用前景，但需要星敏感器具备在强天光背景条件下对暗弱恒星目标的探测能力。

专利“一种基于视场选通技术的白天星敏成像***”提出了一种新型的白天星敏感器成像***，该成像***利用微透镜与微开关阵列实现瞬时视场的快速选通，并结合选通视场的共靶面设计，同时获得大视场和强天光背景的抑制，实现匹配式白天星敏感方法。

串行选通就是依次打开微开关，将恒星图像分时成像在共用的成像探测器上，但是串行选通方式成像速度慢，所成星点图像之间有延时，如果载体运动，会带来星点之间角距误差，影响星图识别和解算的姿态精度。而并行选通就是一次打开多个微开关将恒星图像同时成像在共用的探测器上。对于视场选通型星敏感器，这种并行选通会由于成像面的复用带来图像的压缩，有时还会发生星点图像的混叠。

发明内容

本发明提供了一种用于星敏感器串行并行组合式视场选通成像方法，解决串行选通速度慢，而并行选通图像压缩、混叠的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100，进行全场串行选通成像和全场星图识别；

步骤S200，选择视场，进行并行选通成像，并进行全场姿态计算，实现姿态信息的精测；

步骤S300，进行并行选通成像跟踪。

进一步的，所述步骤S100，进行全场串行成像和全场星图识别的步骤包括：

步骤S110，依次打开微开关，在二次像面上对打开的微开关内的一次像面视场成像；

步骤S120，建立恒星图像在星敏感器坐标系中的成像位置关系，当打开的微开关处有恒星图像时，提取恒星图像在二次像面上的质心坐标位置；

步骤S130，根据所述恒星图像在二次像面上的质心坐标计算该恒星在一次像面上的坐标；

步骤S140，确定星光矢量与一次成像面坐标系之间的一一对应的坐标对应关系，多次打开微开关，对多颗恒星进行串行选通成像，在虚拟靶面上实现多颗恒星的准实时成像；

步骤S150，对所述的多颗恒星的准实时图像进行星图识别。

进一步的，步骤S120中，所述恒星图像在二次像面上的质心坐标位置如下：

(x_s2，y_s2)是恒星在二次像面上的质心坐标，x,y是星点连通域内像素的横纵坐标,I_xy是像素的灰度。

进一步的，所述步骤S150，对所述的多颗恒星的准实时图像进行星图识别的步骤后，还包括：

若识别成功，得到初始姿态信息的粗测，转入步骤S200；

若识别不成功，转入半场串行成像，对得到的半场星图进行星图识别，识别成功转入步骤S200；若仍识别不成功，则***优化综合参数，直至成功实现星图识别，并转入步骤S200。

进一步的，所述步骤S200还包括：在并行选通成像，同时打开微开关之前，对视场进行选择，选择互异模式的视场，打开其对应的微开关进行并行成像。

进一步的，所述步骤S300包括：

步骤S310，在步骤S200得到的精确的瞬态姿态情况下，通过卡尔曼滤波预测星敏感器新的姿态信息；

步骤S320，根据预测的所述新的姿态信息计算当前预测星图，将星图映射到选通星敏感器的一次像面上；

步骤S330，同时打开一次像面有星点的微开关，对这些恒星同时成像。

进一步的，所述步骤S300包括：设置一定的跟踪窗口，在前一时刻恒星星点位置附近通过跟踪窗口进行星点位置的匹配跟踪，实现当前时刻星点位置的提取。

进一步的，所述步骤S300还包括：若出现如同一个跟踪窗口内有多个星点的情况，将前一时刻和当前时刻星点进行随机组合匹配，由于存在错误的组合，通过前一时刻的姿态信息对多组组合匹配进行筛选，最终实现准确星点位置信息的提取。

与现有技术相比，本发明有如下有益的技术效果：

首先采用串行视场选通成像实现星敏感器初始姿态测量，在此基础上并行选通互异星图模式的视场成像，以实现星敏感器瞬态姿态准确测量，从而解决了串行选通速度慢、星点定位不准、测量精度低问题，同时又解决了并行选通星点图像压缩、混叠、不能测量问题，使得这种视场选通成像的星敏感器无需外部设备就能够先后实现初始姿态和瞬态姿态的准确测量。

附图说明

图1为本发明的基于微透镜与微开关阵列的视场选通成像***示意图；

图2为本发明的一次像面和二次像面的正视示意图；

图3为本发明的解复用后的虚拟成像靶面示意图；

图4为本发明的并行选通成像的成像混叠示意图；

图5为本发明的相同模式和互异模式示意图；

图6为本发明的基于跟踪窗的星点位置匹配跟踪示意图；

图7为本发明的组合匹配识别筛选的星点位置信息提取示意图；

图8为本发明的串行并行组合式选通成像方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提供了一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法，解决串行选通速度慢，而并行选通图像压缩、混叠的问题，使得这种视场选通成像的星敏感器无需外部设备先后实现初始姿态和瞬态姿态的准确测量，从而为超高精度星敏感器研制奠定了基础。

本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤S100，进行全场串行成像和全场星图识别。

具体的，所述步骤S100，进行全场串行成像和全场星图识别的步骤包括：

步骤S110，依次打开微开关，在二次像面上对打开的微开关内的一次像面视场成像。

串行成像过程如图1、2所示。

步骤S120，建立恒星图像在星敏感器坐标系中的成像位置关系，当打开的微开关处有恒星图像时，提取恒星图像在二次像面上的质心坐标位置。

具体的，恒星图像在二次像面上的质心坐标位置如下：

(x_s2，y_s2)是恒星在二次像面上的质心坐标，x,y是星点连通域内像素的横纵坐标,I_xy是像素的灰度。

步骤S130，根据所述恒星图像在二次像面上的质心坐标计算该恒星在一次像面上的坐标。

具体的，根据所述坐标(x_s2，y_s2)计算该恒星在一次像面上的坐标(x_s1，y_s1)，如式(2)。

其中M₂是放大成像***对一次像面的放大倍率，(x_s1ij，y_s1ij)是第i行第j列微透镜中心的坐标。

微开关与微透镜阵列和后级光学***共同组成放大成像***，对一次像面进行放大成像。假设微透镜的焦距为f2，后级光学***焦距为f3，则放大成像***对一次像面的放大倍率为：

M₂≈f₃/f₂ (3)

假设恒星(α_k,δ_k)的方向向量为：

其中α_k,δ_k分别是天球坐标系的赤经和赤纬。

计算每个星点坐标对应的方向向量V_s1，计算公式为：

其中

其中(x_s10,y_s10)是主点坐标，(x_s1,y_s1)是实测一次像面星点坐标，f是焦距。

可得恒星在天球上的赤经赤纬与一次像面坐标的关系：

V_s1＝M_s1k·V_k (6)

其中M_s1k是旋转矩阵。

步骤S140，确定星光矢量与一次成像面坐标系之间的一一对应的坐标对应关系，多次打开微开关，对多颗恒星进行串行选通成像，在虚拟靶面上实现多颗恒星的准实时成像。

具体的，图2(b)是复用的像素为N×M小靶面，可以将其根据以上公式解复用到M×i×N×j这个虚拟的大靶面上，如图3所示。这样可以确定星光矢量与成像面坐标系之间的一一对应的坐标对应关系。通过多次打开微开关，对多颗恒星实现选通成像，在如图3所示的虚拟靶面上就实现多颗恒星的准实时成像。

步骤S150，对所述的多颗恒星的准实时图像进行星图识别。

具体的，对图3所示的多颗恒星的准实时图像进行星图识别。若识别成功，得到初始姿态信息的粗测，转入步骤S200。识别成功主要因素是合理的开关时间、曝光时间和读出时间的设计。否则，若识别不成功，说明开关时间、曝光时间和读出时间太长，这时准实时图像星点之前延时太长，星间角距误差太大，为了减少这种误差，可以转入半场串行成像，也就是只对前半视场星点进行串行选通成像，或者间隔着开关进行选通成像，开关呈“打开-关闭-打开-关闭”方式排列，这样能够压缩星点之间的成像时间。对得到的半场星图进行星图识别，识别成功转入步骤S200。若仍识别不成功，则***优化综合参数，所述综合参数包括选通视场数、选通开关时间、成像曝光时间和读出时间，直至成功实现星图识别，并转入步骤S200。

步骤S200，选择视场，进行并行选通成像，并进行全场姿态计算，实现姿态信息的精测。

串行测量由于依次打开微开关，打开微开关是有时间需求，这时会造成星点位置发生移动，测的姿态精度有影响，称为粗测；同时打开微透镜，同时成像这时测的精度会比串行的精度高，这时称为精测。

具体的，在粗测的初始姿态的情况下，同时打开一次像面上有星点的微开关，使其在二次像面上同时成像。如图2(b)所示，根据步骤S100中的公式，确定星光矢量与一次成像面坐标系之间的一一对应的坐标对应关系，复原出如图3所示的星图，并进行全场姿态计算，实现瞬态姿态的精测。

经微透镜和后端成像物镜放大成像后，星敏感器探测器坐标系上某颗恒星像坐标为：

通过式(7)，可以确定星点在二次像面上的成像位置。式(7)中，a代表微透镜的半径。

由于共用二次像面成像，有可能会造成星点图像的混叠，如图4所示。

造成混叠的原因是在一次像面上星点成像模式是相同的，既不同星点成像在不同微透镜上，但在以不同微透镜为中心构成的坐标系中的成像位置相同。为了解决这个问题，在并行选通成像，同时打开微开关之前，对视场进行选择，选择互异模式的视场，打开其对应的微开关进行并行成像。所述相同、互异模式示意图如图5所示。

如图5所示，(x_s123，y_s123)是第2行第3列微透镜中心的坐标，(x_s135，y_s135)是第3行第5列微透镜中心的坐标，(x_s162，y_s162)是第6行第2列微透镜中心的坐标。其中三个一次像面的星点1(x_{s1_1}，y_{s1_1})，星点2(x_{s1_2}，y_{s1_2})，星点3(x_{s1_3}，y_{s1_3})成像在三个微透镜视场中。

(x_{s1_1}-x_s123)＝(x_{s1_3}-x_s162),(y_{s1_1}-x_s123)＝(y_{s1_3}-x_s162)，成像在微透镜上的星点1和星点3是相同模式，(x_{s1_1}-x_s123)≠(x_{s1_2}-x_s135),(y_{s1_1}-x_s123)≠(y_{s1_2}-x_s135)，成像在微透镜上的星点1和星点2是互异模式。

步骤S300，进行并行选通成像跟踪。

步骤S310,在步骤S200得到的精确的瞬态姿态情况下，通过卡尔曼滤波预测星敏感器新的姿态信息。

步骤S320，根据预测的所述新的姿态信息计算当前预测星图，将星图映射到选通星敏感器的一次像面上。

步骤S330，同时打开一次像面有星点的微开关，对这些恒星同时成像。

由于已知前一时刻的姿态及在探测器上恒星的星点位置，可以设置一定的跟踪窗口，在前一时刻恒星星点位置附近通过跟踪窗口进行星点位置的匹配跟踪，实现当前时刻星点位置的提取，如图6所示。

如果出现如图7所示的同一个跟踪窗口内有多个星点的情况，可以将前一时刻和当前时刻星点进行随机组合匹配。由于存在错误的组合，通过前一时刻的姿态信息对多组组合匹配进行筛选，最终实现准确星点跟踪匹配。具体过程如下：

1)对所有窗口内星点，与前一时刻星点进行跟踪匹配，如果前一时刻星点的跟踪窗口内只有一个星点，如图7中所式，前一时刻星点1跟踪窗口中只有当前时刻星点1′，则跟踪匹配成功，否则进入步骤2)

2)如图7中星点2和星点3的跟踪窗口内都有两个当前时刻星点2′和星点3′，随机选择星点进行匹配，对随机匹配后的星图进行姿态计算，得到当前姿态值，将当前姿态值减去前一时刻姿态值，得到姿态的差值。

3)重复步骤2)直到所有星点都匹配完成，得到多个姿态的差值，取姿态差值最小的那一组匹配星点最为最终的跟踪匹配结果。如图7中星点2和星点2′及星点3′都进行匹配各自得到星图并且计算姿态，得到姿态的差值，星点2和星点2′匹配时得到的姿态的差值最小，说明星点2和星点2′是正确匹配的星点，而星点2和星点3′的错误匹配通过这种方式被剔除。

综上所述，本发明提供了一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法，包括如下步骤：步骤S100，进行全场串行选通成像和全场星图识别；步骤S200，选择视场，进行并行选通成像，并进行全场姿态计算，实现姿态信息的精测；步骤S300，进行并行选通成像跟踪。本发明采用串行视场选通成像实现星敏感器初始姿态测量，在此基础上并行选通互异星图模式的视场成像，以实现星敏感器瞬态姿态准确测量，从而解决了串行选通速度慢、星点定位不准、测量精度低问题，同时又解决了并行选通星点图像压缩、混叠、不能测量问题，使得这种视场选通成像的星敏感器无需外部设备就能够先后实现初始姿态和瞬态姿态的准确测量。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100，进行全场串行选通成像和全场星图识别；包括：步骤S110，依次打开微开关，在二次像面上对打开的微开关内的一次像面视场成像；步骤S120，建立恒星图像在星敏感器坐标系中的成像位置关系，当打开的微开关处有恒星图像时，提取恒星图像在二次像面上的质心坐标位置；步骤S130，根据所述恒星图像在二次像面上的质心坐标计算该恒星在一次像面上的坐标；步骤S140，确定星光矢量与一次成像面坐标系之间的一一对应的坐标对应关系，多次打开微开关，对多颗恒星进行串行选通成像，在虚拟靶面上实现多颗恒星的准实时成像；步骤S150，对所述的多颗恒星的准实时图像进行星图识别，若识别成功，得到初始姿态信息的粗测，转入步骤S200；若识别不成功，转入半场串行成像，对得到的半场星图进行星图识别，识别成功转入步骤S200；若仍识别不成功，则***优化综合参数，直至成功实现星图识别，并转入步骤S200；

步骤S200，选择视场，进行并行选通成像，并进行全场姿态计算，实现姿态信息的精测；在并行选通成像，同时打开微开关之前，对视场进行选择，选择互异模式的视场，打开其对应的微开关进行并行成像；

步骤S300，进行并行选通成像跟踪；包括：步骤S310，在步骤S200得到的精确的瞬态姿态情况下，通过卡尔曼滤波预测星敏感器新的姿态信息；步骤S320，根据预测的所述新的姿态信息计算当前预测星图，将星图映射到选通星敏感器的一次像面上；步骤S330，同时打开一次像面有星点的微开关，对这些恒星同时成像；

设置跟踪窗口，在前一时刻恒星星点位置附近通过跟踪窗口进行星点位置的匹配跟踪，实现当前时刻星点位置的提取；

若出现如同一个跟踪窗口内有多个星点的情况，将前一时刻和当前时刻星点进行随机组合匹配，由于存在错误的组合，通过前一时刻的姿态信息对多组组合匹配进行筛选，最终实现准确星点位置信息的提取。

2.根据权利要求1所述的一种用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法，其特征在于，步骤S200中，在粗测的初始姿态的情况下，同时打开一次像面上有星点的微开关，使其在二次像面上同时成像，根据步骤S100确定星光矢量与一次成像面坐标系之间的一一对应的坐标对应关系，复原出星图，并进行全场姿态计算，实现瞬态姿态的精测；

经微透镜和后端成像物镜放大成像后，星敏感器探测器坐标系上某颗恒星像坐标为：

。

3.根据权利要求1所述的用于星敏感器的串行并行组合式视场选通成像方法，其特征在于，步骤S120中，所述恒星图像在二次像面上的质心坐标位置如下：

(1)

（x_s2，y_s2）是恒星在二次像面上的质心坐标，

是星点连通域内像素的横纵坐标,

是像素的灰度。

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