專利名稱：高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)測(cè)量技術(shù)，特別是指一種高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
星敏感器(Mar Sensor)是當(dāng)今航天飛行器中廣泛采用的一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測(cè)量部件。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天器的機(jī)動(dòng)性越來(lái)越高，對(duì)星敏感器的性能要求也就越來(lái)越高，而目前的星敏感器存在動(dòng)態(tài)性能較低、姿態(tài)更新率不高的缺點(diǎn)，因此，無(wú)法滿足未來(lái)航天器姿態(tài)測(cè)量的需要。星敏感器動(dòng)態(tài)性能較低、以及姿態(tài)更新率不高是受多方面因素影響的，具體分析如下第一，一方面，為了達(dá)到較高的星等探測(cè)能力，需要較長(zhǎng)的曝光時(shí)間，但是，長(zhǎng)時(shí)間的曝光會(huì)造成星點(diǎn)成像產(chǎn)生拖影，并使星點(diǎn)能量分散，從而造成星等探測(cè)能力下降、視場(chǎng)內(nèi)所能敏感到的恒星數(shù)目減少，以至不能滿足識(shí)別要求；同時(shí)，曝光時(shí)間的增加會(huì)直接影響到姿態(tài)更新率的提升。另一方面，縮短曝光時(shí)間雖然可以減少恒星成像拖影、減少能量分散的影響，同時(shí)可以提高姿態(tài)更新率，但是，縮短曝光時(shí)間就意味著對(duì)暗星的探測(cè)能力減弱，會(huì)造成可敏感恒星數(shù)目減少。由于可敏感恒星數(shù)目由星等探測(cè)靈敏度以及視場(chǎng)大小來(lái)決定， 因此，提高星等探測(cè)靈敏度、增加視場(chǎng)大小可以獲得更多的恒星觀測(cè)信息。然而，對(duì)于現(xiàn)有的星敏感器來(lái)說(shuō)，受體系結(jié)構(gòu)及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工能力的限制， 星等探測(cè)靈敏度與視場(chǎng)大小成為互相影響和制約的兩個(gè)因素。具體來(lái)說(shuō)，在光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑和圖像傳感器尺寸一定的情況下，視場(chǎng)大意味著焦距小，從而會(huì)造成星敏感器的通光孔徑比較小，進(jìn)而造成星等探測(cè)能力比較弱；反之，具有較高的星等探測(cè)能力通常就意味著較大的焦距、較大的通光孔徑、以及較小的視場(chǎng)，同時(shí)還會(huì)增加光學(xué)成像系統(tǒng)的體積及重量，進(jìn)而會(huì)極大地增加星敏感器的體積和重量。第二，星像數(shù)據(jù)吞吐量大，數(shù)據(jù)處理能力存在瓶頸。以1024*10M分辨率的星像的處理為例，如果要實(shí)現(xiàn)50Hz的姿態(tài)更新率，則必須要求在1秒鐘的時(shí)間內(nèi)完成50M 字節(jié)數(shù)據(jù)量的處理，這對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是很大的處理量。第三，現(xiàn)有的星圖識(shí)別及星跟蹤速度較慢，無(wú)法滿足高更新率的要求。因此，受上述三個(gè)方面的影響，當(dāng)前主流星敏感器的動(dòng)態(tài)范圍一般不超過(guò)2° /s, 靜態(tài)情況下的極限敏感星等一般為5 6. 5Mv,曝光時(shí)間一般為100 1000ms，姿態(tài)更新率一般不超過(guò)IOHz。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)、高姿態(tài)更新率的性能星敏感器及其實(shí)現(xiàn)方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供了一種高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器，包括光學(xué)成像系統(tǒng)、以及圖像傳感器；該星敏感器還包括像增強(qiáng)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)信號(hào)處理單元、以及數(shù)字信號(hào)處理/精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(DSP/RISC)單元；其中，像增強(qiáng)器，耦合于所述圖像傳感器前面；用于對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理；圖像傳感器，用于對(duì)像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖；FPGA信號(hào)處理單元，用于對(duì)電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理；DSP/RISC單元，用于將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。上述方案中，所述像增強(qiáng)器包括光陰極、微通道板(MCP，MicroChannel Plate)、 以及熒光屏；其中，光陰極，用于將投射在光陰極上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電子像；MCP，用于將形成的電子像聚焦，并加速投射到熒光屏上，產(chǎn)生增強(qiáng)的電子像；熒光屏，用于記錄增強(qiáng)的電子像，形成增強(qiáng)的光學(xué)信號(hào)星圖。上述方案中，所述光陰極為多堿陰極；
所述MCP的最大亮度增益為8000倍；所述熒光屏為P-22熒光屏。上述方案中，所述多堿陰極為S-25+。上述方案中，所述圖像傳感器為電荷耦合元件(CCD，Charge-Coupled Device) 圖像傳感器、或?yàn)榛パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器。本發(fā)明還提供了一種高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，該方法包括將得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理，將像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖；將電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理；將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，之后利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。上述方案中，所述將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，為利用視場(chǎng)星點(diǎn)位置之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)已識(shí)別出的星點(diǎn)在前k幀星圖中的位置，經(jīng)卡爾曼濾波器預(yù)測(cè)，估計(jì)視場(chǎng)中已識(shí)別出的星點(diǎn)在k+Ι幀的位置，在估計(jì)出的位置范圍內(nèi)進(jìn)行跟蹤；并利用虛擬視場(chǎng)對(duì)新進(jìn)入視場(chǎng)的星點(diǎn)進(jìn)行快速判斷和識(shí)別。本發(fā)明提供的高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器及其實(shí)現(xiàn)方法，將得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理，將像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖；將電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理；將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，之后利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，如此，能使星敏感器具有高動(dòng)態(tài)、高姿態(tài)更新率
4的優(yōu)點(diǎn)。除此以外，在設(shè)計(jì)星敏感器的各處理模塊的參數(shù)時(shí)，通過(guò)對(duì)星敏感器全鏈路的數(shù)字建模仿真，對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的星敏感器在不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)條件下的工作特性進(jìn)行全面仿真和分析，同時(shí)對(duì)星敏感器中各處理模塊的各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)大小、 口徑大小、曝光時(shí)間、以及增益大小之間的最佳配合，如此，能實(shí)現(xiàn)短曝光下高靈敏度的探測(cè)。


圖1為本發(fā)明星敏感器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明像增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的星敏感器全鏈路數(shù)字仿真示意圖；圖4為本發(fā)明星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法流程示意圖；圖5為本發(fā)明星跟蹤的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明再作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明提供的星敏感器，如圖1所示，該星敏感器包括光學(xué)成像系統(tǒng)11、像增強(qiáng)器12、圖像傳感器13、FPGA信號(hào)處理單元14、以及DSP/RISC單元15 ；其中，光學(xué)成像系統(tǒng)11，用于將星體發(fā)射的光進(jìn)行光學(xué)成像處理，得到微弱光學(xué)信號(hào)星圖；像增強(qiáng)器12，用于對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)11得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理；圖像傳感器13，用于對(duì)像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖；FPGA信號(hào)處理單元14，用于對(duì)電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理；DSP/RISC單元15，用于將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，并利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。其中，所述光學(xué)成像系統(tǒng)11與現(xiàn)有的星敏感器的光學(xué)成像系統(tǒng)相同。所述像增強(qiáng)器12耦合于所述圖像傳感器13的前面，這里，所述前面是指將星敏感器平放后，從圖像傳感器13的方向看星敏感器的組成結(jié)構(gòu)依次為像增強(qiáng)器12耦合于所述圖像傳感器13的前面，光學(xué)成像系統(tǒng)11安置于像增強(qiáng)器12的前面。這里，耦合的方式可以通過(guò)光學(xué)鏡頭耦合，或者，通過(guò)光纖光錐耦合。如圖2所示，所述像增強(qiáng)器12包括光陰極121、MCP 122、以及熒光屏123 ；其中，光陰極121，用于將投射在光陰極上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電子像；MCP 122，用于將形成的電子像聚焦，并加速投射到熒光屏123上，產(chǎn)生增強(qiáng)的電子像；熒光屏123，用于記錄增強(qiáng)的電子像，形成增強(qiáng)的光學(xué)信號(hào)星圖。其中，像增強(qiáng)器可進(jìn)行幾千倍的增益設(shè)置，能大大提高光信號(hào)的探測(cè)靈敏度，因此，像增強(qiáng)器具有探測(cè)靈敏度極高的特點(diǎn)，進(jìn)而可以縮短曝光時(shí)間，將像增強(qiáng)器應(yīng)用到星敏感器中，通過(guò)增加像增強(qiáng)器的增益，可以提高對(duì)弱星的探測(cè)能力，進(jìn)而可以解決短曝光時(shí)間
5下的高靈敏度的星等探測(cè)問(wèn)題。現(xiàn)有的像增強(qiáng)技術(shù)主要應(yīng)用在微光夜視上，像增強(qiáng)器12的光譜響應(yīng)特性、增益特性、以及時(shí)間響應(yīng)特性都是根據(jù)觀察者的眼睛的特性設(shè)計(jì)的，因此，并不適合于星敏感器的應(yīng)用。所以，本發(fā)明通過(guò)對(duì)像增強(qiáng)器12的光譜響應(yīng)特性、增益特性、以及時(shí)間響應(yīng)特性進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出適合應(yīng)用于星敏感器的像增強(qiáng)器12，具體實(shí)現(xiàn)原理是這樣的第一，從光譜響應(yīng)特性分析。所謂光譜響應(yīng)特性是指像增強(qiáng)器的響應(yīng)能力與入射波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)特性實(shí)際上是光陰極的光譜響應(yīng)特性，它決定了像增強(qiáng)器工作的光譜范圍。另外，光譜響應(yīng)特性還需要考慮光源與光陰極、光陰極與熒光屏、 熒光屏與圖像傳感器之間在光譜上的匹配程度。其中，所述光源是指光學(xué)成像系統(tǒng)11形成的星體的光學(xué)圖像。這里，首先分析光源與光陰極之間的光譜匹配，星敏感器的光源為恒星星光，恒星星光的特點(diǎn)是信號(hào)弱，光譜范圍為從紫外到近紅外；其中，紫外恒星偏少，可以不作為光源考慮，可見(jiàn)光和近紅外的恒星非常多，尤其是近紅外的恒星，數(shù)目比可見(jiàn)光的恒星數(shù)目還多，非常適合作為星敏感器的探測(cè)目標(biāo)，因此，要求光陰極121在可見(jiàn)光到近紅外的光譜范圍內(nèi)，都要有好的光譜響應(yīng)特性。光陰極的種類很多，常用的光陰極包括銀氧銫陰極、銻銫陰極、多堿陰極、負(fù)電子親和勢(shì)陰極、以及紫外陰極等，其中，多堿陰極不僅量子效率高，而且有寬帶光譜響應(yīng)范圍，它的長(zhǎng)波已擴(kuò)展到0. 9 μ m以上，所以，多堿陰極的光譜特性與恒星的光譜特性是最佳匹配，因此，本發(fā)明采用多堿陰極作為星敏感器的像增強(qiáng)器 12中的光陰極121，進(jìn)一步地，由于多堿陰極中的S-25+在常用的多堿陰極的基礎(chǔ)上，增加了厚度，從而近一步增強(qiáng)了紅光和紅外光的光譜響應(yīng)，因此，采用多堿陰極中的S-25+。作為像增強(qiáng)器12中的光陰極121，從光陰極121與熒光屏123、熒光屏123與圖像傳感器13之間的光譜匹配考慮需要選擇合適的熒光屏類型，使得熒光屏123能與光陰極 121、以及圖像傳感器13能很好的匹配。目前，熒光屏的類型比較多，通常，熒光屏類型的表示方法由P和數(shù)字構(gòu)成，本發(fā)明中采用P-22熒光屏，這是因?yàn)镻-22熒光屏的光譜特性與 S-25+的光譜特性匹配系數(shù)值為0. 8，光譜匹配的非常好，同時(shí)，P-22熒光屏的發(fā)光峰值波長(zhǎng)為550nm，這與圖像傳感器13的光譜也非常地匹配。本發(fā)明采用的光陰極和熒光屏類型， 可使星敏感器的圖像傳感器13獲得高的整體響應(yīng)度，從而能保證高靈敏度的恒星探測(cè)。第二，從增益特性分析。增益特性是像增強(qiáng)器非常重要的特性，正是因?yàn)橄裨鰪?qiáng)器具有增益特性，才使得整個(gè)星敏感器的探測(cè)靈敏度能極大提高，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間曝光下的高靈敏度探測(cè)。像增強(qiáng)器的增益特性是通過(guò)MCP實(shí)現(xiàn)的，MCP是二維的電子圖像倍增級(jí)。對(duì)于星敏感器的應(yīng)用而言，只需要在高動(dòng)態(tài)下、在一定的視場(chǎng)下能觀測(cè)到一定的星等，比如在5° /s，10° X10°的條件下，能觀測(cè)到6Mv星，就可以利用視場(chǎng)內(nèi)可敏感恒星數(shù)目實(shí)現(xiàn)星圖識(shí)別，因此，對(duì)于星敏感器中的像增強(qiáng)器12，增益值不需要達(dá)到它的最大增益閾值。而且，像增強(qiáng)器的增益越大，背景噪聲也就越大，會(huì)造成得到的星像信噪比較差。因此，對(duì)于高動(dòng)態(tài)高更新率的星敏感器，必須要對(duì)像增強(qiáng)器12的增益特性進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)增益大小時(shí)，可以同時(shí)優(yōu)化圖像傳感器13的曝光參數(shù)，在適當(dāng)設(shè)計(jì)像增強(qiáng)器12的增益大小和圖像傳感器13的曝光參數(shù)的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步優(yōu)化光學(xué)成像系統(tǒng)11的設(shè)計(jì)，比如可以減小光學(xué)系統(tǒng)的口徑，增大光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)等，以使設(shè)計(jì)出的星敏感器具有最佳性能。
圖3示出星敏感器全鏈路數(shù)字仿真示意圖，如圖3所示，在進(jìn)行分析時(shí)，需要根據(jù)星敏感器從成像到姿態(tài)輸出的整個(gè)信號(hào)處理鏈路上的各處理模塊分別建立對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。其中，光學(xué)成像模型采用現(xiàn)有的針孔成像模型，在分析時(shí)，需要考慮光學(xué)鏡頭的孔徑、鏡頭透過(guò)率、以及點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等特性，像增強(qiáng)模型考慮光譜響應(yīng)特性、增益特性、背景特性、以及成像特性；光電轉(zhuǎn)換模型考慮積分時(shí)間、量子效率、填充因子、光譜響應(yīng)、以及轉(zhuǎn)換函數(shù)等因素的影響；像增強(qiáng)模型及光電轉(zhuǎn)換模型如下式B = [ f Ls {X)ta {X)t0 (A)Rc (Z)Rm^s Wccd (λ) λ
'aI其中，LsU)為星體光輻射亮度，ta( λ)為大氣的光譜傳輸特性，t。( λ)為成像光學(xué)系統(tǒng)的光譜透射率，Rc(A)為光陰極的光譜響應(yīng)率，I^mSMCP的增益，、(λ)為熒光屏的光譜量子效率，RraU)為C⑶量子效率，λ” λ 2為光陰極的上下響應(yīng)截至波長(zhǎng)。星圖處理、星圖識(shí)別、以及姿態(tài)計(jì)算的模型均采用星敏感器現(xiàn)有的技術(shù)。通過(guò)對(duì)高動(dòng)態(tài)星敏感器全鏈路的數(shù)字建模仿真，對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的星敏感器在不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)條件下的工作特性進(jìn)行全面仿真和分析，同時(shí)對(duì)星敏感器中各處理模塊的各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)大小、口徑大小、曝光時(shí)間、以及增益大小之間的最佳配合，實(shí)現(xiàn)短曝光下高靈敏度的探測(cè)。這里，根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議MCP122的最大亮度增益為8000倍。第三，從時(shí)間響應(yīng)特性分析。像增強(qiáng)器的熒光屏在成像過(guò)程中存在惰性環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為余輝，產(chǎn)生時(shí)間響應(yīng)的滯后，這是限制時(shí)間響應(yīng)的主要環(huán)節(jié)，如此，會(huì)增加圖像傳感器13 的成像周期，進(jìn)而會(huì)直接影響到星敏感器的姿態(tài)更新率。本發(fā)明采用中短余輝的Ρ-22熒光屏，該熒光屏轉(zhuǎn)換效率高，余輝衰減到圖像的10%，所需要的時(shí)間為1 5ms，如果本發(fā)明所設(shè)計(jì)的星敏感器的姿態(tài)更新率為25Hz，圖像傳感器13的成像周期為40ms，由于1 5ms遠(yuǎn)小于40ms，所以對(duì)姿態(tài)更新率的時(shí)間響應(yīng)沒(méi)有影響。圖像傳感器13與現(xiàn)有的星敏感器的圖像傳感器完全相同；所述圖像傳感器13可以為CXD圖像傳感器，也可以是CMOS圖像傳感器?；谏鲜鲂敲舾衅?，本發(fā)明還提供了一種高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法， 如圖4所示，該方法包括以下步驟步驟401 將得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理，將像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖；這里，將得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理的具體處理過(guò)程可采用現(xiàn)有的像增強(qiáng)處理過(guò)程。將像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖的具體處理過(guò)程可采用現(xiàn)有技術(shù)中將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)的處理過(guò)程。步驟402 將電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理；這里，對(duì)電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理的具體處理過(guò)程詳見(jiàn)申請(qǐng)?zhí)枮?201010165504.0、發(fā)明名稱為“一種高動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)星體目標(biāo)提取的方法和裝置”的中國(guó)
專利申請(qǐng)。步驟403 將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，之后利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。
這里，所述快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理是指能使姿態(tài)更新率大于IOHz的星跟蹤處理。本發(fā)明利用已知的姿態(tài)，跟蹤視場(chǎng)中已識(shí)別出的恒星在視場(chǎng)內(nèi)的移動(dòng)，從而提高姿態(tài)的更新速率。在跟蹤狀態(tài)下，為了提高跟蹤效率，縮短跟蹤處理時(shí)間，發(fā)明將星點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制引入到星敏感器中使用，所述將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，具體為利用視場(chǎng)星點(diǎn)位置之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)已識(shí)別出的星點(diǎn)在前k幀星圖中的位置，經(jīng)卡爾曼濾波器預(yù)測(cè)，估計(jì)視場(chǎng)中已識(shí)別出的星點(diǎn)在k+Ι幀的位置，在估計(jì)出的位置范圍內(nèi)進(jìn)行跟蹤；同時(shí)，可利用虛擬視場(chǎng)對(duì)新進(jìn)入視場(chǎng)的星點(diǎn)進(jìn)行快速判斷和識(shí)別。其中，星點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制估計(jì)出視場(chǎng)中已識(shí)別出的星點(diǎn)在k+Ι幀的位置后，能縮小跟蹤窗口的范圍，從而能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的跟蹤。本發(fā)明在星敏感器的使用中引入虛擬視場(chǎng)的概念，目的是為了避免跟蹤的星點(diǎn)個(gè)數(shù)隨跟蹤時(shí)間的增加逐漸減少的情況，并且，為了對(duì)新進(jìn)入視場(chǎng)的星進(jìn)行快速判斷和識(shí)別， 虛擬視場(chǎng)設(shè)計(jì)為比星敏感器的圖像傳感器的視場(chǎng)稍大，這里，建議虛擬視場(chǎng)比圖像傳感器的視場(chǎng)大50個(gè)像素，如此，能更加快速而準(zhǔn)確的對(duì)新進(jìn)入視場(chǎng)的星點(diǎn)進(jìn)行判斷和識(shí)別。確定虛擬視場(chǎng)時(shí)，由已知的星敏感器姿態(tài)信息，計(jì)算出星敏感器當(dāng)前的視軸指向， 并得到在該視軸指向下某一定天區(qū)范圍的星體信息，將該天區(qū)范圍內(nèi)星體的坐標(biāo)從天球坐標(biāo)系變換為圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，之后通過(guò)星點(diǎn)預(yù)測(cè)得到虛擬視場(chǎng)。對(duì)新進(jìn)入視場(chǎng)的星點(diǎn)進(jìn)行判斷和識(shí)別的具體處理過(guò)程與現(xiàn)有的判斷和識(shí)別的處理過(guò)程相同，這里不再贅述。圖5為星預(yù)測(cè)跟蹤的示意圖，如圖5所示，其中，實(shí)線框表示當(dāng)前視場(chǎng)，虛線框表示虛擬視場(chǎng)，☆表示第k幀中已識(shí)別的星點(diǎn)，★表示第k+Ι幀觀測(cè)到的星圖中的星點(diǎn)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，利用星點(diǎn)預(yù)測(cè)機(jī)制得到星點(diǎn)4的跟蹤窗口的半徑為r，因此，星點(diǎn)4只需要在半徑為 r的范圍內(nèi)進(jìn)行跟蹤即可，星點(diǎn)3'與星點(diǎn)4之間的距離為d，d小于r，所以，可以根據(jù)星點(diǎn) 3'與星點(diǎn)4的位置進(jìn)行跟蹤處理，如此，可以縮短跟蹤處理的時(shí)間。從圖5中還可以看出， 對(duì)于星點(diǎn)1為新進(jìn)入視場(chǎng)的星點(diǎn)，星點(diǎn)T為從視場(chǎng)消失的星點(diǎn)。采用本發(fā)明的方案提供的星敏感器的樣機(jī)可以達(dá)到如下指標(biāo)視軸指向精度(Io) :7.5〃，即(5° /s);視場(chǎng)10. Γ X 10. 1° ；數(shù)據(jù)更新率 25Hz;重量2. Ig(含遮光罩)；功耗7W;最大跟蹤角速度10° /s。從這些指標(biāo)可以看出，采用本發(fā)明提供的方案做出的星敏感器的樣機(jī)具有高動(dòng)態(tài)、高姿態(tài)更新率的優(yōu)點(diǎn)，能滿足未來(lái)航天器姿態(tài)測(cè)量的需要。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器，包括光學(xué)成像系統(tǒng)、以及圖像傳感器；其特征在于，該星敏感器還包括像增強(qiáng)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)信號(hào)處理單元、以及數(shù)字信號(hào)處理/精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(DSP/RISC)單元；其中，像增強(qiáng)器，耦合于所述圖像傳感器前面；用于對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理；圖像傳感器，用于對(duì)像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖； FPGA信號(hào)處理單元，用于對(duì)電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理； DSP/RISC單元，用于將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述像增強(qiáng)器包括光陰極、微通道板(MCP)、以及熒光屏；其中，光陰極，用于將投射在光陰極上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電子像；MCP，用于將形成的電子像聚焦，并加速投射到熒光屏上，產(chǎn)生增強(qiáng)的電子像；熒光屏，用于記錄增強(qiáng)的電子像，形成增強(qiáng)的光學(xué)信號(hào)星圖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的星敏感器，其特征在于， 所述光陰極為多堿陰極；所述MCP的最大亮度增益為8000倍； 所述熒光屏為P-22熒光屏。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的星敏感器，其特征在于，所述多堿陰極為S-25+。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的星敏感器，其特征在于，所述圖像傳感器為電荷耦合元件(CCD)圖像傳感器、或?yàn)榛パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q圖像傳感器。
6.一種高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法包括將得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理，將像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖；將電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理；將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，之后利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，為利用視場(chǎng)星點(diǎn)位置之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)已識(shí)別出的星點(diǎn)在前k幀星圖中的位置，經(jīng)卡爾曼濾波器預(yù)測(cè)，估計(jì)視場(chǎng)中已識(shí)別出的星點(diǎn)在k+Ι幀的位置，在估計(jì)出的位置范圍內(nèi)進(jìn)行跟蹤；并利用虛擬視場(chǎng)對(duì)新進(jìn)入視場(chǎng)的星點(diǎn)進(jìn)行快速判斷和識(shí)別。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高動(dòng)態(tài)高更新率星敏感器及其實(shí)現(xiàn)方法，包括將得到的微弱光學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行像增強(qiáng)處理，將像增強(qiáng)處理后的光學(xué)信號(hào)星圖轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)星圖；將電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理；將高動(dòng)態(tài)質(zhì)心定位處理后的電學(xué)信號(hào)星圖進(jìn)行星圖識(shí)別處理，并將已識(shí)別出的恒星進(jìn)行快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理，利用星圖識(shí)別處理后的數(shù)據(jù)及快速星預(yù)測(cè)跟蹤處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。采用本發(fā)明，能使星敏感器具有高動(dòng)態(tài)、高姿態(tài)更新率的性能。
文檔編號(hào)G01C21/24GK102252678SQ20111009717
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者張廣軍, 樊巧云, 江潔, 申娟, 金雁, 魏新國(guó) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)