專利名稱：一種aps星敏感器在軌噪聲自主抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種APS星敏感器在軌噪聲自主抑制方法，可以在星上實現(xiàn)星敏感器空域噪聲的自適應(yīng)補償，主要在衛(wèi)星角速度較小(轉(zhuǎn)換成星敏感器角速度須小于0.039° / s)的情況下使用。
背景技術(shù)：
APS星敏感器是衛(wèi)星重要的定姿設(shè)備，影響APS星敏感器定姿精度的因素包括圖像噪聲、識別導(dǎo)航星個數(shù)、單星定位精度、質(zhì)心提取精度等。其中，圖像噪聲是最底層的影響因素，在某種程度上決定著其他因素的好壞。APS星敏圖像噪聲包括空域噪聲和時域噪聲， 其中空域噪聲包括固定模式噪聲、暗電流不一致性和白噪點等，其中的暗電流不一致性和白噪點可統(tǒng)一為固定模式噪聲(FPN)，均與溫度和積分時間相關(guān)。因此對于長壽命高精度 APS星敏感器來講，須在后端圖像處理環(huán)節(jié)對APS星圖噪聲進行抑制。目前APS星敏感器通用校正方法是采取地面進行標定，擬合出坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，最大程度地將星圖的畸變、像差進行了校正，但隨著APS成像芯片在軌性能下降，F(xiàn)PN、DSNU、 白噪點等噪聲逐漸變得惡劣，將引起星敏在軌定姿精度逐漸下降?，F(xiàn)有的在軌標定方法一般通過在軌星圖下傳，然后進行地面分析處理，將更新后的標定參數(shù)通過在軌上傳至APS 星敏程序區(qū)。此方法僅能維持一段時間內(nèi)APS星敏感器的在軌性能，但隨著溫度的變化與在軌時間的推移，成像芯片性能進一步下降，參數(shù)進一步變差，導(dǎo)致此前更新的標定參數(shù)逐漸無法滿足測量精度要求。地面標定及在軌參數(shù)標定均需較長的時間成本，不具實時性，且在軌下傳及注入需要多個分系統(tǒng)配合，操作較為復(fù)雜，具有一定風(fēng)險。為了滿足APS星敏感器自主智能性及長壽命高精度的要求，急需一種在軌自主進行星敏感器噪聲抑制的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種APS星敏感器在軌噪聲自主抑制方法，利用IIR自適應(yīng)濾波器，實現(xiàn)了 APS星敏感器星圖噪聲的自適應(yīng)估計， 最大程度地抑制并消除APS星敏感器的空域噪聲，無需地面標定，具備實時性和自主性的優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種APS星敏感器在軌噪聲自主抑制方法，預(yù)報窗口大小為NX N像素，其中N = 9，步驟如下(1)判斷APS星敏感器的角速度ω是否彡0.039° /s，若是，則對當(dāng)前幀星圖直接進行數(shù)據(jù)處理，不進行噪聲抑制；否則，執(zhí)行步驟O)；(2)循環(huán)處理M個預(yù)報窗口，M為APS星敏感器視場內(nèi)的預(yù)報窗口個數(shù)，每個預(yù)報窗口的處理過程為(a)首先建立一個對應(yīng)的背景修正模版Bi，該背景修正模版Bi由9X9個數(shù)組元素組成，每個數(shù)組元素存放對應(yīng)位置的灰度噪聲修正量，背景修正模版Bi中數(shù)組元素的初始值為0 ；
(b)在當(dāng)前幀星圖讀取當(dāng)前預(yù)報窗口外包一圈像素的灰度，預(yù)報窗口外包一圈像素的個數(shù)為40，對每一個像素灰度進行IIR自適應(yīng)濾波處理得到該像素的灰度噪聲修正量并進行存儲；(C)對于當(dāng)前預(yù)報窗口內(nèi)的像素，若被固定模式噪聲修正，則將被修正的像素設(shè)置標記為1，并在背景修正模版Bi中的相應(yīng)位置寫入該像素的灰度噪聲修正量，否則背景修正模版Bi中數(shù)組元素的值為0 ；(d)利用當(dāng)前預(yù)報窗口中任意一個像素的原始灰度減去模版中該像素對應(yīng)的灰度噪聲修正量得到當(dāng)前預(yù)報窗口中每個像素修正后的灰度；(e)遍歷M個預(yù)報窗口，根據(jù)預(yù)報窗口內(nèi)修正后的像素灰度采用灰度重心法計算星點質(zhì)心，最終實現(xiàn)在軌噪聲自主抑制。所述步驟(1)中APS星敏感器角速度是指APS星敏感器光軸掃過天區(qū)的角速度， 即星敏感器X、Y軸角速度的合成矢量。所述步驟(1)中星敏感器角速度的門限值0. 039° /s的計算方法為在光積分時間為100ms，視場20° X20°，成像芯片面陣為IOMX 10 的前提下，保證星點質(zhì)心在一個像素內(nèi)至少停留5幀，計算公式如下ω*3600/ 1000/100 ≤20/1024/5得出APS星敏感器的角速度ω≤0.039° /s。所述步驟(b)中預(yù)報窗口外包一圈像素個數(shù)40的計算方法為預(yù)報窗口大小為 NXN，則外包一圈像素個數(shù)為(N+2)2-N2 = 4*N+4，N = 9。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(1)本發(fā)明不占用硬件資源，軟件實現(xiàn)，利用IIR自適應(yīng)濾波器，實現(xiàn)了 APS星敏感器星圖噪聲的自適應(yīng)估計，最大程度地抑制并消除APS星敏感器的空域噪聲，無需地面標定，具備實時性的優(yōu)點。(2)本發(fā)明在開啟自主抑制開關(guān)后，星上軟件會根據(jù)星敏角速度及星敏窗口跟蹤模式的工作原理，自主預(yù)報窗口位置并實時計算窗口外包一圈像元的FPN修正值，星敏角速度越小，對外包一圈像素的修正迭代次數(shù)越多，噪聲被抑制得越充分，自主性高。


圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；圖2為APS星敏感器測量坐標系示意圖；圖3為本發(fā)明預(yù)報窗口與對應(yīng)模版的對照關(guān)系圖；圖4為9X9像素大小的預(yù)報窗口及外包一圈像素；圖5為本發(fā)明中IIR自適應(yīng)濾波器的實現(xiàn)流程圖；圖6為本發(fā)明星點質(zhì)心移動示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行進一步的詳細描述。APS星敏感器是衛(wèi)星重要的定姿設(shè)備，為了提高星敏感器的數(shù)據(jù)更新率，星敏感器根據(jù)全天捕獲提供的粗姿態(tài)信息，搜索局部天區(qū)的導(dǎo)航星，根據(jù)姿態(tài)矩陣、導(dǎo)航星的慣性矢量及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)計算視場中導(dǎo)航星在成像芯片上的二維坐標，以此坐標所在像素為中心，開辟9 X 9像素大小的預(yù)報窗口，然后在此預(yù)報窗口中進行像素遍歷進而提取星點，最終根據(jù)星點坐標進行導(dǎo)航星的匹配識別，最終完成姿態(tài)計算。本發(fā)明的實現(xiàn)原理是應(yīng)用在對預(yù)報窗口進行像素遍歷與星點提取之前，首先對預(yù)報窗口外包一圈像素進行IIR自適應(yīng)濾波處理，計算像素灰度的固定模式噪聲修正量， 以備后用。接下來確定預(yù)報窗口內(nèi)的像素是否曾經(jīng)被修正過，若被修正過，則將該像素的修正量寫入模版對應(yīng)位置；若未被修正，則模版對應(yīng)位置置0。然后將預(yù)報窗口內(nèi)的像素原始灰度與對應(yīng)修正量作差，得到修正后灰度，再利用修正后的像素灰度進行窗口像素遍歷及星點提取。如圖1所示，詳細實施方式如下(1)首先判斷APS星敏感器的角速度是否彡0.039° /s，若是，則對當(dāng)前幀星圖直接進行數(shù)據(jù)處理，不進行噪聲抑制；否則，執(zhí)行步驟O)；星敏角速度門限值0.039° /s是指在光積分時間為100ms，視場20° X20°，成像芯片面陣為IOMX IOM前提下，保證星點質(zhì)心在一個像元內(nèi)至少停留5幀，則計算公式如下
Γ ω*3600 ζ 20/1024-^-
1000/100 5得出ω彡0. 039° /s時，滿足要求。APS星敏感器光軸掃過天區(qū)的角速度，即星敏感器X、Y軸角速度的合成矢量，如圖 2。(2)循環(huán)處理M個預(yù)報窗口，M為APS星敏感器視場內(nèi)的預(yù)報窗口個數(shù)，每個預(yù)報窗口的處理過程為(a)首先建立一個對應(yīng)的背景修正模版Bi，該背景修正模版Bi由9X9個數(shù)組元素組成，每個數(shù)組元素存放對應(yīng)位置的灰度噪聲修正量，背景修正模版Bi中元素的初始值為0，如圖3所示。(b)在當(dāng)前幀星圖讀取當(dāng)前預(yù)報窗口外包一圈像素的灰度，預(yù)報窗口外包一圈像素的個數(shù)為40，如圖4所示，預(yù)報窗口外包一圈像元個數(shù)40，是指預(yù)報窗口大小為NXN， 則外包一圈像元個數(shù)為(N+2)2-N2 = 4*N+4，取N = 9，則個數(shù)為40，對每一個像素灰度進行 IIR自適應(yīng)濾波處理得到該像素的灰度噪聲修正量并進行存儲，如圖5示意圖所示。(c)對于當(dāng)前預(yù)報窗口內(nèi)的像素，若被固定模式噪聲修正，則將被修正的像素設(shè)置標記為1，并在背景修正模版Bi中的相應(yīng)位置寫入該像素的灰度噪聲修正量，否則背景修正模版Bi中數(shù)組元素的值為0。(d)利用當(dāng)前預(yù)報窗口中任意一個像素的原始灰度減去模版中該像素對應(yīng)的灰度噪聲修正量得到當(dāng)前預(yù)報窗口中每個像素修正后的灰度。如圖6，最左邊的圖中質(zhì)心坐標在(m，η)像素，至少停留5幀后，質(zhì)心坐標移動到中間圖中所述的(m+l，n)像素，至少停留5幀后，質(zhì)心坐標移動到最右邊圖中所述的(m+2， η)像素。質(zhì)心坐標停留在(m，n)像素內(nèi)時，預(yù)報窗口外包一圈的像素將進行迭代計算對應(yīng)的修正量，當(dāng)質(zhì)心坐標移動到(m+1，η)時，中間圖中的預(yù)報窗口涵蓋了最左邊中的部分邊緣像素，即第m+5列中的部分像素，在中間圖中，這部分像素是被修正過的，將對應(yīng)的修正量寫入模版的對應(yīng)位置，在進行(d)時，運用的灰度噪聲修正量即是這里所述的數(shù)值。當(dāng)質(zhì)心坐標移動到(m+2，η)時，最右邊圖中預(yù)報窗口的第m+5列涵蓋了最左邊圖中的部分邊緣像素，同時最右邊圖中預(yù)報窗口的第m+6列涵蓋了中間圖中的部分邊緣像素。這兩列像素分別在最左邊圖中和中間圖中被修正過，將對應(yīng)的修正量寫入模版的對應(yīng)位置。(e)遍歷M個預(yù)報窗口，根據(jù)預(yù)報窗口內(nèi)修正后的像素灰度采用灰度重心法計算星點質(zhì)心。在噪聲自主抑制開關(guān)開啟后，當(dāng)星點質(zhì)心像移≤N時(以圖6中質(zhì)心移動為例)， 預(yù)報窗口中的像元并未完全被修正，故當(dāng)前幀計算出來的星點質(zhì)心為部分固定模式噪聲修正的結(jié)果；當(dāng)星點質(zhì)心像移> N時，預(yù)報窗口中的像元已經(jīng)完全被修正，故當(dāng)前幀計算出來的星點質(zhì)心為完全固定模式噪聲修正的結(jié)果，在此之后，隨著星點質(zhì)心的像移，預(yù)報窗口中計算出的質(zhì)心坐標皆是完全固定模式噪聲修正的結(jié)果。本發(fā)明未詳細描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種APS星敏感器在軌噪聲自主抑制方法，預(yù)報窗口大小為NXN像素，其中N = 9， 其特征在于步驟如下(1)判斷APS星敏感器的角速度ω是否彡0.039°/s，若是，則對當(dāng)前幀星圖直接進行數(shù)據(jù)處理，不進行噪聲抑制；否則，執(zhí)行步驟O)；(2)循環(huán)處理M個預(yù)報窗口，M為APS星敏感器視場內(nèi)的預(yù)報窗口個數(shù)，每個預(yù)報窗口的處理過程為(a)首先建立一個對應(yīng)的背景修正模版Bi，該背景修正模版Bi由9X9個數(shù)組元素組成，每個數(shù)組元素存放對應(yīng)位置的灰度噪聲修正量，背景修正模版Bi中數(shù)組元素的初始值為0;(b)在當(dāng)前幀星圖讀取當(dāng)前預(yù)報窗口外包一圈像素的灰度，預(yù)報窗口外包一圈像素的個數(shù)為40，對每一個像素灰度進行IIR自適應(yīng)濾波處理得到該像素的灰度噪聲修正量并進行存儲；(c)對于當(dāng)前預(yù)報窗口內(nèi)的像素，若被固定模式噪聲修正，則將被修正的像素設(shè)置標記為1，并在背景修正模版Bi中的相應(yīng)位置寫入該像素的灰度噪聲修正量，否則背景修正模版Bi中數(shù)組元素的值為0;(d)利用當(dāng)前預(yù)報窗口中任意一個像素的原始灰度減去模版中該像素對應(yīng)的灰度噪聲修正量得到當(dāng)前預(yù)報窗口中每個像素修正后的灰度；(e)遍歷M個預(yù)報窗口，根據(jù)預(yù)報窗口內(nèi)修正后的像素灰度采用灰度重心法計算星點質(zhì)心，最終實現(xiàn)在軌噪聲自主抑制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種APS星敏感器噪聲自主抑制方法，其特征在于所述步驟(1)中APS星敏感器角速度是指APS星敏感器光軸掃過天區(qū)的角速度，即星敏感器X、Y 軸角速度的合成矢量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種APS星敏感器噪聲自主抑制方法，其特征在于所述步驟(1)中星敏感器角速度的門限值0. 039° /S的計算方法為在光積分時間為100ms，視場 20° X20°，成像芯片面陣為IOMX 10 的前提下，保證星點質(zhì)心在一個像素內(nèi)至少停留 5幀，計算公式如下6；*3600 <20/10241000/100、5得出APS星敏感器的角速度ω≤0. 039° /s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種APS星敏感器噪聲自主抑制方法，其特征在于所述步驟(b)中預(yù)報窗口外包一圈像素個數(shù)40的計算方法為預(yù)報窗口大小為NXN，則外包一圈像素個數(shù)為(N+2)2-N2 = 4*N+4，N = 9。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種APS星敏感器在軌噪聲自主抑制方法，應(yīng)用在對預(yù)報窗口進行像素遍歷與星點提取之前，首先對預(yù)報窗口外包一圈像素進行IIR自適應(yīng)濾波處理，計算像素灰度的固定模式噪聲修正量，以備后用，接下來確定預(yù)報窗口內(nèi)的像素是否曾經(jīng)被修正過，若被修正過，則將該像素的修正量寫入模版對應(yīng)位置；若未被修正，則模版對應(yīng)位置置0，然后將預(yù)報窗口內(nèi)的像素原始灰度與對應(yīng)修正量作差，得到修正后灰度，再利用修正后的像素灰度進行窗口像素遍歷及星點提取。本發(fā)明不占用硬件資源，軟件實現(xiàn)，無需地面標定，具備實時性和自主性高的優(yōu)點。
文檔編號G01C25/00GK102564457SQ20111046076
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者劉達, 盧欣, 李春江, 李曉, 李玉明, 程會艷, 趙春暉, 鄭然 , 鐘紅軍, 黃欣 申請人:北京控制工程研究所