一種提高aps星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法
【專利摘要】一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，本發(fā)明步驟：(1)根據(jù)星光的光電轉(zhuǎn)換傳遞路徑，建立星敏感器基于恒星能量、通光孔徑、量子效率、運(yùn)動(dòng)角速度、信噪比等參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能分析模型，分析確定積分時(shí)間、靈敏度、視場(chǎng)中恒星探測(cè)概率等動(dòng)態(tài)性能參數(shù)；(2)根據(jù)運(yùn)動(dòng)角速度、視場(chǎng)、圖像探測(cè)器分辨率、星點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等因素確定APS積分時(shí)間；(3)圖像探測(cè)器的卷簾式快門在大運(yùn)動(dòng)角速度情況下，對(duì)星圖恒星對(duì)角距有較大影響，針對(duì)APS特有的卷簾式快門積分方式，設(shè)計(jì)星點(diǎn)位置補(bǔ)償修正方法；(4)設(shè)計(jì)星敏感器雙幀星圖處理模式，根據(jù)兩幀星圖星點(diǎn)位置，在更高角速度情況下，對(duì)航天器角速度進(jìn)行估計(jì)。本發(fā)明提高了APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能。
【專利說(shuō)明】一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種提高APS (有源像元敏感器)星敏感器動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)方法，適用于空間飛行器用恒星敏感器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著空間技術(shù)的發(fā)展，航天器的指向精度也有了越來(lái)越高的要求，姿態(tài)測(cè)量敏感器是衛(wèi)星高精度和高穩(wěn)定度的重要保證。星敏感器是衛(wèi)星控制系統(tǒng)中的重要姿態(tài)測(cè)量敏感器之一，應(yīng)用范圍廣泛。它以天空中的恒星作為觀測(cè)基準(zhǔn)，是現(xiàn)階段精度最高的姿態(tài)測(cè)量敏感器，其姿態(tài)的測(cè)量精度可達(dá)角秒級(jí)甚至更高。
[0003]星敏感器中，APS星敏感器是未來(lái)星敏感器的發(fā)展趨勢(shì)。星敏感器動(dòng)態(tài)性能指其在動(dòng)態(tài)條件下捕獲姿態(tài)的能力，即在某一正確識(shí)別率時(shí)，星敏感器能正常工作對(duì)應(yīng)的飛行器最大角速度，動(dòng)態(tài)性能是衡量星敏感器性能中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，星敏感器具有高動(dòng)態(tài)性能可直接提升航天器的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性，更好的滿足復(fù)雜空間環(huán)境下衛(wèi)星姿態(tài)控制的需求。
[0004]目前星敏感器存在動(dòng)態(tài)性能較低的問(wèn)題，大約為0.6° /s?1.0° /s，星敏感器動(dòng)態(tài)性能與視場(chǎng)、積分時(shí)間、光學(xué)系統(tǒng)通光孔徑及星點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、探測(cè)器量子效率、星圖信噪t匕、星點(diǎn)提取定位算法及星圖匹配算法軟件等因素密切相關(guān)。目前有很多對(duì)星敏感器的研究，目前已經(jīng)有的成果:
[0005]李曉，趙宏，盧欣.動(dòng)態(tài)情況下星敏感器探測(cè)靈敏度研究[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用.2010 ； (01):37-41.[0006]郭賀，鄧年茂，羅長(zhǎng)洲.動(dòng)態(tài)因素對(duì)星敏感器測(cè)星影響的分析[J].航天控制.2008 ； (06):38-41+6.[0007]沈本劍，譚吉春，楊建坤，廖家莉.星敏感器曝光時(shí)間的優(yōu)化[J].光電工程.2009 ；(12):22-6
[0008]龔德鑄，武延鵬，盧欣.一種提高星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法[J].空間控制技術(shù)與應(yīng)用.2009 ； (06):19-23.[0009]李葆華，陳希軍，鄭循江，泮宏梁.星敏感器高動(dòng)態(tài)下自主星跟蹤算法[J].紅外與激光工程.2012 ；(01):190-5.[0010]金雁，江潔，張廣軍.高動(dòng)態(tài)星體目標(biāo)提取方法[J].紅外與激光工程，2011，40(11)
[0011]蔣明，喻明艷，王進(jìn)祥等.適用于高機(jī)動(dòng)性星敏感器的星像坐標(biāo)提取方法[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2009，26 (7)
[0012]但是以上的星敏感器動(dòng)態(tài)性能研究成果都無(wú)法達(dá)到令人滿意的程度，均沒有建立APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能分析模型、沒有系統(tǒng)性對(duì)提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能和不同角速度下最佳積分時(shí)間進(jìn)行分析從而提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能，因此需要研究一種全面有效地提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，實(shí)現(xiàn)了 APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能分析模型的建立、并在此模型的基礎(chǔ)上有效地分析提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的因素及方法。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0015]一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，步驟如下:
[0016]建立星敏感器動(dòng)態(tài)性能分析模型，并在此模型下根據(jù)不同角速度下的探測(cè)靈敏度、視場(chǎng)內(nèi)平均恒星數(shù)量、視場(chǎng)中恒星探測(cè)概率確定星敏感器動(dòng)態(tài)性能范圍；根據(jù)星敏感器動(dòng)態(tài)性能分析模型及動(dòng)態(tài)性能范圍確定的以下任意一種方法或者任意方法的組合均能提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能:
[0017](I)根據(jù)角速度確定APS星敏感器的最佳積分時(shí)間,最佳積分時(shí)間確定方法如下:
[0018]采用散焦的方法使恒星星像在相鄰的像元上形成一個(gè)彌散斑，利用式(I)計(jì)算得到APS星敏感器的最佳積分時(shí)間:
【權(quán)利要求】
1.一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，其特征在于步驟如下: 建立星敏感器動(dòng)態(tài)性能分析模型，并在此模型下根據(jù)不同角速度下的探測(cè)靈敏度、視場(chǎng)內(nèi)平均恒星數(shù)量、視場(chǎng)中恒星探測(cè)概率確定星敏感器動(dòng)態(tài)性能范圍；根據(jù)星敏感器動(dòng)態(tài)性能分析模型及動(dòng)態(tài)性能范圍確定的以下任意一種方法或者任意方法的組合均能提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能: (1)根據(jù)角速度確定APS星敏感器的最佳積分時(shí)間，最佳積分時(shí)間確定方法如下: 采用散焦的方法使恒星星像在相鄰的像元上形成一個(gè)彌散斑，利用式(I)計(jì)算得到APS星敏感器的最佳積分時(shí)間:
其中，Θ為APS星敏感器視場(chǎng)；Naps為圖像探測(cè)器行列方向的像元分辨率，設(shè)定APS行列方向分辨率相同；AR為星敏感器光軸方向角速度； (2)對(duì)APS星敏感器星點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償修正，在星圖識(shí)別之前，根據(jù)星敏感器角速度將提取的星圖星點(diǎn)位置相對(duì)于每幀曝光時(shí)間中心時(shí)刻位置進(jìn)行修正，根據(jù)修正后的星點(diǎn)位置進(jìn)行星圖識(shí)別和姿態(tài)確定； (3)對(duì)APS星敏感器雙幀星圖進(jìn)行處理，通過(guò)降低兩幀星圖之間的時(shí)間間隔和星點(diǎn)位置偏移，然后根據(jù)兩幀星圖星點(diǎn)位置對(duì)星敏感器角速度進(jìn)行估算完成雙幀星圖處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一`種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，其特征在于:所述的動(dòng)態(tài)性能分析模型建立方法為:根據(jù)恒星星光的光電轉(zhuǎn)換傳遞路徑、恒星星等能量、光譜、光學(xué)系統(tǒng)通光孔徑、透過(guò)率、探測(cè)器光譜響應(yīng)曲線、量子效率、星點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、角速度、探測(cè)器讀出噪聲及暗電流、信噪比建立動(dòng)態(tài)性能分析模型: Spixel-k2 XSxel+^dsnu +^ead) =O(2)

N 其中，ε pixel為Mv星等的恒星星光在動(dòng)態(tài)條件下，即AR XL X—21時(shí)，通過(guò)光學(xué)



Θ系統(tǒng)到達(dá)探測(cè)器像面，在每個(gè)像元上產(chǎn)生的光生電子數(shù):
πΟ2
^ θ Enixel =-— X QE X — X--( 3 ) —?χ?he AR X Naps 其中，k為星圖星點(diǎn)提取的臨界信噪比；ndaA為像素在一幀圖像積分時(shí)間內(nèi)的暗電流噪聲、ndsnu為APS星敏感器的暗電流不一致性噪聲、nread為讀出噪聲；HMv為動(dòng)態(tài)條件下星等為Mv的恒星在地面的功率密度；D為光學(xué)系統(tǒng)的通光孔徑；η為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率；ΤΜ為APS圖像傳感器的積分時(shí)間；λ為恒星波長(zhǎng)；QE為APS圖像傳感器的量子效率和填充因子乘積；h為普朗克常數(shù)；c為光速；1X1為星點(diǎn)擴(kuò)散像素面積；ndsnu和riread可由APS手冊(cè)查詢，ndark的計(jì)算過(guò)程為: nJdaA XTM xWixel Χ?Ο-18dark^(4) 其中，1-k為APS星敏感器暗電流，單位為PA / mm2 ;C為單個(gè)電子的電量Npixel為星敏感器中圖像探測(cè)器像元陣列大小； ε Μν0為星等Mv=O時(shí)的恒星星光在動(dòng)態(tài)條件下，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)探測(cè)器像面，在每個(gè)像元上產(chǎn)生的光生電子數(shù):
其中，Hmvci為恒星MvO在地面的功率密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，其特征在于:所述不同角速度下的探測(cè)靈敏度、視場(chǎng)內(nèi)平均恒星數(shù)量、視場(chǎng)內(nèi)恒星探測(cè)概率的確定方法: (1)不同角速度下的探測(cè)靈敏度 由公式(3)計(jì)算出不同角速度下Mv星等恒星在地面的功率密度Hmv，進(jìn)而由式(6)計(jì)算出不同角速度下的探測(cè)靈敏度，即為不同角速度下的可探測(cè)的最暗恒星星等Mv:
(2)不同角速度下的視場(chǎng)內(nèi)平均恒星數(shù)量 根據(jù)不同角速度下的可探測(cè)的最暗恒星星等Mv計(jì)算不同角速度條件下星敏感器視場(chǎng)內(nèi)平均恒星數(shù)量Nfw:

(3)不同角速度下的視場(chǎng)內(nèi)恒星探測(cè)概率 星敏感器通過(guò)至少三顆以上恒星星圖識(shí)別完成姿態(tài)確定，根據(jù)不同角速度條件下星敏感器的探測(cè)靈敏度對(duì)天區(qū)進(jìn)行全天球遍歷掃描，得到一個(gè)固定角速度下星敏感器視場(chǎng)中探測(cè)到三顆恒星概率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，其特征在于:所述步驟(2)中星點(diǎn)中心位置坐標(biāo)補(bǔ)償修正方法，根據(jù)星敏感器動(dòng)態(tài)分析模型確定星敏感器的積分時(shí)間、像元分辨率和視場(chǎng)，星敏感器采用上述參數(shù)后進(jìn)行星圖采集，對(duì)采集后的星圖的星點(diǎn)中心位置坐標(biāo)補(bǔ)償修正方法如下: (a)按照星點(diǎn)位置未補(bǔ)償修正前的計(jì)算方法，計(jì)算星點(diǎn)的位置坐標(biāo)； (b)設(shè)星點(diǎn)的位置坐標(biāo)為(Ui,Vi)，能量為&對(duì)星點(diǎn)u方向位置坐標(biāo)進(jìn)行修正: 其中，VU、VV為APS星敏感器角速度分解為星敏感器光敏像面的行列方向的角速度，(U，Vi)為修正后的行列坐標(biāo)。 (C)利用內(nèi)插算法按式(9)-(12)求星點(diǎn)的重心坐標(biāo):
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，其特征在于:所述步驟(3)中的星敏感器雙幀星圖處理方法，根據(jù)星敏感器動(dòng)態(tài)分析模型確定星敏感器的積分時(shí)間、像元分辨率和視場(chǎng)，星敏感器采用上述參數(shù)后進(jìn)行星圖采集后對(duì)星敏感器雙幀星圖進(jìn)行處理，具體步驟如下: (1)計(jì)算星點(diǎn)矢量 根據(jù)星點(diǎn)重心坐標(biāo)(U，V)，得到入射星點(diǎn)矢量在星敏感器本體坐標(biāo)系中的矢量(X，y,ζ):
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動(dòng)態(tài)性能的方法，其特征在于:所述的彌散斑大小為3~5個(gè) 像素。
【文檔編號(hào)】G01C21/24GK103487058SQ201310403237
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】鐘紅軍, 楊君, 李曉, 王龍, 盧欣, 李玉明, 李春江, 程會(huì)艷, 高益軍 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所