專利名稱：用于數(shù)字式太陽敏感器防止地球反照的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通常作為衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)中的太陽敏感器，具體是指數(shù)字式太陽敏感器捕捉太陽時防止地球反照引起測量精度變差甚至誤判的幾種措施，包括裝置及后端處理算法。
背景技術(shù)：
到現(xiàn)在為止，所有太陽敏感器設(shè)計時都假設(shè)只有一個發(fā)光體，也就是只有太陽出現(xiàn)在敏感器視場中?，F(xiàn)有的太陽敏感器不能區(qū)分是單獨(dú)一個光源在起作用，還是同時看到了幾個發(fā)光體。因此，地球反照干擾將會降低太陽敏感器的精度，在衛(wèi)星出現(xiàn)非正常姿態(tài)時可能會導(dǎo)致誤判。
高精度數(shù)字式太陽敏感器由于所采用的光敏探測元件一般為CCD或CMOS圖像傳感器，對光源的響應(yīng)方式較傳統(tǒng)的采用光電池的模擬式太陽敏感器不同，所以，多數(shù)時間里數(shù)字式太陽敏感器并不受地球反照干擾的影響。不過，在某些軌道上的某些短暫的時間周期里，地球反照可能引起測量精度變差。在衛(wèi)星處于非正常姿態(tài)下的時候，甚至能導(dǎo)致誤判，而將地球反照干擾確定為太陽。
入射到地球的太陽輻射光，一部分被大氣吸收，另一部分被地面和云層反射。包括鏡面反射和漫反射。吸收輻射光的二次發(fā)射對于數(shù)字式太陽敏感器來說可以忽略。
隨著地球地表地貌的不同，地球反照率也有所差異。總的來說，云層的反照率約為0.1～0.8；陸地為0.05～0.45；水面為0.03～0.20；冰雪面為0.25～0.8，南極區(qū)甚至達(dá)到0.84。如此高的反射率，對于大視場高精度的太陽敏感器的影響是顯而易見的。在正常軌道正常姿態(tài)條件下，數(shù)字式太陽敏感器所受地球反照的影響概率較低，即使偶爾出現(xiàn)也可以通過其他姿態(tài)敏感器校正過來。所以，數(shù)字式太陽敏感器對地球反照干擾的解決方法都非常簡單，甚至不予考慮。然而，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)非正常姿態(tài)時，受到地球反照的影響將會大大提高，勢必導(dǎo)致數(shù)字式太陽敏感器的使用效率大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
基于已經(jīng)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供數(shù)字式太陽敏感器捕捉太陽時防止地球反照引起測量精度變差甚至誤判的幾種措施，包括裝置及后端處理算法。
數(shù)字式太陽敏感器都有中性或窄帶濾波片，而太陽輻射到達(dá)地球表面再反射到太陽敏感器時經(jīng)過了兩次大氣吸收。所以通過設(shè)置特殊的窄帶波段以保證大氣對該通帶波段太陽光的吸收較大，這是本發(fā)明的第一個措施。
運(yùn)動的連續(xù)性保證了太陽在探測器上所成的太陽像也是連續(xù)的，不會產(chǎn)生跳變。所以，在后端處理算法上對探測器輸出的太陽像進(jìn)行快速跟蹤，這是本發(fā)明的第二個措施。
當(dāng)入射窗口的大小以及它到探測器面的距離確定以后，太陽在探測器上所成之像斑大小也就確定了。通過對輸出太陽像斑所覆蓋像素數(shù)進(jìn)行判別，可以剔除掉某些漫反射造成的誤判，這是本發(fā)明的第三個措施。
能量余弦效應(yīng)決定了隨著太陽入射角的變化，太陽像斑的灰度值也會變化。對像斑能量最大值進(jìn)行判別，可以剔除掉從大角度進(jìn)來的地球反照干擾。這是本發(fā)明的第四個措施。
在太陽敏感器內(nèi)部建立一套應(yīng)急處理方案，將計算得到的所有太陽角度、像斑覆蓋像素數(shù)以及最大灰度值等參數(shù)均傳給衛(wèi)星姿控系統(tǒng)主計算機(jī)，以備衛(wèi)星非正常狀態(tài)調(diào)整之需。此為本發(fā)明的第五個措施。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和技術(shù)效果1.窄帶濾波波段設(shè)置為大氣吸收較大的波段，較好地防止地表和冰面反射造成的干擾。
2.太陽跟蹤算法能有效防止鏡面強(qiáng)反射造成的太陽像位置突變。
3.對太陽像斑大小和灰度值的判別，能一定程度上剔出出現(xiàn)的反照干擾。
4.在衛(wèi)星非正常狀態(tài)下，應(yīng)急處理方案能將控制權(quán)交給姿控系統(tǒng)主計算機(jī)，提高了處理的靈活性。


圖1是公開了本發(fā)明的防止地球反照方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1給出本發(fā)明一個較好實(shí)施例，并進(jìn)行詳細(xì)描述本實(shí)施例所采用的探測器為FILLFACTORY公司的STAR-1000，像素陣列為1024×1024，像素大小為15μm×15μm。圖像的采集和后端的處理算法可以由一片現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)完成，采用的FPGA為XINLINX公司的XQV300。還包括用于數(shù)據(jù)存儲的兩片EEPROM，采用ATMEL公司的AT28HC256。
具體的實(shí)施流程如圖1所示，包括以下步驟S1、窄帶濾波太陽光線到達(dá)探測器之前需要進(jìn)行能量衰減，以保證太陽敏感器的輸出不會飽和。窄帶濾光片的中心頻率可設(shè)置為750nm左右，大氣對此波長附近波段的吸收較其它可見波段要高得多。通光帶寬依據(jù)探測器的光譜響應(yīng)稍有不同，典型值可設(shè)為10nm，厚度約為5mm，取石英材質(zhì)。
S2、后端處理包括S2.1、太陽捕獲對探測器輸出的整幀圖像進(jìn)行循環(huán)掃描，搜尋是否出現(xiàn)灰度高于閾值的像素群。
S2.2、太陽跟蹤一旦搜索到像素群，便對像素群區(qū)域進(jìn)行跟蹤。跟蹤的原理為對此區(qū)域進(jìn)行開窗處理，以小視窗中線為界分別計算兩邊的能量總和，當(dāng)兩邊能量總和不相等時，移動小視窗位置直到兩邊能量大致相等，便可以判別太陽在探測器面上的移動趨勢。具體做法將小視窗內(nèi)像素群的灰度數(shù)據(jù)寫入FPGA內(nèi)預(yù)先設(shè)置好的RAM，RAM的數(shù)據(jù)容量與小視窗內(nèi)像素數(shù)相同，然后對RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理——先對RAM內(nèi)所有像素的灰度值求和，得到總能量S0，其次，對每一行求和得到S1，S2，…，Sn，并依次累加S＝S1+S2+…+Sn，如果在第m行時S開始大于1/2S0，那么第m行即為小視窗的中心。同理，對列的處理也是如此。同時，在FPGA內(nèi)保存兩個參數(shù)——太陽像斑覆蓋的像素數(shù)，也就是小視窗的大小以及小視窗內(nèi)像素灰度的最大值。
S2.3、太陽像斑大小及灰度判別在FPGA內(nèi)對太陽進(jìn)行算法跟蹤的時候，實(shí)際上也就得到了太陽像斑的形心——太陽在探測器上成像的實(shí)際位置。根據(jù)這個位置參數(shù)，調(diào)用EEPROM內(nèi)的校正數(shù)據(jù)，便可以得到最終的輸出角度。本實(shí)施例所采用的求算太陽像斑形心的算法為“質(zhì)心”算法，其公式為Xcent=Σr=1mΣc=1nXr·I(r,c)Σr=1mΣc=1nI(r,c)]]>Ycent=Σr=1mΣc=1nYc·I(r,c)Σr=1mΣc=1nI(r,c)]]>式中，Xcent和Ycent表示最后求得的形心坐標(biāo)，(Xr，Ye)表示r行c列上象素的坐標(biāo)，I(r，c)表示第r行c列上像素的灰度值。通過理論計算和實(shí)驗(yàn)分析，本實(shí)施例得到的角度擬合曲線為二元一次多項(xiàng)式θ＝ax+by+c，其中系數(shù)a，b，c即為EEPROM內(nèi)存放的數(shù)據(jù)。
根據(jù)計算機(jī)仿真結(jié)果，由于存在太陽擴(kuò)散效應(yīng)和能量余弦效應(yīng)，對于不同的角度范圍，其光斑覆蓋的像素數(shù)和灰度值將不同，將這部分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)先存放入EEPROM。
在捕獲太陽的過程中，如果同時捕獲到地球反照干擾形成的假像，那么可以根據(jù)在太陽跟蹤模塊里得到的像斑所覆蓋的像素數(shù)和像素區(qū)域灰度最大值，參考像斑計算得來的角度值，對照EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)便可以剔除掉那些明顯的假像。并將得到的結(jié)果與太陽跟蹤模塊實(shí)時反饋，以便更有效地跟蹤太陽。
S3、應(yīng)急方案處理在衛(wèi)星非正常狀態(tài)或其它緊急情況時，由主控計算機(jī)發(fā)出指令，將計算得到的所有太陽角度、像斑覆蓋像素數(shù)、以及最大灰度值等參數(shù)均傳送給衛(wèi)星姿控系統(tǒng)主計算機(jī)，以提高處理的靈活性。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)字式太陽敏感器防止地球反照的方法，包括步驟S1.在光學(xué)裝置上，對到達(dá)探測器的太陽光線首先進(jìn)行窄帶濾波，濾光片的中心頻率設(shè)置為750nm左右，大氣對此波長附近波段的吸收較其它可見波段要高得多，通光帶寬依據(jù)探測器的光譜響應(yīng)稍有不同；S2.在后端處理算法上，先對探測器的整幀圖像進(jìn)行循環(huán)掃描，搜尋是否出現(xiàn)灰度高于閾值的像素群、一旦太陽出現(xiàn)，則實(shí)施快速跟蹤、如果同時搜索到地球反照形成的假像，便根據(jù)像斑所覆蓋的像素數(shù)和像素區(qū)域灰度最大值來剔出掉那些明顯的假像，并與太陽跟蹤模塊實(shí)時反饋，以便更有效地跟蹤太陽；S3.在衛(wèi)星非正常狀態(tài)或其他緊急情況時，由主控計算機(jī)發(fā)出指令，將計算得到的所有太陽角度、像斑覆蓋像素數(shù)、以及最大灰度值均傳送給衛(wèi)星姿控系統(tǒng)主計算機(jī)，用以提高處理的靈活性。
全文摘要
一種用于數(shù)字式太陽敏感器防止地球反照的方法，包括步驟S1、在光學(xué)裝置上，對到達(dá)探測器的太陽光線進(jìn)行窄帶濾波，濾光片的中心頻率設(shè)為750nm左右；S2、在后端處理算法上，對探測器的整幀圖像進(jìn)行循環(huán)掃描，搜尋灰度高于閾值的像素群、一旦太陽出現(xiàn)則快速跟蹤、如果同時搜索到地球反照形成的假像，便根據(jù)像斑所覆蓋的像素數(shù)和像素區(qū)域灰度最大值剔掉明顯的假像，并與太陽跟蹤模塊實(shí)時反饋；S3、在衛(wèi)星非正常狀態(tài)或其他緊急情況時，由主控計算機(jī)發(fā)出指令，將計算得到的所有太陽角度、像斑覆蓋像素數(shù)以及最大灰度值等參數(shù)傳送給衛(wèi)星姿控系統(tǒng)主計算機(jī)。本發(fā)明有效地防止地球反照對太陽敏感器的影響，在衛(wèi)星非正常狀態(tài)下能提高操作的靈活性。
文檔編號B64G1/36GK101089553SQ20071004352
公開日2007年12月19日 申請日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者朱鴻泰, 孫勝利, 仇善昌, 席紅霞, 陳凡勝, 饒鵬 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所