一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，涉及天文導航【技術領域】，為解決星敏感器自主為高機動載體導航時，極易出現(xiàn)姿態(tài)丟失，降低了星敏感器數(shù)據(jù)的錄取率和更新速率等問題，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中加入初始角速度測量模塊，在載體高機動時能夠有效地銜接初始姿態(tài)測量模塊和跟蹤模塊。將跟蹤測量模塊改進為預測跟蹤測量模塊，根據(jù)初始角速度測量模塊提供的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，預測下一采樣周期星敏感器的姿態(tài)角及視場內導航星坐標，完成窗口跟蹤及姿態(tài)測量。利用本模塊的姿態(tài)測量結果更新姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，執(zhí)行預測跟蹤功能。在預測跟蹤測量模塊中，引入星圖分布條件數(shù)輔助判斷姿態(tài)測量精度，當星圖分布條件數(shù)較大時，觸發(fā)預測跟蹤測量模塊識別更多的導航星。
【專利說明】一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及天文導航【技術領域】，具體涉及一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，尤其是為可獨立用于高機動載體的星敏感器進行數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]星敏感器是以恒星為測量目標的姿態(tài)敏感器。自20世紀90年代，隨著大面陣CXD以及CMOS器件的應用，大視場星敏感器能在不需要任何外部基準信息的前提下，基于多星矢量自主精確地提供自身相對于慣性坐標系的姿態(tài)信息，根據(jù)星敏感器在載體上的安裝矩陣進而得到載體相對于慣性坐標系的姿態(tài)信息。由于新一代星敏感器具有精度高、自主性強、隱蔽性好等特點，被國內外廣泛關注和研究。
[0003]目前，具備自主導航功能的星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一般僅有初始姿態(tài)測量模塊和跟蹤測量模塊，適用于載體角速度較小的場合。在為如艦船、飛機、導彈等高機動載體導航時，如果沒有其它姿態(tài)敏感器提供姿態(tài)角或姿態(tài)角速度等信息，因初始姿態(tài)測量模塊執(zhí)行時間較長，執(zhí)行結束時，星敏感器姿態(tài)角可能已經變化較大，此時，如果在下一采樣周期，直接切換到跟蹤模塊，極易出現(xiàn)兩個測量模塊之間銜接性差，引起姿態(tài)丟失，星敏感器需要重新建立初始姿態(tài)，這樣會極大地降低星敏感器數(shù)據(jù)的錄取率和數(shù)據(jù)更新速率。雖然當前初始姿態(tài)捕獲能夠達到較快的速度，但也需要幾個采樣周期，無法滿足為高機動載體自主導航的需求。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明為解決星敏感器自主為高機動載體導航時，極易出現(xiàn)姿態(tài)丟失，降低了星敏感器數(shù)據(jù)的錄取率和更新速率等問題，本發(fā)明提供了一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0005]一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收外部發(fā)送的觀測星信息，對外提供當前采樣周期星敏感器的三軸姿態(tài)角數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)包括初始姿態(tài)測量模塊、初始角速度測量模塊和預測跟蹤測量模塊；
[0006]所述初始姿態(tài)測量模塊用于對外部發(fā)送的觀測星信息進行全天自主星圖識別，捕獲星敏感器的初始姿態(tài)角，并將初始姿態(tài)角傳送至初始角速度測量模塊；
[0007]所述初始角速度測量模塊用于接收姿態(tài)角信息，根據(jù)姿態(tài)角信息對外部發(fā)送的觀測星信息進行局部星圖識別并計算姿態(tài)，連續(xù)成功得到兩次姿態(tài)測量結果后，計算姿態(tài)角速度，將當前測量得到的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度傳送至預測跟蹤測量模塊；
[0008]所述預測跟蹤測量模塊接收星敏感器當前姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，并預測下一采樣周期星敏感器視場內導航星的坐標，與外部發(fā)送的觀測星坐標進行窗口匹配，完成跟蹤識另IJ，計算星敏感器當前采樣周期實際的姿態(tài)角，以此姿態(tài)角更新星敏感器姿態(tài)角和姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)，向外輸出當前采樣周期星敏感器實際測量的姿態(tài)角數(shù)據(jù)。
[0009]所述的初始角速度測量模塊接收的姿態(tài)角信息，包括初始姿態(tài)測量模塊提供的初始姿態(tài)角或預測跟蹤測量模塊提供的當前采樣周期的預測姿態(tài)角的信息。[0010]所述預測跟蹤測量模塊預測下一采樣周期星敏感器視場內導航星坐標的具體過程為:根據(jù)當前采樣周期更新的星敏感器姿態(tài)角和姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)，預測下一采樣周期的姿態(tài)角，同時得到慣性坐標系到星敏感器坐標系的旋轉矩陣，結合已跟蹤星在慣性坐標系中的坐標，計算所述已跟蹤星投影在探測器平面的坐標，判斷視場內星數(shù)目以及星圖分布條件數(shù)是否滿足設置的閾值，如果否，執(zhí)行步驟a，如果是，執(zhí)行步驟b ；
[0011]步驟a、根據(jù)預測的姿態(tài)角提取視場內的導航星，根據(jù)慣性坐標系到星敏感器坐標系的旋轉矩陣，計算所述提取的導航星投影在探測器平面的坐標，然后執(zhí)行步驟b ;
[0012]步驟b、在預測的星像坐標小窗口內匹配觀測星的坐標信息；并判斷匹配觀測星的數(shù)目是否滿足設定的閾值，如果是，執(zhí)行步驟c ;如果否，執(zhí)行步驟d ；
[0013]步驟C、計算星敏感器當前采樣周期實際測量得到的姿態(tài)角，并根據(jù)獲得的姿態(tài)角更新姿態(tài)角和姿態(tài)角速度。
[0014]步驟d、將當前采樣周期的預測姿態(tài)角傳送至初始角速度測量模塊。
[0015]所述的初始姿態(tài)測量模塊和初始角速度測量模塊中采用的星圖識別方法為子圖同構類或模式識別類星圖識別方法。
[0016]所述初始姿態(tài)測量模塊、初始角速度測量模塊和預測跟蹤測量模塊中的星敏感器姿態(tài)角計算方法，采用最小二乘法、Quest算法或卡爾曼濾波方法。
[0017]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中加入初始角速度測量模塊，在在載體高機動時能夠有效地銜接初始姿態(tài)測量模塊和跟蹤模塊。將跟蹤測量模塊改進為預測跟蹤測量模塊，根據(jù)初始角速度測量模塊提供的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，預測下一采樣周期星敏感器的姿態(tài)角及視場內導航星坐標，完成窗口跟蹤及姿態(tài)測量。此后，利用本模塊的姿態(tài)測量結果更新姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，執(zhí)行預測跟蹤功能。在預測跟蹤測量模塊中，引入星圖分布條件數(shù)輔助判斷姿態(tài)測量精度，當星圖分布條件數(shù)較大時，觸發(fā)預測跟蹤測量模塊識別更多的導航星。具體的優(yōu)點在于:
[0018]一、本發(fā)明中的星敏感器數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以使星敏感器在不需要外部參考基準的情況下自主為高機動載體導航；
[0019]二、本發(fā)明中的初始角速度測量模塊能夠在高機動時有效地銜接初始姿態(tài)測量模塊和預測跟蹤測量模塊，使其平穩(wěn)過渡，能夠避免星敏感器在高機動時切換功能模塊引起的姿態(tài)丟失；
[0020]三、本發(fā)明中由于將跟蹤測量模塊改進為預測跟蹤測量模塊，提高了星跟蹤功能的可靠性，從而保證星敏感器能夠持續(xù)穩(wěn)定輸出導航數(shù)據(jù)；
[0021]四、本發(fā)明中的預測跟蹤測量模塊由于引入星圖分布條件數(shù)作為輔助判斷姿態(tài)測量精度的依據(jù)，可以保證星敏感器能夠提供較高精度的導航數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明所述的星敏感器數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)框圖；
[0023]圖2為本發(fā)明所述的典型星圖分布的姿態(tài)測量統(tǒng)計結果示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明所述的星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中預測跟蹤測量模塊的數(shù)據(jù)處理流程不意圖；
[0025]圖4為采用本發(fā)明所述的星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)測試彈道視場內星數(shù)目、識別星數(shù)目、條件數(shù)、星敏感器偏航角、角速度及偏航預測誤差效果圖。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一、結合圖1至圖4說明本實施方式，星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包含初始姿態(tài)測量模塊、初始角速度測量模塊以及預測跟蹤測量模塊。
[0027]初始姿態(tài)測量模塊；
[0028]所述的初始姿態(tài)測量模塊接收外部發(fā)送的觀測星信息，包含星圖中提取的星像坐標和灰度值，對觀測星信息進行全天自主星圖識別，本實施例中全天自主星圖識別方法采用改進的三角形識別方法——導航星計數(shù)法，如果識別失敗，循環(huán)執(zhí)行初始姿態(tài)測量模塊，直至識別成功，識別成功后，采用QUEST方法計算星敏感器初始姿態(tài)角。
[0029]初始角速度測量模塊；
[0030]在初始姿態(tài)測量模塊和預測跟蹤測量模塊之間引入初始角速度測量模塊進行過渡銜接。該測量模塊在已知星敏感器視軸指向的情況下執(zhí)行有初始指向的局部星圖識別，識別成功后，采用QUEST方法計算星敏感器的姿態(tài)角，否則，執(zhí)行初始姿態(tài)測量模塊重新捕獲初始姿態(tài)。該模塊在成功執(zhí)行連續(xù)兩次之后，便可根據(jù)兩次測量的時間差和姿態(tài)角變化計算姿態(tài)角速度。
[0031]本實施方式中局部星圖識別依然采用導航星計數(shù)法來識別觀測星信息，與初始姿態(tài)測量模塊中不同的是，在識別前，先對出現(xiàn)在視場中的導航星進行標記。三角形的三條邊是由三顆觀測星兩兩構成的三個角距量，角距匹配過程中，查看構成角距的兩顆導航星是否已經被標記過，如果被標記，則記錄該星對，否則，舍棄該星對。由于根據(jù)星敏感器的視軸指向從全天球中選取了某一片天區(qū)內的導航星，在角距匹配過程中濾掉了全天球內的絕大部分星對，減小了后續(xù)處理的數(shù)據(jù)量，從而實現(xiàn)了小區(qū)域內的匹配識別，提高了識別的成功率和速度。為保證識別前標記的導航星能夠出現(xiàn)在視場中，引入虛擬視場的概念，虛擬視場的半徑大小至少為真實視場半徑的1.5倍，即標記的導航星要多于出現(xiàn)在視場中的星。
[0032]預測跟蹤測量模塊；
[0033]預測跟蹤測量模塊是對原有跟蹤測量模塊的改進，作用是快速、可靠地執(zhí)行星跟蹤功能，維護星跟蹤隊列中星的數(shù)目及較好的星圖分布，使星敏感器可以持續(xù)地為載體提供較高精度的導航數(shù)據(jù)。在星跟蹤過程中，載體的高機動性會使星敏感器姿態(tài)角產生較大的變化，同時，會引起視場內的跟蹤星相繼移出視場或意外丟失，要保證視場內跟蹤星的數(shù)目，對姿態(tài)角的預測和對未知星像的快速識別是個關鍵問題；同時，如圖2所示為典型星圖分布的姿態(tài)測量統(tǒng)計結果，結合表1，可以看出，當星圖分布條件數(shù)較大時，星敏感器姿態(tài)測量精度較差且波動較大，此時，需要改善參與計算姿態(tài)的星圖分布，也可以通過對未知星像的快速識別來實現(xiàn)。因此，本發(fā)明在該模塊數(shù)據(jù)的處理流程中引入虛擬視場和星圖分布條件數(shù)兩個概念，結合姿態(tài)角預測功能，實現(xiàn)快速、可靠的星跟蹤功能。
[0034]表I
【權利要求】
1.一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收外部發(fā)送的觀測星信息，對外提供當前采樣周期星敏感器的三軸姿態(tài)角數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)包括初始姿態(tài)測量模塊、初始角速度測量模塊和預測跟蹤測量模塊；其特征是， 所述初始姿態(tài)測量模塊用于對外部發(fā)送的觀測星信息進行全天自主星圖識別，捕獲星敏感器的初始姿態(tài)角，并將初始姿態(tài)角傳送至初始角速度測量模塊； 所述初始角速度測量模塊用于接收姿態(tài)角信息，根據(jù)姿態(tài)角信息對外部發(fā)送的觀測星信息進行局部星圖識別并計算姿態(tài)，連續(xù)成功得到兩次姿態(tài)測量結果后，計算姿態(tài)角速度，將當前測量得到的姿態(tài)角和姿態(tài)角速度傳送至預測跟蹤測量模塊； 所述預測跟蹤測量模塊接收星敏感器當前姿態(tài)角和姿態(tài)角速度，并預測下一采樣周期星敏感器視場內導航星的坐標，與外部發(fā)送的觀測星坐標進行窗口匹配，完成跟蹤識別，計算星敏感器當前采樣周期實際的姿態(tài)角，以此姿態(tài)角更新星敏感器姿態(tài)角和姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)，向外輸出當前采樣周期星敏感器實際測量的姿態(tài)角數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的初始角速度測量模塊接收的姿態(tài)角信息，包括初始姿態(tài)測量模塊提供的初始姿態(tài)角或預測跟蹤測量模塊提供的當前采樣周期的預測姿態(tài)角的信息。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述預測跟蹤測量模塊預測下一采樣周期星敏感器視場內導航星坐標的具體過程為:根據(jù)當前采樣周期更新的星敏感器姿態(tài)角和姿態(tài)角速度數(shù)據(jù)，預測下一采樣周期的姿態(tài)角，同時得到慣性坐標系到星敏感器坐標系的旋轉矩陣，結合已跟蹤星在慣性坐標系中的坐標，計算所述已跟蹤星投影在探測器平面的坐標，判斷視場內星數(shù)目以及星圖分布條件數(shù)是否滿足設置的閾值，如果否，執(zhí)行步驟a，如果是，執(zhí)行步驟b ; 步驟a、根據(jù)預測的姿態(tài)角提取視場內的導航星，根據(jù)慣性坐標系到星敏感器坐標系的旋轉矩陣，計算所述提取的導航星投影在探測器平面的坐標，然后執(zhí)行步驟b ; 步驟b、在預測的星像坐標小窗口內匹配觀測星的坐標信息；并判斷匹配觀測星的數(shù)目是否滿足設定的閾值，如果是，執(zhí)行步驟c ;如果否，執(zhí)行步驟d ； 步驟C、計算星敏感器當前采樣周期實際測量得到的姿態(tài)角，并根據(jù)獲得的姿態(tài)角更新姿態(tài)角和姿態(tài)角速度。 步驟d、將當前采樣周期的預測姿態(tài)角傳送至初始角速度測量模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的初始姿態(tài)測量模塊和初始角速度測量模塊中采用的星圖識別方法為子圖同構類或模式識別類星圖識別方法。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種星敏感器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于，所述初始姿態(tài)測量模塊、初始角速度測量模塊和預測跟蹤測量模塊中的星敏感器姿態(tài)角計算方法，采用最小二乘法、Quest算法或卡爾曼濾波方法。
【文檔編號】G01C21/02GK103791901SQ201410032201
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權日:2014年1月23日
【發(fā)明者】張磊, 何昕, 魏仲慧, 何家維 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所