本發(fā)明涉及一種星敏感器的星圖融合方法,屬于天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
星敏感器是一種用于高精度姿態(tài)測量的成像式傳感器。它對恒星背景進(jìn)行采樣拍照,然后對成像結(jié)果進(jìn)行提取和識別,以測量其光軸在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展,星敏感器的測量精度不斷提高,國外先進(jìn)水平已經(jīng)達(dá)到亞角秒級別。目前,提高星敏感器測量精度的方法主要是從硬件角度考慮的:a)提高光學(xué)系統(tǒng)的視場、焦距等指標(biāo);b)提高成像芯片的分辨率、感光能力、降低噪聲水平等;c)提高結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。在軟件和算法方面,星敏感器的發(fā)展相對較慢,其基本的流程一直沒有大的變動,即:a)單幀成像,b)星點提取,c)星表搜索匹配,d)相對姿態(tài)計算。因為硬件方面的提升已經(jīng)受限于光學(xué)系統(tǒng)、成像芯片和機(jī)械結(jié)構(gòu)的工藝水平,所以從軟件角度提升星敏感器的性能指標(biāo)成為重要的方向。
星敏感器軟件的優(yōu)化方法主要從上段提到的幾個方向開展,例如改善星點提取方法,濾除噪點;提高星表搜索和匹配的速度、正確率;改進(jìn)姿態(tài)計算的算法速度和精度(包括降低星敏感器測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差,如標(biāo)定殘差、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換誤差、星表誤差等)。針對星敏感器單幀成像方式的改進(jìn),多個星敏感器的協(xié)同測量方法,也即多探頭、多視場的星敏感器,是一個重要發(fā)展方向。如sodern、ball、三菱等公司機(jī)構(gòu)已經(jīng)展開相關(guān)研究并取得了一定成果。多探頭星敏感器利用了空間分布的多個傳感器進(jìn)行同步多幀采樣,然后融合多幀圖像的信息產(chǎn)生更高精度的姿態(tài)測量結(jié)果。然而,多探頭星敏感器的硬件代價也是非常明顯的,不僅是重量體積的增加,還有工作速度和功耗的損失。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種星敏感器的異步多幀星圖融合方法,在星敏感器現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對單探頭星敏感器,周期性改變其圖像傳感器的曝光設(shè)置,利用在時間上連續(xù)采集的多幀圖像來補(bǔ)充、修正最新幀圖像的星點,包括增加視場內(nèi)星點數(shù)目、提升星點的成像質(zhì)量和降低背景噪聲等的影響,從而提高單探頭星敏感器的測量精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種星敏感器的異步多幀星圖融合方法,包括步驟如下:
步驟一、在設(shè)定的曝光時間范圍內(nèi),間隔相同的時間段改變星敏感器的曝光時間,獲得t1時刻至tn時刻的星圖;n為正整數(shù);
步驟二、根據(jù)步驟一中得到的n幀星圖中的各星點在視場內(nèi)的位置、星點的形狀分布和星點的灰度能量確定每個星點的定位精度值;按照各星點的定位精度值對各時刻星圖中的星點數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,剔除定位精度不滿足設(shè)定的精度要求的星點;
步驟三、分別計算獲得t1~tn-1時刻星圖內(nèi)星點與tn時刻星圖內(nèi)星點的相對姿態(tài)及轉(zhuǎn)換矩陣a1~an-1;
步驟四、根據(jù)步驟三得到的t1~tn-1時刻星圖內(nèi)星點與tn時刻星圖內(nèi)星點的相對姿態(tài)及轉(zhuǎn)換矩陣,將步驟二中提取出的定位精度滿足精度要求的星點轉(zhuǎn)換到tn時刻星圖的指向坐標(biāo)系中,獲得t1~tn-1時刻星圖中各星點在tn時刻星圖指向坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo);
步驟五、在tn時刻星圖對應(yīng)時刻的星敏感器坐標(biāo)系下,基于步驟四得到的所有星點和所有星點的位置坐標(biāo),使用quest算法和通用的星表,獲得在tn時刻星圖對應(yīng)時刻星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)。
所述步驟四中,對于不同時刻星圖上的同一個星點,該星點在tn時刻星圖指向坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)為:該星點以步驟二中獲得的該星點在各時刻星圖中定位精度值為權(quán)重的位置坐標(biāo)平均值。
所述步驟三中通過陀螺儀測量獲得t1~tn-1時刻星圖內(nèi)星點與tn時刻星圖內(nèi)星點的相對姿態(tài)及轉(zhuǎn)換矩陣a1~an-1。
所述步驟三中獲得t1~tn-1時刻星圖內(nèi)星點與tn時刻星圖內(nèi)星點的相對姿態(tài)及轉(zhuǎn)換矩陣a1~an-1的方法如下:通過三角形匹配法搜索相鄰兩時刻星圖中相同的星點,使用quest算法計算相鄰兩時刻星圖的相對姿態(tài),得到t1~tn-1時刻星圖與tn時刻星圖的相對姿態(tài)及轉(zhuǎn)換矩陣a1~an-1。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
(1)本發(fā)明相對于現(xiàn)有單探頭星敏感器的傳統(tǒng)工作模式是單幀圖像信息處理,測量時可用的星點數(shù)目受到視場范圍的影響,星點質(zhì)量受到采樣條件的限制,本發(fā)明從時域擴(kuò)展單探頭星敏感器的視場范圍,可用于姿態(tài)測量的星點數(shù)目隨著采樣時間增加而增加,星點的成像質(zhì)量也即單星定位精度隨著采樣條件范圍增加而提升,因此單探頭星敏感器的姿態(tài)測量精度得到提高。
(2)本發(fā)明與多探頭星敏感器的多視場數(shù)據(jù)融合技術(shù)相比,本發(fā)明利用單探頭星敏感器在時域上連續(xù)多次采樣的結(jié)果進(jìn)行信息融合,設(shè)備與生產(chǎn)成本較低。本方法也可以與多探頭星敏感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)結(jié)合使用,并達(dá)到更好的測量效果。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一種星敏感器的異步多幀星圖融合方法流程圖。
具體實施方式
下面是本發(fā)明的具體實施例,但本發(fā)明的方法不局限于該實施例。
如圖1所示,本發(fā)明提出的方法在一個高精度aps星敏感器上通過系統(tǒng)時序和工作流程的設(shè)計來實現(xiàn),傳統(tǒng)星敏感器的系統(tǒng)時序采用固定設(shè)置的或自適應(yīng)的單幀曝光方式和單幀識別方式,本發(fā)明的系統(tǒng)時序設(shè)計為a)周期性改變設(shè)置的、自適應(yīng)的單幀曝光方式,和b)累積多幀并進(jìn)行信息融合的識別方式。
一種星敏感器的異步多幀星圖融合方法,包括如下步驟:
步驟一、周期性改變星敏感器的曝光時間,改變的范圍根據(jù)從星圖中提取出的星點數(shù)目確定,該范圍應(yīng)使所能提取的星點數(shù)目最多。需要注意的是,因為星點提取算法的差異,對于同一塊星空背景,采樣的曝光時間和提取的星數(shù)并不存在單調(diào)的線性關(guān)系。因而曝光時間是根據(jù)提取星數(shù)自適應(yīng)變化的。本實施例中曝光時間范圍為[t-t0,t+t0],t是自適應(yīng)調(diào)整的曝光時間,t0是經(jīng)驗范圍,變化的間隔δt由星敏感器的數(shù)據(jù)更新率和角速度決定,即曝光時間按如下序列循環(huán)變化{t-t0,t-t0+δt,t-t0+2δt,t-t0+3δt,…,t+t0},連續(xù)采集圖像并存儲其星點信息。角速度越小,數(shù)據(jù)更新率越高,變化的間隔可以越小。
步驟二、按照步驟一得到多幀星圖的星點數(shù)據(jù),根據(jù)星點在視場內(nèi)的位置、星點的形狀分布和星點的灰度能量確定每個星點的定位精度值c=f(d,n):離視場中心的距離d越小,星點定位精度值越小,精度越高;星點的像素數(shù)目n越大、灰度值越高且不飽和,星點定位精度值越小,定位精度越高。按照定位精度值對多幀星圖的星點數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,剔除那些定位精度不滿足精度要求的星點。
步驟三、步驟二的所有星點來自不同幀的星圖,也即不同的時間片,為了信息融合,需要確定不同幀星圖的相對姿態(tài)。本發(fā)明提出兩種方式:第一,通過陀螺儀等高精度的運(yùn)動測量工具,測量每幀星圖的相對姿態(tài);第二,匹配連續(xù)兩幀星圖中相同的星點,計算每幀星圖的相對姿態(tài)。本實施例采用第二種方式,通過三角形匹配法搜索相鄰兩幀星圖中相同的星點(需保證至少有三顆以上),使用quest算法計算兩幀星圖的相對姿態(tài),從而得到每幀星圖與最新幀星圖的相對姿態(tài)。
步驟四、根據(jù)步驟三得到的星圖相對位移,將步驟二中提取出的定位精度較高的星點轉(zhuǎn)換到最新幀星圖指向坐標(biāo)系;對于在不同時間片上的同一個星點,求其以步驟二定位精度為權(quán)重的平均值。
步驟五、在最新幀的星圖對應(yīng)時刻的星敏感器坐標(biāo)系下,基于步驟四得到的所有星點和位置,使用quest算法和通用的星表,完成基于異步多幀星圖融合的高精度姿態(tài)測量,獲得在最新幀星圖對應(yīng)時刻星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的姿態(tài)。星敏感器坐標(biāo)系的定義是:以星敏感器質(zhì)心為原點,以星敏感器的光軸指向為z軸,xoy平面垂直于z軸;
圖1說明了本發(fā)明實施例的流程。
第①幅子圖對應(yīng)步驟一,在連續(xù)的5個時間片上以不同的曝光時間采集圖像。因為角速度的存在,星點在圖中的位置會不斷遷移,同一顆星點如s2形成不同時間片上的5組采樣坐標(biāo){uv2(t1),uv2(t2),uv2(t3),uv2(t4),uv2(t5)},有的星點會離開視場,只有4組或更少的采樣坐標(biāo)。
第②幅子圖對應(yīng)步驟二,對每個時間片的圖像進(jìn)行星點提取和分析,根據(jù)星點精度與空間分布的函數(shù)c=f(d,n)獲得每個星點在每個時間片上的成像定位精度,如s2在5個時間片上的定位精度分別為{c2(t1)=1.2,c2(t2)=1.5,c2(t3)=1.3,c2(t4)=1.1,c2(t5)=0.9},如圖1-②所示。
第③幅子圖說明了后續(xù)的步驟,包括匹配各個時間片上的星點,根據(jù)quest算法計算t1~t4時間片相對于t5時間片的轉(zhuǎn)換矩陣a1~a4,從而將所有星點轉(zhuǎn)換到t5時間片。例如,uv2(t1)·a1就是將s2在t1時刻的采樣坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到t5的時間片上,使其等效于在t5時刻對s2進(jìn)行了第二次采樣,因此的我們可以得到s2在t5時刻的等效多次采樣坐標(biāo){uv2(t1)·a1,uv2(t2)·a2,uv2(t3)·a3,uv2(t4)·a4,uv2(t5)}。然后對每個星點計算這多次采樣坐標(biāo)的平均值(只取精度大于1.0的采樣坐標(biāo)),權(quán)重為每個星點的定位精度值,最終得到s1~s4的在t5時刻的平均坐標(biāo)值,如uv2’(t5)=(uv2(t1)·a1·c2(t1)+uv2(t2)·a2·c2(t2)+uv2(t3)·a3·c2(t3)+uv2(t4)·a4·c2(t4))/(c2(t1)+c2(t2)+c2(t3)+c2(t4))。最后使用quest算法計算星敏感器在t5時間片也就是最新時刻的光軸指向姿態(tài)。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。