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一種兼有目標(biāo)探測(cè)功能的星敏感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種兼有目標(biāo)探測(cè)功能的星敏感器，它包括星敏感器圖像采集單元和圖像數(shù)據(jù)處理單元。圖像采集單元包括一個(gè)大視場(chǎng)、小口徑的光學(xué)鏡頭，圖像傳感器LUPA4000，一片ADC芯片，一片靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)單元，網(wǎng)口模塊單元。圖像數(shù)據(jù)處理單元為一塊DSP處理板。本發(fā)明采取大視場(chǎng)、小口徑的設(shè)計(jì)思路，所以星圖匹配只需要3等星以上的亮星，使其具有導(dǎo)航星庫(kù)比傳統(tǒng)星敏感器小以及體積、重量小的優(yōu)點(diǎn)，并且在星敏測(cè)量的同時(shí)具備空間目標(biāo)探測(cè)的功能。
【專利說(shuō)明】一種兼有目標(biāo)探測(cè)功能的星敏感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種星敏感器，具體涉及一種兼有目標(biāo)探測(cè)功能的星敏感器，它用于天文導(dǎo)航的星敏測(cè)量以及擁有相對(duì)導(dǎo)航的空間目標(biāo)探測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]星敏感器是以恒星為參考系，以星空為工作對(duì)象的高精度空間姿態(tài)測(cè)量裝置。通過(guò)探測(cè)天球上不同位置的恒星并進(jìn)行解算，為衛(wèi)星、洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈、宇航飛船等航空航天飛行器提供準(zhǔn)確的空間方位和基準(zhǔn)，其自主導(dǎo)航能力具有重要的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，星敏感器逐漸向大視場(chǎng)、輕量化、高精度的趨勢(shì)發(fā)展。
[0003]傳統(tǒng)的星敏感器不斷向識(shí)別更高星等、測(cè)量精度更高的方向發(fā)展，使得星敏感器光學(xué)鏡頭的視場(chǎng)受限，通常大于20° X20°視場(chǎng)的星敏感器可認(rèn)為是大視場(chǎng)星敏感器。而且傳統(tǒng)的星敏感器口徑較大，導(dǎo)致整機(jī)重量、體積偏大。不利于在小型飛行器上使用。
[0004]因?yàn)閭鹘y(tǒng)星敏感器視場(chǎng)較小，為了獲取足夠多的導(dǎo)航恒星進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，需求觀測(cè)到更高的星等，使得傳統(tǒng)星敏感器存在導(dǎo)航星庫(kù)偏大、檢索匹配時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。
[0005]同樣，因?yàn)閭鹘y(tǒng)星敏感器視場(chǎng)偏小，捕獲目標(biāo)的幾率極小，所以不具備空間目標(biāo)探測(cè)功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述傳統(tǒng)星敏感器小視場(chǎng)、大口徑、導(dǎo)航星庫(kù)偏大、功能單一的問(wèn)題，本專利的目的是提供一種大視場(chǎng)、小口徑、導(dǎo)航星庫(kù)小、兼有目標(biāo)探測(cè)功能的星敏感器。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0008]光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角為72° X72°的方視場(chǎng)，其圓視場(chǎng)為91.6°。探測(cè)波段為400nm?700nm，探測(cè)器的像素?cái)?shù)為2048 X 2048，像元尺寸為12 μ mX 12 μ m ;光學(xué)系統(tǒng)的畸變?yōu)?.5%，F(xiàn)數(shù)=2.5，焦距€= 16.9mm，透過(guò)率為90%。
[0009]圖像傳感器LUPA4000與ADC和FPGA驅(qū)動(dòng)單元連接，F(xiàn)PGA與SRAM存儲(chǔ)單元以及網(wǎng)口模塊連接，通過(guò)網(wǎng)線與圖像數(shù)據(jù)處理單元DSP連接，F(xiàn)PGA接收DSP發(fā)送的指令，產(chǎn)生圖像傳感器LUPA4000的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，圖像傳感器工作采集圖像，將模擬信號(hào)傳送給ADC芯片，ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將數(shù)字信號(hào)臨時(shí)存儲(chǔ)在SRAM單元，再將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口傳送給DSP處理板，DSP處理單元經(jīng)過(guò)圖像濾波處理、畸變校正后解算出星點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)星圖匹配進(jìn)行識(shí)別，并計(jì)算出當(dāng)前的姿態(tài)，完成星敏測(cè)量，同時(shí)依據(jù)星庫(kù)剔除恒星，可得到軌道上太空碎片等疑似相對(duì)坐標(biāo)，再結(jié)合數(shù)幀圖像分析目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡排除虛假目標(biāo)可得到正確目標(biāo)的相對(duì)坐標(biāo)。
[0010]由于采用了上述的技術(shù)方案，使得本發(fā)明相比現(xiàn)有的產(chǎn)品具有以下的優(yōu)點(diǎn):
[0011]1.本發(fā)明所述的星敏感器與傳統(tǒng)的星敏感器在視場(chǎng)上有巨大的差異，72° X72°的方視場(chǎng)使得星敏感器有極大的幾率捕獲空間目標(biāo)，使得本發(fā)明具備星敏測(cè)量和空間目標(biāo)探測(cè)兩種功能；[0012]2.小口徑的鏡頭設(shè)計(jì)使得整個(gè)體積、重量大大降低，整機(jī)重量低于0.6kg，滿足了小型飛行器的使用條件；
[0013]3.大視場(chǎng)的探測(cè)窗口保證了任意時(shí)刻都能觀測(cè)到6顆以上的亮星(亮度高于三等星)，星圖匹配只需要三等星以上的亮星，使得星圖匹配所需的星庫(kù)大大縮小，匹配的時(shí)間也大為減少。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為多功能星敏感器系統(tǒng)原理框圖。
[0015]圖2為多功能星敏感器星圖匹配模式。
[0016]圖3為多功能星敏感器星圖圖像模塊工作流程圖。
[0017]圖4為多功能星敏感器星圖處理模塊工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0019]參見(jiàn)附圖1和附圖3，本發(fā)明由DSP下達(dá)開(kāi)始命令，命令指令通過(guò)網(wǎng)口傳遞給FPGA芯片。該命令指令包含開(kāi)始信息以及需求探測(cè)器積分時(shí)間。網(wǎng)口模塊采用TCP/IP協(xié)議，在本發(fā)明的硬件支持下，傳輸速率可高達(dá)50Mbps。
[0020]FPGA收到開(kāi)始指令后，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，通過(guò)FPGA的I/O接口發(fā)送給圖像傳感器LUPA4000。圖像傳感器LUPA4000接收到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序后，光敏面曝光，傳感器經(jīng)過(guò)積分、數(shù)據(jù)讀出兩個(gè)步驟完成光電轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)輸出至ADC芯片。ADC同步將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將圖像數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在SRAM中。存儲(chǔ)完畢后，將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口傳輸給DSP處理板。DSP處理單元經(jīng)過(guò)圖像濾波處理、畸變校正后解算出星點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)星圖匹配進(jìn)行識(shí)別，并計(jì)算出當(dāng)前的姿態(tài)。完成星敏測(cè)量，同時(shí)依據(jù)星庫(kù)剔除恒星，可得到疑似空間目標(biāo)(如太空碎片)的相對(duì)坐標(biāo)。
[0021 ] 上述DSP處理單元【具體實(shí)施方式】如下:
[0022]步驟一，圖像濾波處理。光學(xué)相機(jī)容易受到雜散光以及傳感器芯片熱噪聲和其他噪聲影響。因此，在星體質(zhì)心提取之前，必須對(duì)星圖進(jìn)行去噪聲處理。本設(shè)計(jì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用圖像去噪領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的中值濾波方法，得到去噪之后的星圖。
[0023]步驟二，星點(diǎn)的提取與質(zhì)心定位。星點(diǎn)目標(biāo)的識(shí)別包括將星體目標(biāo)與背景分開(kāi)及將單個(gè)星體目標(biāo)與其他星體目標(biāo)分離開(kāi)。第一階段可以通過(guò)星圖閾值分割實(shí)現(xiàn)，第二階段通常釆用連通域法，按照一定的連通規(guī)則進(jìn)行連通域判別和圖像標(biāo)記，進(jìn)而得到各個(gè)星點(diǎn)的位置和亮度信息。
[0024]步驟三，畸變校正。由于大視場(chǎng)鏡頭工藝上的限制，必定存在較大的畸變，以及鏡頭安裝后，光軸與探測(cè)器光敏面不是嚴(yán)格的垂直關(guān)系，使得星圖圖像會(huì)產(chǎn)生一定的畸變，星點(diǎn)的坐標(biāo)與理論位置會(huì)產(chǎn)生偏移，這對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)造成巨大的干擾?；冃Ｕ褪乔蠼鈴幕儓D像獲取的畸變坐標(biāo)到滿足透視攝影模型的標(biāo)準(zhǔn)圖像坐標(biāo)的映射關(guān)系。廣泛使用的映射模型是奇數(shù)階多項(xiàng)式模型，但是該模型只考慮了鏡頭的徑向畸變，不適用于大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)。大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)畸變模型是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，該系統(tǒng)方程復(fù)雜，難以用數(shù)學(xué)方法準(zhǔn)確建模。為了將所有畸變考慮在內(nèi)，本系統(tǒng)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性學(xué)習(xí)能力進(jìn)行畸變校正。
[0025]步驟四，星圖匹配。參見(jiàn)附圖2星圖識(shí)別和姿態(tài)測(cè)量的具體步驟如下所示。
[0026]Stepl:對(duì)經(jīng)過(guò)濾波以及畸變校正后輸出的恒星按照其光斑中心亮度的降序排序，剔除灰度小于閾值的恒星，并依次賦予編號(hào)。
[0027]Step2:選擇灰度值最大的恒星作為主星，計(jì)算它與視場(chǎng)內(nèi)其余每顆星的星對(duì)角距，按星對(duì)角距的降序排序(剔除星對(duì)角距小于一定閾值、離得太近的恒星)，并統(tǒng)計(jì)該主
星的鄰星數(shù)量。
[0028]Step3:主星的鄰星數(shù)大于等于3顆，才能用來(lái)作為星圖匹配。在主星的鄰星中，選擇星對(duì)角距最大的鄰星，記錄它與主星的星對(duì)角距、質(zhì)心編號(hào)，記為L(zhǎng)Max、Sl。
[0029]Step4:依次選擇該主星的星對(duì)角距次大的鄰星，記錄它與主星的星對(duì)角距、質(zhì)心編號(hào)，記為L(zhǎng)M2、S2，計(jì)算鄰星SI與S2的星對(duì)角距，記為L(zhǎng)12，如附圖2所示。
[0030]St印5:判斷LMax、LM2、L12三邊是否能構(gòu)成一個(gè)三角形。若可以，則計(jì)算該三角形的內(nèi)切圓半徑R1、特征值Tl，特征值Tl的計(jì)算方法如式I所示，并記該三角形為觀測(cè)三角形1，轉(zhuǎn)到St印6 ;否則，跳轉(zhuǎn)至St印4，繼續(xù)選擇下一顆鄰星以構(gòu)建觀測(cè)三角形I。
[0031]T1 = log (Smax)+log (Smed)-21og (Smin) (I)
[0032]S*,Smax、Smed、Smin分別為觀測(cè)三角形的最大邊邊長(zhǎng)、第二大邊邊長(zhǎng)、最小邊邊長(zhǎng)。
[0033]St印6:
[0034]I)若可以構(gòu)成三角形1，判斷該三角形I最大、次大、最小的三邊對(duì)應(yīng)的恒星質(zhì)心
編號(hào)，存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)信息。
[0035]2)根據(jù)三角形I內(nèi)切圓半徑R1，判斷該Rl位于哪個(gè)區(qū)間，讀取相應(yīng)區(qū)間的導(dǎo)航星特征庫(kù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行匹配，匹配方法為:當(dāng)觀測(cè)三角形的RU Tl與導(dǎo)航星特征數(shù)據(jù)庫(kù)中某一組R、T的偏差都在一定誤差范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為是可能匹配的一組恒星集，記錄至結(jié)構(gòu)體FirstMatchl中，并保存初匹配的觀測(cè)三角形I的個(gè)數(shù)nl。
[0036]Step7:繼續(xù)選擇該主星的鄰星中星對(duì)角距次大的鄰星，星對(duì)角距、質(zhì)心編號(hào)依次記為L(zhǎng)M3、S3，計(jì)算S1、S3的星對(duì)角距L13，以LMax、LM3、L13為邊，判斷是否能構(gòu)成一個(gè)三角形。若可以，則計(jì)算該三角形的內(nèi)切圓半徑R2、特征值T2(計(jì)算方法如式1)，并記該三角形為觀測(cè)三角形2，轉(zhuǎn)到St印8 ;否則，跳出本次循環(huán)，返回到St印7。
[0037]St印8:
[0038]I)判斷該觀測(cè)三角形2最大、次大、最小的三邊對(duì)應(yīng)的恒星質(zhì)心編號(hào)，存儲(chǔ)該對(duì)應(yīng)信息。
[0039]2)根據(jù)觀測(cè)三角形2內(nèi)切圓半徑R2，判斷該R2位于哪個(gè)區(qū)間，讀取相應(yīng)區(qū)間的導(dǎo)航星特征庫(kù)數(shù)據(jù)，做匹配，匹配方法為:當(dāng)觀測(cè)三角形的R2、Τ2與導(dǎo)航星特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的R、T的偏差都在一定誤差范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為是可能匹配的一組恒星集，記錄至結(jié)構(gòu)體FirstMatch2中。并保存初匹配的三角形2的個(gè)數(shù)n2。
[0040]Step9:進(jìn)行第二步匹配。對(duì)結(jié)構(gòu)體FirstMatchl中的其余信息與觀測(cè)三角形做進(jìn)一步匹配，將匹配的三角形信息記錄至結(jié)構(gòu)體
[0041]SecondMatchl中，記錄經(jīng)過(guò)第二步匹配的匹配三角形I的個(gè)數(shù)nnl ;對(duì)結(jié)構(gòu)體FirstMatch2中的其余信息與觀測(cè)三角形做進(jìn)一步匹配,匹配的三角形信息，記錄至結(jié)構(gòu)體SecondMatch2中，記錄經(jīng)過(guò)第二步匹配的匹配三角形2的個(gè)數(shù)nn2。
[0042]SteplO:在每一組結(jié)構(gòu)體SecondMatchl與SecondMatch2中尋找相等的恒星編號(hào)，若有兩個(gè)恒星編號(hào)相同，則認(rèn)為進(jìn)一步匹配的兩個(gè)三角形有一組公共邊，分別記錄這兩組三角形的信息，匹配完成，跳出主循環(huán)，轉(zhuǎn)至St印11。若沒(méi)有，則認(rèn)為基于這顆主星的匹配失敗，跳轉(zhuǎn)至St印2，繼續(xù)選擇下一顆灰度次亮的星作為主星。
[0043]Stepll:記錄兩個(gè)匹配三角形中四顆匹配導(dǎo)航星的相關(guān)信息:星號(hào)、質(zhì)心編號(hào)、像面坐標(biāo)、星等、赤經(jīng)、赤諱、J2000坐標(biāo)。
[0044]步驟五，星敏感器三軸姿態(tài)確定。經(jīng)過(guò)上個(gè)步驟的星圖識(shí)別算法，可匹配識(shí)別四顆導(dǎo)航星，獲得它們的像平面坐標(biāo)、赤經(jīng)、赤緯、J2000坐標(biāo)等信息，利用姿態(tài)確定算法獲得星敏感器的三軸姿態(tài)信息。常用的星敏感器姿態(tài)確定算法有TRIAD雙矢量法、UEST算法、SVD算法、Euler-q算法等靜態(tài)姿態(tài)估計(jì)算法,擴(kuò)展卡爾曼濾波、自適應(yīng)卡爾曼濾波、預(yù)測(cè)卡爾曼濾波、遞歸四元數(shù)估計(jì)、擴(kuò)展四元數(shù)估計(jì)、非線性預(yù)測(cè)濾波、非跟蹤濾波等動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)算法。因此，本發(fā)明采用TRIAD雙矢量算法確定星敏感器三軸姿態(tài)，完成星敏姿態(tài)測(cè)量，輸出相應(yīng)的姿態(tài)信息。
[0045]步驟六，空間目標(biāo)探測(cè)。通過(guò)步驟五的處理，能夠獲得每個(gè)觀測(cè)相機(jī)的視軸指向。根據(jù)視軸指向與視場(chǎng)大小，對(duì)觀測(cè)星圖內(nèi)的觀測(cè)恒星與基本星表內(nèi)的導(dǎo)航星進(jìn)行一一匹配。將觀測(cè)星圖內(nèi)已匹配的恒星作為背景剔除；經(jīng)過(guò)恒星背景抑制后，此時(shí)觀測(cè)星圖中輸出的疑似目標(biāo)除了真實(shí)目標(biāo)之外，可能還會(huì)有少數(shù)幾顆未成功匹配的恒星以及部分殘留噪聲。由于目標(biāo)、恒星、噪聲三者的運(yùn)動(dòng)特性不同，本發(fā)明采用軌跡編目的策略，濾除噪聲，剔除恒星，獲得真實(shí)目標(biāo)。
【權(quán)利要求】
1.一種兼有目標(biāo)探測(cè)功能的星敏感器，它包括圖像采集單元和圖像數(shù)據(jù)處理單元，其特征在于:所述的圖像采集單元包括一個(gè)視場(chǎng)91.6°、有效口徑6.76mm的光學(xué)鏡頭，圖像傳感器LUPA4000，一片64M的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)單元，網(wǎng)口模塊單元；所述的圖像數(shù)據(jù)處理單元為一塊DSP處理板；圖像傳感器LUPA4000與ADC和FPGA驅(qū)動(dòng)單元連接，F(xiàn)PGA與SRAM存儲(chǔ)單元以及網(wǎng)口模塊連接，通過(guò)網(wǎng)線與圖像數(shù)據(jù)處理單元DSP連接，F(xiàn)PGA接收DSP發(fā)送的指令，產(chǎn)生圖像傳感器LUPA4000的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，圖像傳感器工作采集圖像，將模擬信號(hào)傳送給ADC芯片，ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA將數(shù)字信號(hào)臨時(shí)存儲(chǔ)在SRAM單元，再將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口傳送給DSP處理板，DSP處理單元經(jīng)過(guò)圖像濾波處理、畸變校正后解算出星點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)星圖匹配進(jìn)行識(shí)別，并計(jì)算出當(dāng)前的姿態(tài)，完成星敏測(cè)量，同時(shí)依據(jù)星庫(kù)剔除恒星，可得到軌道上太空碎片等疑似相對(duì)坐標(biāo)，再結(jié)合數(shù)幀圖像分析目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡排除虛假目標(biāo)可得到正確目標(biāo)的相對(duì)坐標(biāo)。
【文檔編號(hào)】G01C21/02GK104034331SQ201410258853
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】丁國(guó)鵬, 鄭偉波, 張濤, 李勉洪, 凌麗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所