一种兼有目标探测功能的星敏感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种兼有目标探测功能的星敏感器，它包括星敏感器图像采集单元和图像数据处理单元。图像采集单元包括一个大视场、小口径的光学镜头，图像传感器LUPA4000，一片ADC芯片，一片静态随机存储器，FPGA驱动单元，网口模块单元。图像数据处理单元为一块DSP处理板。本发明采取大视场、小口径的设计思路，所以星图匹配只需要3等星以上的亮星，使其具有导航星库比传统星敏感器小以及体积、重量小的优点，并且在星敏测量的同时具备空间目标探测的功能。
【专利说明】一种兼有目标探测功能的星敏感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种星敏感器，具体涉及一种兼有目标探测功能的星敏感器，它用于天文导航的星敏测量以及拥有相对导航的空间目标探测。
【背景技术】
[0002]星敏感器是以恒星为参考系，以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置。通过探测天球上不同位置的恒星并进行解算，为卫星、洲际战略导弹、宇航飞船等航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准，其自主导航能力具有重要的应用价值。近年来随着微小卫星技术的快速发展，星敏感器逐渐向大视场、轻量化、高精度的趋势发展。
[0003]传统的星敏感器不断向识别更高星等、测量精度更高的方向发展，使得星敏感器光学镜头的视场受限，通常大于20° X20°视场的星敏感器可认为是大视场星敏感器。而且传统的星敏感器口径较大，导致整机重量、体积偏大。不利于在小型飞行器上使用。
[0004]因为传统星敏感器视场较小，为了获取足够多的导航恒星进行姿态计算，需求观测到更高的星等，使得传统星敏感器存在导航星库偏大、检索匹配时间过长的缺点。
[0005]同样，因为传统星敏感器视场偏小，捕获目标的几率极小，所以不具备空间目标探测功能。
【发明内容】
[0006]为了解决上述传统星敏感器小视场、大口径、导航星库偏大、功能单一的问题，本专利的目的是提供一种大视场、小口径、导航星库小、兼有目标探测功能的星敏感器。
[0007]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:
[0008]光学系统的视场角为72° X72°的方视场，其圆视场为91.6°。探测波段为400nm?700nm，探测器的像素数为2048 X 2048，像元尺寸为12 μ mX 12 μ m ;光学系统的畸变为0.5%，F数=2.5，焦距�= 16.9mm，透过率为90%。
[0009]图像传感器LUPA4000与ADC和FPGA驱动单元连接，FPGA与SRAM存储单元以及网口模块连接，通过网线与图像数据处理单元DSP连接，FPGA接收DSP发送的指令，产生图像传感器LUPA4000的驱动时序，图像传感器工作采集图像，将模拟信号传送给ADC芯片，ADC转换成数字信号传送给FPGA，FPGA将数字信号临时存储在SRAM单元，再将图像数据通过网口传送给DSP处理板，DSP处理单元经过图像滤波处理、畸变校正后解算出星点坐标，通过星图匹配进行识别，并计算出当前的姿态，完成星敏测量，同时依据星库剔除恒星，可得到轨道上太空碎片等疑似相对坐标，再结合数帧图像分析目标的运动轨迹排除虚假目标可得到正确目标的相对坐标。
[0010]由于采用了上述的技术方案，使得本发明相比现有的产品具有以下的优点:
[0011]1.本发明所述的星敏感器与传统的星敏感器在视场上有巨大的差异，72° X72°的方视场使得星敏感器有极大的几率捕获空间目标，使得本发明具备星敏测量和空间目标探测两种功能；[0012]2.小口径的镜头设计使得整个体积、重量大大降低，整机重量低于0.6kg，满足了小型飞行器的使用条件；
[0013]3.大视场的探测窗口保证了任意时刻都能观测到6颗以上的亮星(亮度高于三等星)，星图匹配只需要三等星以上的亮星，使得星图匹配所需的星库大大缩小，匹配的时间也大为减少。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为多功能星敏感器系统原理框图。
[0015]图2为多功能星敏感器星图匹配模式。
[0016]图3为多功能星敏感器星图图像模块工作流程图。
[0017]图4为多功能星敏感器星图处理模块工作流程图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0019]参见附图1和附图3，本发明由DSP下达开始命令，命令指令通过网口传递给FPGA芯片。该命令指令包含开始信息以及需求探测器积分时间。网口模块采用TCP/IP协议，在本发明的硬件支持下，传输速率可高达50Mbps。
[0020]FPGA收到开始指令后，产生相应的驱动时序，通过FPGA的I/O接口发送给图像传感器LUPA4000。图像传感器LUPA4000接收到相应的驱动时序后，光敏面曝光，传感器经过积分、数据读出两个步骤完成光电转换，将模拟信号输出至ADC芯片。ADC同步将模拟信号转换成数据信号传送给FPGA，FPGA将图像数据暂时存储在SRAM中。存储完毕后，将图像数据通过网口传输给DSP处理板。DSP处理单元经过图像滤波处理、畸变校正后解算出星点坐标，通过星图匹配进行识别，并计算出当前的姿态。完成星敏测量，同时依据星库剔除恒星，可得到疑似空间目标(如太空碎片)的相对坐标。
[0021 ] 上述DSP处理单元【具体实施方式】如下:
[0022]步骤一，图像滤波处理。光学相机容易受到杂散光以及传感器芯片热噪声和其他噪声影响。因此，在星体质心提取之前，必须对星图进行去噪声处理。本设计依据实验结果，采用图像去噪领域获得广泛应用的中值滤波方法，得到去噪之后的星图。
[0023]步骤二，星点的提取与质心定位。星点目标的识别包括将星体目标与背景分开及将单个星体目标与其他星体目标分离开。第一阶段可以通过星图阈值分割实现，第二阶段通常釆用连通域法，按照一定的连通规则进行连通域判别和图像标记，进而得到各个星点的位置和亮度信息。
[0024]步骤三，畸变校正。由于大视场镜头工艺上的限制，必定存在较大的畸变，以及镜头安装后，光轴与探测器光敏面不是严格的垂直关系，使得星图图像会产生一定的畸变，星点的坐标与理论位置会产生偏移，这对测量结果会造成巨大的干扰。畸变校正就是求解从畸变图像获取的畸变坐标到满足透视摄影模型的标准图像坐标的映射关系。广泛使用的映射模型是奇数阶多项式模型，但是该模型只考虑了镜头的径向畸变，不适用于大视场光学系统。大视场光学系统畸变模型是一个非常复杂的非线性系统，该系统方程复杂，难以用数学方法准确建模。为了将所有畸变考虑在内，本系统利用BP神经网络的非线性学习能力进行畸变校正。
[0025]步骤四，星图匹配。参见附图2星图识别和姿态测量的具体步骤如下所示。
[0026]Stepl:对经过滤波以及畸变校正后输出的恒星按照其光斑中心亮度的降序排序，剔除灰度小于阈值的恒星，并依次赋予编号。
[0027]Step2:选择灰度值最大的恒星作为主星，计算它与视场内其余每颗星的星对角距，按星对角距的降序排序(剔除星对角距小于一定阈值、离得太近的恒星)，并统计该主
星的邻星数量。
[0028]Step3:主星的邻星数大于等于3颗，才能用来作为星图匹配。在主星的邻星中，选择星对角距最大的邻星，记录它与主星的星对角距、质心编号，记为LMax、Sl。
[0029]Step4:依次选择该主星的星对角距次大的邻星，记录它与主星的星对角距、质心编号，记为LM2、S2，计算邻星SI与S2的星对角距，记为L12，如附图2所示。
[0030]St印5:判断LMax、LM2、L12三边是否能构成一个三角形。若可以，则计算该三角形的内切圆半径R1、特征值Tl，特征值Tl的计算方法如式I所示，并记该三角形为观测三角形1，转到St印6 ;否则，跳转至St印4，继续选择下一颗邻星以构建观测三角形I。
[0031]T1 = log (Smax)+log (Smed)-21og (Smin) (I)
[0032]S*,Smax、Smed、Smin分别为观测三角形的最大边边长、第二大边边长、最小边边长。
[0033]St印6:
[0034]I)若可以构成三角形1，判断该三角形I最大、次大、最小的三边对应的恒星质心
编号，存储对应信息。
[0035]2)根据三角形I内切圆半径R1，判断该Rl位于哪个区间，读取相应区间的导航星特征库数据，进行匹配，匹配方法为:当观测三角形的RU Tl与导航星特征数据库中某一组R、T的偏差都在一定误差范围内时，认为是可能匹配的一组恒星集，记录至结构体FirstMatchl中，并保存初匹配的观测三角形I的个数nl。
[0036]Step7:继续选择该主星的邻星中星对角距次大的邻星，星对角距、质心编号依次记为LM3、S3，计算S1、S3的星对角距L13，以LMax、LM3、L13为边，判断是否能构成一个三角形。若可以，则计算该三角形的内切圆半径R2、特征值T2(计算方法如式1)，并记该三角形为观测三角形2，转到St印8 ;否则，跳出本次循环，返回到St印7。
[0037]St印8:
[0038]I)判断该观测三角形2最大、次大、最小的三边对应的恒星质心编号，存储该对应信息。
[0039]2)根据观测三角形2内切圆半径R2，判断该R2位于哪个区间，读取相应区间的导航星特征库数据，做匹配，匹配方法为:当观测三角形的R2、Τ2与导航星特征数据库中的R、T的偏差都在一定误差范围内时，认为是可能匹配的一组恒星集，记录至结构体FirstMatch2中。并保存初匹配的三角形2的个数n2。
[0040]Step9:进行第二步匹配。对结构体FirstMatchl中的其余信息与观测三角形做进一步匹配，将匹配的三角形信息记录至结构体
[0041]SecondMatchl中，记录经过第二步匹配的匹配三角形I的个数nnl ;对结构体FirstMatch2中的其余信息与观测三角形做进一步匹配,匹配的三角形信息，记录至结构体SecondMatch2中，记录经过第二步匹配的匹配三角形2的个数nn2。
[0042]SteplO:在每一组结构体SecondMatchl与SecondMatch2中寻找相等的恒星编号，若有两个恒星编号相同，则认为进一步匹配的两个三角形有一组公共边，分别记录这两组三角形的信息，匹配完成，跳出主循环，转至St印11。若没有，则认为基于这颗主星的匹配失败，跳转至St印2，继续选择下一颗灰度次亮的星作为主星。
[0043]Stepll:记录两个匹配三角形中四颗匹配导航星的相关信息:星号、质心编号、像面坐标、星等、赤经、赤讳、J2000坐标。
[0044]步骤五，星敏感器三轴姿态确定。经过上个步骤的星图识别算法，可匹配识别四颗导航星，获得它们的像平面坐标、赤经、赤纬、J2000坐标等信息，利用姿态确定算法获得星敏感器的三轴姿态信息。常用的星敏感器姿态确定算法有TRIAD双矢量法、UEST算法、SVD算法、Euler-q算法等静态姿态估计算法,扩展卡尔曼滤波、自适应卡尔曼滤波、预测卡尔曼滤波、递归四元数估计、扩展四元数估计、非线性预测滤波、非跟踪滤波等动态状态估计算法。因此，本发明采用TRIAD双矢量算法确定星敏感器三轴姿态，完成星敏姿态测量，输出相应的姿态信息。
[0045]步骤六，空间目标探测。通过步骤五的处理，能够获得每个观测相机的视轴指向。根据视轴指向与视场大小，对观测星图内的观测恒星与基本星表内的导航星进行一一匹配。将观测星图内已匹配的恒星作为背景剔除；经过恒星背景抑制后，此时观测星图中输出的疑似目标除了真实目标之外，可能还会有少数几颗未成功匹配的恒星以及部分残留噪声。由于目标、恒星、噪声三者的运动特性不同，本发明采用轨迹编目的策略，滤除噪声，剔除恒星，获得真实目标。
【权利要求】
1.一种兼有目标探测功能的星敏感器，它包括图像采集单元和图像数据处理单元，其特征在于:所述的图像采集单元包括一个视场91.6°、有效口径6.76mm的光学镜头，图像传感器LUPA4000，一片64M的静态随机存储器，FPGA驱动单元，网口模块单元；所述的图像数据处理单元为一块DSP处理板；图像传感器LUPA4000与ADC和FPGA驱动单元连接，FPGA与SRAM存储单元以及网口模块连接，通过网线与图像数据处理单元DSP连接，FPGA接收DSP发送的指令，产生图像传感器LUPA4000的驱动时序，图像传感器工作采集图像，将模拟信号传送给ADC芯片，ADC转换成数字信号传送给FPGA，FPGA将数字信号临时存储在SRAM单元，再将图像数据通过网口传送给DSP处理板，DSP处理单元经过图像滤波处理、畸变校正后解算出星点坐标，通过星图匹配进行识别，并计算出当前的姿态，完成星敏测量，同时依据星库剔除恒星，可得到轨道上太空碎片等疑似相对坐标，再结合数帧图像分析目标的运动轨迹排除虚假目标可得到正确目标的相对坐标。
【文档编号】G01C21/02GK104034331SQ201410258853
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】丁国鹏, 郑伟波, 张涛, 李勉洪, 凌丽 申请人:中国科学院上海技术物理研究所
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