專利名稱：一種超高精度的星敏感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及星敏感器技術(shù)，特別涉及一種小型超高精度、高數(shù)據(jù)更新率的 星敏感器。
背景技術(shù)：
星敏感器(Star Sensor)是當(dāng)今航天飛行器中廣泛釆用的 一種高精度、高可 靠性的姿態(tài)測(cè)量部件，星敏感器工作于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量模式，目前其成像器件均 采用面陣的圖像傳感器，廣泛應(yīng)用的是1024 x 1024像元。
隨著像元的增加，如釆用2048 x 2048像元的大面陣圖像傳感器將會(huì)使姿態(tài) 精度非線性的提高，但同時(shí)數(shù)據(jù)量也會(huì)隨之線性增加，這對(duì)于目前釆用幀成像 體制和窗口跟蹤工作模式的星敏感器來說，受到這種成像體制和工作模式的限 制，星敏感器的數(shù)據(jù)更新率呈線性下降，嚴(yán)重影響了星敏感器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試 性能，成為星敏感器實(shí)時(shí)提供姿態(tài)信息的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種超高精度的星敏感器，使其具 有更高的精度和高數(shù)據(jù)更新率。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供了一種超高精度的星敏感器，包括光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像傳感器、 圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元、雙路質(zhì)心成像單元、星跟蹤單元、星圖識(shí)別單元、姿態(tài) 計(jì)算單元以及導(dǎo)航星庫(kù)；其中，
光學(xué)成像系統(tǒng)，用于將星空?qǐng)D像成像在圖像傳感器上；
圖像傳感器，用于在圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，
并傳遞給雙路質(zhì)心成像單元；圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元，用于驅(qū)動(dòng)圖像傳感器；
雙路質(zhì)心成像單元，用于對(duì)同時(shí)讀入的兩路像素進(jìn)行雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理，
在處理完整幅圖像后，輸出光斑圖像的質(zhì)心坐標(biāo)給星跟蹤單元和星圖識(shí)別單元;
星跟蹤單元，用于根據(jù)前一 時(shí)刻已經(jīng)識(shí)別到的星體信息跟蹤當(dāng)前視場(chǎng)中的 星體，獲取星體信息；
星圖識(shí)別單元，用于從全天球中識(shí)別星姿態(tài)計(jì)算單元，用于根據(jù)全天球識(shí)別到的星體信息或跟蹤到的所有星體的 信息解算出星敏感器精確的姿態(tài)，并將計(jì)算出的星敏感器姿態(tài)輸出； 導(dǎo)航星庫(kù)，用于存儲(chǔ)導(dǎo)航星表。
上述方案中，所述圖像傳感器為2048 x 2048像元的大面陣圖像傳感器。
上述方案中，所述圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元和雙路質(zhì)心成像單元集成在一個(gè) FPGA上;所述星跟蹤單元、星圖識(shí)別單元和姿態(tài)計(jì)算單元集成在一個(gè)RISC上。
上述方案中，所述雙路質(zhì)心成像單元進(jìn)一步包括灰度值讀取模塊、灰度 值比較模塊、雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊、背景像素處理模塊、第一判斷模塊、存 儲(chǔ)模塊、第二判斷模塊以及光斑圖像質(zhì)心計(jì)算模塊；其中，
灰度值讀取模塊，用于同時(shí)讀入兩路像素的灰度值，并將讀入的灰度值送 入灰度值比較模塊；
灰度值比較模塊，用于將灰度值讀取模塊發(fā)來的兩路像素的灰度值，分別 與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果完成對(duì)兩路像素的處理；
雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊，用于完成雙路像素標(biāo)記、雙路數(shù)據(jù)等價(jià)合并和雙 路數(shù)據(jù)累加，之后，對(duì)兩路像素的灰度值均大于預(yù)設(shè)閾值的，進(jìn)入第二判斷模 塊，兩路像素中左像素的灰度值大于預(yù)設(shè)閾值的，將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲(chǔ)模 塊，兩路像素中右像素的灰度值大于預(yù)設(shè)閾值的，將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到第一判 斷模塊；
進(jìn)一步的，雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊包括標(biāo)記單元、合并單元和累加單元； 其中，標(biāo)記單元，用于完成雙路像素標(biāo)記，根據(jù)左右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的 比較結(jié)果，為左像素和右像素進(jìn)行標(biāo)記，比較結(jié)果相同的像素標(biāo)記為等價(jià)標(biāo)記；合并單元，用于完成雙路數(shù)據(jù)等價(jià)合并，根據(jù)左/右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比 較結(jié)果，完成等價(jià)數(shù)據(jù)的合并；累加單元，用于完成雙路數(shù)據(jù)累加，根據(jù)左/ 右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比較結(jié)果，完成對(duì)左右像素灰度值的累加，并完成 對(duì)左右像素灰度值與坐標(biāo)值的乘積的累加。
背景像素處理模塊，用于在左右像素灰度值均小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，標(biāo)記當(dāng)前
兩路像素為背景像素，并將標(biāo)記值賦給相應(yīng)參數(shù)；
第一判斷模塊，用于判斷兩路像素中左像素的左邊像素是否有標(biāo)記值； 存儲(chǔ)模塊，用于將累加單元的值累加到等價(jià)標(biāo)記值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，
并將累加單元清零；
第二判斷模塊，用于判斷整幅圖像是否處理完；
光斑圖像質(zhì)心計(jì)算模塊，用于在處理完整幅圖像后，計(jì)算并輸出光斑圖像 質(zhì)心的坐標(biāo)值。
其中，所述累加單元包括用于對(duì)左右像素灰度值和坐標(biāo)值的乘積進(jìn)行累加 的第一累加器，以及用于對(duì)左右像素的灰度值進(jìn)行累加的第二累加器。
上述方案中，所述星跟蹤單元基于位置信息實(shí)現(xiàn)無反饋、非窗口匹配跟蹤。
本發(fā)明提供的超高精度星敏感器，釆用大面陣如2048 x 2048像元的圖像傳 感器，能提髙角分辨率，進(jìn)而使星敏感器具有更高精度。
為了配合大面陣圖像傳感器的使用，本發(fā)明同時(shí)引入雙路質(zhì)心成像技術(shù)， 能同時(shí)讀取兩路像素?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)兩路像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，如此，能提髙數(shù)據(jù) 并行處理能力和數(shù)據(jù)處理速度。顯然，本發(fā)明將雙路質(zhì)心成像技術(shù)與大面陣圖 像傳感器結(jié)合使用，對(duì)于2048 x 2048像元的星敏感器而言，數(shù)據(jù)處理速度能提 髙一倍，并且，可實(shí)現(xiàn)大面陣圖像傳感器在星敏感器中的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)高精度 和高數(shù)據(jù)更新率。
本發(fā)明在星跟蹤時(shí)采用無反饋非窗口的匹配跟蹤，能夠跟蹤視場(chǎng)上所有的 星體，進(jìn)一步提高姿態(tài)計(jì)算的精度，且跟蹤速度快，跟蹤模式下的數(shù)據(jù)更新率 為15Hz，具有更高的數(shù)據(jù)更新率。
本發(fā)明在星圖識(shí)別時(shí)使用角距匹配的方式實(shí)現(xiàn)三角形的匹配，通過按區(qū)間存儲(chǔ)星對(duì)和利用狀態(tài)標(biāo)識(shí)進(jìn)行三角形識(shí)別，可使全天球識(shí)別時(shí)間控制為0.5s。
本發(fā)明釆用均勻和無重疊劃分的導(dǎo)航星表，導(dǎo)航星的檢索不再需要遍歷整
個(gè)導(dǎo)航星表，使平均搜索范圍縮小為以前的1/54,大大提高了搜索速度。


圖1為本發(fā)明星敏感器的組成結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖2為本發(fā)明所釆用雙路質(zhì)心成像裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的基本思想是對(duì)使用2048x2048像元大面陣圖像傳感器的星敏感器，引入雙路質(zhì)心跟隨成像技術(shù)，同時(shí)讀取和處理兩路像素?cái)?shù)據(jù)；并且，在進(jìn)行星跟蹤時(shí)，釆用基于位置信息實(shí)現(xiàn)的無反饋、非窗口匹配跟蹤，如此，可大大提高星敏感器的精度和數(shù)據(jù)更新率。
如圖1所示，本發(fā)明所提出的星敏感器包括光學(xué)成像系統(tǒng)IO、圖像傳感器11、圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元12、雙路質(zhì)心成像單元13、星跟蹤單元14、星圖識(shí)別單元15、姿態(tài)計(jì)算單元16以及導(dǎo)航星庫(kù)(Guide Star Catalogue) 67。
這里，所述圖像傳感器是大面陣圖像傳感器，具有2048 x 2048像元；所述星跟蹤單元采用無反饋非窗口的跟蹤模式。在實(shí)際應(yīng)用中，可將圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元12、雙路質(zhì)心成像單元13集成在一個(gè)FPGA信號(hào)處理單元上實(shí)現(xiàn)，將星跟蹤單元14、星圖識(shí)別單元15、姿態(tài)計(jì)算單元16集成在一個(gè)RISC信號(hào)處理單元上實(shí)現(xiàn)；當(dāng)然，也可以都采用FPGA或RISC，或者釆用數(shù)字信號(hào)處理(DSP);或者，將除了光學(xué)成像系統(tǒng)IO、圖像傳感器ll、導(dǎo)航星庫(kù)17以外的所有單元集成在一塊FPGA、或RISC、或DSP上。下面以圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元12、雙路質(zhì)心成像單元13集成在FPGA信號(hào)處理單元，星跟蹤單元14、星圖識(shí)別單元15、姿態(tài)計(jì)算單元16集成在RISC信號(hào)處理單元上為例詳細(xì)說明。
其中，光學(xué)成像系統(tǒng)IO，由遮光罩、高精度的鏡頭組成，用于將星空?qǐng)D像成像在圖像傳感器ll上。
8圖像傳感器11，用于在圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元12的驅(qū)動(dòng)下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為
電信號(hào)，并傳遞給雙路質(zhì)心成像單元13。 一般，可釆用的圖像傳感器是Cypress公司的Lupa4000，其具有2048 x 2048像元，幀頻15幀/s。
圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元12，按照?qǐng)D像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序的要求，基于FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)2048 x 2048像元圖像傳感器11的驅(qū)動(dòng)，使其實(shí)現(xiàn)逐行兩路圖像信號(hào)同時(shí)輸出，每個(gè)像素的灰度值10bit，時(shí)鐘頻率達(dá)33M。也就是說，圖像傳感器11每次輸出兩路像素?cái)?shù)據(jù)給雙路質(zhì)心成像單元13。
雙路質(zhì)心成像單元13，用于對(duì)同時(shí)讀入的兩路像素進(jìn)行雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理，在處理完整幅圖像后，輸出光斑圖像的質(zhì)心坐標(biāo)給星跟蹤單元14和星圖識(shí)別單元15。具體的，在處理整幅光斑圖像時(shí)，每次同時(shí)讀入當(dāng)前兩路像素的灰度值，并同時(shí)對(duì)兩路像素的灰度值與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，兩路像素中至少一個(gè)大于閩值時(shí)，執(zhí)行雙路數(shù)據(jù)標(biāo)記、雙路數(shù)據(jù)合并以及雙路數(shù)據(jù)累加的過程，直到處理完整幅光斑圖像后，輸出得到的光斑圖像質(zhì)心坐標(biāo)值。雙路質(zhì)心成像單元13具體如何實(shí)現(xiàn)雙路質(zhì)心成像的原理及過程，本申請(qǐng)人已在2008年9月17曰申請(qǐng)的、專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810222489.1的另一專利申請(qǐng)中詳細(xì)公開，在此不再贅述。
該雙路質(zhì)心成像單元利用FPGA實(shí)時(shí)并行計(jì)算的特點(diǎn)對(duì)星點(diǎn)質(zhì)心跟隨成像，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)基于四連通域分割和一階矩質(zhì)心算法，直接輸出一幀圖像中所有的星點(diǎn)質(zhì)心數(shù)據(jù)，這樣與直接輸出整幀數(shù)據(jù)相比，可降低圖像數(shù)據(jù)量上萬倍。
具體實(shí)施過程中，假設(shè)一個(gè)星點(diǎn)的成像區(qū)域?yàn)镸行N列，則該星點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)可由下式得到
t力尸"，力i t
v — " "1_ 、， 一工=1 :M_
A — "i; ^ ) 少o — ~^ ^
jc=1 少=1
式中，x0, yO是求得的星點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)；x， y是像素的坐標(biāo)；F(x,y)是x行y列像素的灰度值。
進(jìn)一步的，雙路質(zhì)心成像單元13通過圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元12，每次讀取輸出圖像兩路像素的灰度值，根據(jù)四連通域分割的原理、以及左像素和右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比較結(jié)果，對(duì)雙路像素的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記、等價(jià)合并和累加處理，以提高數(shù)據(jù)并行處理能力和數(shù)據(jù)處理速度。
這里，所述雙路質(zhì)心成像單元13的具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括灰度值讀取模塊21、灰度值比較模塊22、雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊23、背景像素處理模塊24、第一判斷模塊25、存儲(chǔ)模塊26、第二判斷模塊27以及光斑圖像質(zhì)心計(jì)算模塊28。
其中，灰度值讀取模塊21用于同時(shí)讀入兩路像素的灰度值，并將讀入的灰度值送入灰度值比較模塊22;這里，兩路像素分別稱為左像素和右像素。
灰度值比較模塊22，用于將灰度值讀取模塊21發(fā)來的左像素和右像素的灰度值，分別與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果完成對(duì)兩路像素的處理；具體的，如果左像素和右像素的灰度值中有一個(gè)大于預(yù)設(shè)閾值，則進(jìn)入雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊23,完成雙路像素標(biāo)記、雙路數(shù)據(jù)等價(jià)合并和雙路數(shù)據(jù)累加；如果左像素和右像素的灰度值均小于預(yù)設(shè)閾值，則進(jìn)入賦值模塊24，標(biāo)記當(dāng)前兩路像素并將標(biāo)記值賦給相應(yīng)參數(shù)。
雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊23，用于完成雙路像素標(biāo)記、雙路數(shù)據(jù)等價(jià)合并和雙路數(shù)據(jù)累加，之后，對(duì)于兩路像素的灰度值均大于預(yù)設(shè)閾值的，進(jìn)入第二判斷模塊27,對(duì)于兩路像素中左像素的灰度值大于預(yù)設(shè)閾值的，將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲(chǔ)模塊26，對(duì)于兩路像素中右像素的灰度值大于預(yù)設(shè)閾值的，將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到第一判斷模塊25;
雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊23進(jìn)一步包括標(biāo)記單元231、合并單元232和累加單元233,其中，標(biāo)記單元231用于完成雙路像素標(biāo)記，根據(jù)左/右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比較結(jié)果，為左像素和右像素進(jìn)行標(biāo)記，比較結(jié)果相同的像素標(biāo)記為等價(jià)標(biāo)記，即標(biāo)識(shí)相等的標(biāo)記；合并單元232用于完成雙路數(shù)據(jù)等價(jià)合并，根據(jù)左/右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比較結(jié)果，完成等價(jià)數(shù)據(jù)的合并；累加單元233用于完成雙路數(shù)據(jù)累加，根據(jù)左/右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比較結(jié)果，完成對(duì)左右像素灰度值的累加，并完成對(duì)左右像素灰度值與坐標(biāo)值的乘積的累加。背景像素處理模塊24,用于在左右像素灰度值均小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，標(biāo)記當(dāng)
前兩路像素為背景像素，并將標(biāo)記值賦給相應(yīng)參數(shù)。
第一判斷模塊25，用于判斷兩路像素中左像素的左邊像素是否有標(biāo)記值，在有標(biāo)記值時(shí)，進(jìn)入存儲(chǔ)模塊26;沒有標(biāo)記值時(shí)，進(jìn)入第二判斷模塊27。
存儲(chǔ)模塊26，用于將累加單元的值累加到等價(jià)標(biāo)記值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并將累加單元清零；
這里，所述的累加單元包括用于對(duì)左右像素灰度值和坐標(biāo)值的乘積進(jìn)行累加的累加器；以及用于對(duì)左右像素的灰度值進(jìn)行累加的累加器。
第二判斷模塊27，用于判斷整幅圖像是否處理完，處理完的情況下，進(jìn)入光斑圖像質(zhì)心計(jì)算模塊28，未處理完的情況下，再進(jìn)入灰度值讀取模塊21，讀取下兩路像素。
光斑圖像質(zhì)心計(jì)算模塊28,用于在處理完整幅圖像后，計(jì)算并輸出光斑圖像質(zhì)心的坐標(biāo)值。
具體的，雙路像素標(biāo)記包括以下步驟
步驟al bl:判斷是否左像素的灰度值小于閾值、右像素的灰度值大于閾值，且右像素上方像素標(biāo)記為背景像素，如果是，則將左像素標(biāo)記為背景像素，右像素標(biāo)記為新標(biāo)記值，執(zhí)行步驟ql;否則，執(zhí)行步驟cl。
其中，所述背景像素可以零標(biāo)記，非背景像素以非零值標(biāo)記。所述新標(biāo)記值可采用專門的寄存器存儲(chǔ)，用于給像素提供新的標(biāo)記值，新標(biāo)記值可以采用不同的方式進(jìn)行更新，只要保證每次提供的新標(biāo)記值不重復(fù)即可。比如每次使用新標(biāo)記值后，將新標(biāo)記值加l重新保存，以供下次像素標(biāo)記使用。
步驟cl dl:判斷是否左像素的灰度值小于閾值、右像素的灰度值大于閾值，且右像素上方像素標(biāo)記不為零，如果是，則將左像素標(biāo)記為零，右像素標(biāo)記為上方像素的標(biāo)記值，執(zhí)行步驟ql;否則，執(zhí)行步驟el。
步驟el fl:判斷是否左像素的灰度值大于閾值、右像素的灰度值大于閾值，且左像素左邊像素標(biāo)記不為零，如果是，則將左像素和右像素標(biāo)記相同的左邊像素的標(biāo)記值，執(zhí)行步驟ql;否則，執(zhí)行步驟gl。
11這里，右像素的左邊像素就是左像素，所以左右像素只有左像素一個(gè)左邊像素。
步驟gl hl:判斷是否左像素的灰度值大于閾值、右像素的灰度值大于閾值，且左像素左邊像素標(biāo)記為零、左像素上方像素標(biāo)記不為零，如果是，則將左像素和右像素標(biāo)記相同的上方像素的標(biāo)記值，執(zhí)行步驟ql;否則，執(zhí)行步驟il。
步驟il jl:判斷是否左像素的灰度值大于閾值、右像素的灰度值大于閾值，且左像素左邊像素標(biāo)記為零、左像素上方像素標(biāo)記也為零，如果是，則將左像素和右像素標(biāo)記相同的新標(biāo)記值，執(zhí)行步驟ql;否則，執(zhí)行步驟kl。
步驟kl ll:判斷是否左像素的灰度值大于閾值、右像素的灰度值小于閾值，且左像素左邊像素標(biāo)記不為零，如果是，則將左像素標(biāo)記為左邊像素的標(biāo)記值，右像素標(biāo)記為零，執(zhí)行步驟ql;否則，執(zhí)行步驟ml。
步驟ml nl:判斷是否左像素的灰度值大于閾值、右像素的灰度值小于閾值，且左像素左邊像素標(biāo)記為零、左像素上方像素標(biāo)記不為零，如果是，則將左像素標(biāo)記為上方像素的標(biāo)記值，右像素標(biāo)記為零，執(zhí)行步驟ql;否則，執(zhí)行步驟ol。
步驟ol~pl:判斷是否左像素的灰度值大于閾值、右像素的灰度值小于閾值，且左像素左邊像素標(biāo)記為零、左像素上方像素標(biāo)記也為零，如果是，則將左像素標(biāo)記為新的標(biāo)記值，右像素標(biāo)記為零，執(zhí)行步驟ql;否則，直接執(zhí)行步驟ql。
步驟ql:將當(dāng)前兩路像素的標(biāo)記值賦給各自的上標(biāo)記參數(shù)組，并把右像素標(biāo)記值賦給左標(biāo)記參數(shù)。
這里，可由緩存器存儲(chǔ)上標(biāo)記參數(shù)組，由寄存器存儲(chǔ)左標(biāo)記參數(shù)。其中，左標(biāo)記參數(shù)為一個(gè)標(biāo)記值，初始化時(shí)置為零，上標(biāo)記參數(shù)組用于保存一組標(biāo)記參數(shù)值，可以采用一個(gè)數(shù)組，該組中每個(gè)標(biāo)記分別對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，比如 一行有10個(gè)像素，該上標(biāo)記參數(shù)組就是由IO個(gè)標(biāo)記組成的標(biāo)記組，每個(gè)標(biāo)記對(duì)應(yīng)該行中的一個(gè)像素，該組標(biāo)記參數(shù)的初始值均為零。相應(yīng)的，在賦值時(shí)，就將當(dāng)前像素的標(biāo)記值賦給對(duì)應(yīng)當(dāng)前像素的上標(biāo)記參數(shù)組中的標(biāo)記參數(shù)，比如一 行有10個(gè)像素，上標(biāo)記參數(shù)組包括IO個(gè)標(biāo)記參數(shù)，當(dāng)前像素為所屬行的第5 個(gè)像素，那么，所述賦值就是指將當(dāng)前像素的標(biāo)記值賦給上標(biāo)記參數(shù)組中的第 5個(gè)標(biāo)記參數(shù)。在進(jìn)行判斷時(shí)，所述當(dāng)前像素的上方像素的標(biāo)記值也是在上標(biāo) 記參數(shù)組中找與當(dāng)前像素序號(hào)對(duì)應(yīng)的標(biāo)記參數(shù)進(jìn)行判別。 雙路數(shù)據(jù)合并具體包括以下步驟
步驟a2 b2:判斷左像素大于閾值時(shí)，左像素上方像素和左邊像素是否均 有標(biāo)記但標(biāo)記不相等，如果是，則將左像素上方像素標(biāo)記對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間的數(shù) 據(jù)讀出累加到左邊像素標(biāo)記對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，并清空上方像素標(biāo)記對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ) 空間；否則，執(zhí)行步驟c2;
步驟c2 d2:判斷左像素和右像素均大于閾值時(shí)，是否左像素上方像素?zé)o 標(biāo)記，且右像素上方像素有標(biāo)記并與左像素的標(biāo)記不相等，如果是，則將右像 素上方像素標(biāo)記對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)讀出累加到左像素標(biāo)記對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空 間，并清空上方像素標(biāo)記對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間；否則，不進(jìn)行任何處理。
雙路數(shù)據(jù)累加具體包括以下步驟:
步驟a3 b3:判斷是否左像素的灰度值小于閾值且右像素的灰度值大于閾 值，如果是，則將右像素灰度值和坐標(biāo)值的乘積賦給第一累加器，并將右像素 的灰度值賦給第二累加器；否則，執(zhí)行步驟c3;
步驟c3 d3:判斷是否左像素的灰度值大于閾值且右像素的灰度值小于閾 值，如果是，則將左像素灰度值和坐標(biāo)值的乘積與第一累加器的值進(jìn)行累加， 之后用累加值更新第一累加器的值；并將左像素的灰度值與第二累加器的值進(jìn) 行累加，之后用累加值更新第二累加器的值；否則，執(zhí)行步驟e3;
步驟e3 f3:判斷是否左像素和右像素的灰度值均大于閾值，如果是，則將 左右像素灰度值和坐標(biāo)值的乘積與第一累加器的值進(jìn)行累加，之后用累加值更 新第一累加器的值；并將左右像素的灰度值與第二累加器的值進(jìn)行累加，之后 用累加值更新第二累加器的值；否則，不進(jìn)行任何處理；
這里，第一累加器用于對(duì)左右像素灰度值和坐標(biāo)值的乘積進(jìn)行累加；第二累加器用于對(duì)左右像素的灰度值進(jìn)行累加。
星跟蹤單元14,用于根據(jù)前一時(shí)刻已經(jīng)識(shí)別到的星體信息跟蹤當(dāng)前視場(chǎng)中 的星體，獲取星體信息。 一般，星敏感器在獲取全天球星圖識(shí)別結(jié)果后，工作 狀態(tài)會(huì)轉(zhuǎn)入跟蹤模式，跟蹤模式是星敏感器的主要工作模式。
為了能跟蹤所有的星體，為了避免傳輸原始圖像數(shù)據(jù)影響跟蹤速度和數(shù)據(jù) 更新率，本發(fā)明在雙路質(zhì)心成像，直接輸出質(zhì)心數(shù)據(jù)而非原始圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)
上，釆用中國(guó)專利號(hào)為ZL200510084010.9的專利中給出的星敏感器快速星跟蹤 方法，基于位置信息實(shí)現(xiàn)無反饋、非窗口的匹配跟蹤。具體跟蹤過程是對(duì)當(dāng) 前時(shí)刻的星體根據(jù)其位置信息，尋找前一時(shí)刻與其在位置上匹配的已經(jīng)跟蹤到 的星體，如果找到一顆且只有一顆星體與其匹配，則匹配識(shí)別成功，當(dāng)前星體 的信息(包括赤經(jīng)、赤緯、星等、星號(hào))與匹配到的前一時(shí)刻的星體信息一致。 這種跟蹤方法能跟蹤視場(chǎng)上所有的星體，而且由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，跟蹤過程 的速度提高，為本發(fā)明星敏感器高姿態(tài)計(jì)算精度和高數(shù)據(jù)更新率提供了保證。
星圖識(shí)別單元15，用于從全天球中識(shí)別星圖，并將識(shí)別出的星圖發(fā)送給姿 態(tài)計(jì)算單元16。
該單元采用中國(guó)專利號(hào)為ZL200410102585.4的專利中所公開的改進(jìn)的三 角形星算法，使用角距匹配的方式實(shí)現(xiàn)三角形的匹配，可避免存儲(chǔ)三角形而必 須面臨的存儲(chǔ)容量太大的問題。這一算法無需依賴準(zhǔn)確的亮度信息，因此具有 更高的可行性。并且，通過按區(qū)間存儲(chǔ)星對(duì)和利用狀態(tài)標(biāo)識(shí)進(jìn)行三角形識(shí)別， 算法的速度得到很大提髙，全天球識(shí)別時(shí)間僅為0.5s,而一般的全天球識(shí)別時(shí) 間均在秒級(jí)以上，從而保證了星敏感器在全天球識(shí)別下的高數(shù)據(jù)更新率。
姿態(tài)計(jì)算單元16，采用星敏感器中廣泛應(yīng)用的四元素，根據(jù)星跟蹤單元14 跟蹤到的所有星體的信息、或星圖識(shí)別單元15在全天球識(shí)別到的星體信息解 算出星敏感器精確的姿態(tài)，并將計(jì)算出的星敏感器姿態(tài)輸出。具體如何計(jì)算 星敏感器的姿態(tài)屬于現(xiàn)有技術(shù)，這里不再贅述。
導(dǎo)航星庫(kù)17，用于存儲(chǔ)經(jīng)過均勻和無重疊劃分的導(dǎo)航星表，具體的，本發(fā) 明采用中國(guó)專利號(hào)為ZL200510002220. 9的專利中所公開的方案在直角坐標(biāo)
14系下對(duì)天區(qū)重新進(jìn)行劃分用天球的內(nèi)接正方體將天球球面均勾的分成六個(gè)區(qū)
域，天球中心和正方體每一側(cè)面四個(gè)頂點(diǎn)的連線構(gòu)成一個(gè)錐體，錐體和球面相
交并將其分成六塊；對(duì)于六塊中的每一塊，將其劃分成NxN的小塊，這樣， 整個(gè)天球球面可以被劃分為6 x N x N個(gè)子塊。
按照以上方法將天球劃分后，再掃描導(dǎo)航星表，可將每顆導(dǎo)航星都?xì)w于相 應(yīng)的子塊中，建立一個(gè)分區(qū)表。這樣，如果已知視軸指向的方向矢量或赤經(jīng)赤 綿坐標(biāo)，即可迅速在天區(qū)上找到相應(yīng)子塊及臨近的子塊。
為便于從導(dǎo)航星的序號(hào)快速檢索到其臨近區(qū)域的導(dǎo)航星，可將導(dǎo)航星所屬 子塊的序號(hào)也存儲(chǔ)在導(dǎo)航星表中。利用以上方法構(gòu)建導(dǎo)航星表和分區(qū)表，就可 以實(shí)現(xiàn)從初始姿態(tài)(視軸指向)或?qū)Ш叫切蛱?hào)到一定鄰域范圍內(nèi)導(dǎo)航星表的快 速檢索。這種方法對(duì)導(dǎo)航星的檢索不再需要遍歷整個(gè)導(dǎo)航星表，平均搜索的范 圍為以前的9/486=1/54，能夠大大提高搜索速度。
基于圖1給出的結(jié)構(gòu)，光學(xué)成像系統(tǒng)IO將星空?qǐng)D像成像在圖像傳感器11 上；在FPGA信號(hào)處理單元中圖像侍感器驅(qū)動(dòng)單元12的驅(qū)動(dòng)下，圖像傳感器 ll將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞給雙路質(zhì)心成像單元13;雙路質(zhì)心成像單元 13提取星體在觀測(cè)視場(chǎng)中的位置信息，并輸出給后續(xù)的RISC信號(hào)處理單元； RISC信號(hào)處理單元中的星圖識(shí)別單元15、星跟蹤單元14根據(jù)導(dǎo)航星庫(kù)17存 儲(chǔ)的導(dǎo)航星表，完成星圖識(shí)別和星跟蹤，即在導(dǎo)航星庫(kù)17中找到觀測(cè)星的對(duì) 應(yīng)匹配，實(shí)現(xiàn)星的模式識(shí)別和無反饋非窗口跟蹤；并由姿態(tài)計(jì)算單元16利用這 些匹配星對(duì)的方向矢量信息計(jì)算出星敏感器的三軸姿態(tài)，輸出姿態(tài)信息。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
1權(quán)利要求
1、一種超高精度的星敏感器，其特征在于，該星敏感器包括光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元、雙路質(zhì)心成像單元、星跟蹤單元、星圖識(shí)別單元、姿態(tài)計(jì)算單元以及導(dǎo)航星庫(kù)；其中，光學(xué)成像系統(tǒng)，用于將星空?qǐng)D像成像在圖像傳感器上；圖像傳感器，用于在圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并傳遞給雙路質(zhì)心成像單元；圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元，用于驅(qū)動(dòng)圖像傳感器；雙路質(zhì)心成像單元，用于對(duì)同時(shí)讀入的兩路像素進(jìn)行雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理，在處理完整幅圖像后，輸出光斑圖像的質(zhì)心坐標(biāo)給星跟蹤單元和星圖識(shí)別單元；星跟蹤單元，用于根據(jù)前一時(shí)刻已經(jīng)識(shí)別到的星體信息跟蹤當(dāng)前視場(chǎng)中的星體，獲取星體信息；星圖識(shí)別單元，用于從全天球中識(shí)別星圖；姿態(tài)計(jì)算單元，用于根據(jù)全天球識(shí)別到的星體信息或跟蹤到的所有星體的信息解算出星敏感器精確的姿態(tài)，并將計(jì)算出的星敏感器姿態(tài)輸出；導(dǎo)航星庫(kù)，用于存儲(chǔ)導(dǎo)航星表。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的星敏感器，其特征在于，所述圖像傳感器為2048 x 2048像元的大面陣圖像傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的星敏感器，其特征在于，所述圖像傳感器驅(qū) 動(dòng)單元和雙路質(zhì)心成像單元集成在一個(gè)FPGA上；所述星跟蹤單元、星圖識(shí)別 單元和姿態(tài)計(jì)算單元集成在一個(gè)RISC上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的星敏感器，其特征在于，所述雙路質(zhì)心成像 單元進(jìn)一步包括灰度值讀取模塊、灰度值比較模塊、雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊、 背景像素處理模塊、第一判斷模塊、存儲(chǔ)模塊、第二判斷模塊以及光斑圖像質(zhì) 心計(jì)算模塊；其中，灰度值讀取模塊，用于同時(shí)讀入兩路像素的灰度值，并將讀入的灰度值送入灰度值比較模塊；灰度值比較模塊，用于將灰度值讀取模塊發(fā)來的兩路像素的灰度值，分別與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較.，并根據(jù)比較結(jié)果完成對(duì)兩路像素的處理；雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊，用于完成雙路像素標(biāo)記、雙路數(shù)據(jù)等價(jià)合并和雙 路數(shù)據(jù)累加，之后，對(duì)兩路像素的灰度值均大于預(yù)設(shè)閾值的，進(jìn)入第二判斷模 塊，兩路像素中左像素的灰度值大于預(yù)設(shè)閾值的，將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到存儲(chǔ)模 塊，兩路像素中右像素的灰度值大于預(yù)設(shè)閾值的，將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到第一判 斷模塊；進(jìn)一步的，雙路像素?cái)?shù)據(jù)處理模塊包括標(biāo)記單元、合并單元和累加單元; 其中，標(biāo)記單元，用于完成雙路像素標(biāo)記，根據(jù)左右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比 較結(jié)果，為左像素和右像素進(jìn)行標(biāo)記，比較結(jié)果相同的像素標(biāo)記為等價(jià)標(biāo)記；合并單元，用于完成雙路數(shù)據(jù)等價(jià)合并，根據(jù)左/右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值 的比較結(jié)果，完成等價(jià)數(shù)據(jù)的合并；累加單元，用于完成雙路數(shù)據(jù)累加，根據(jù)左/右像素灰度值與預(yù)設(shè)閾值的比 較結(jié)果，完成對(duì)左右像素灰度值的累加，并完成對(duì)左右像素灰度值與坐標(biāo)值的 乘積的累加。背景像素處理模塊，用于在左右像素灰度值均小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，標(biāo)記當(dāng)前 兩路像素為背景像素，并將標(biāo)記值賦給相應(yīng)參數(shù)；第一判斷模塊，用于判斷兩路像素中左像素的左邊像素是否有標(biāo)記值；存儲(chǔ)模塊，用于將累加單元的值累加到等價(jià)標(biāo)記值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中， 并將累加單元清零;第二判斷模塊，用于判斷整幅圖像是否處理完；光斑圖像質(zhì)心計(jì)算模塊，用于在處理完整幅圖像后，計(jì)算并輸出光斑圖像 質(zhì)心的坐標(biāo)值。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述星敏感器，其特征在于，所述累加單元包括用于對(duì) 左右像素灰度值和坐標(biāo)值的乘積進(jìn)行累加的第一累加器，以及用于對(duì)左右像素的灰度值進(jìn)行累加的第二累加器。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的星敏感器，其特征在于，所述星跟蹤單元基于位 置信息實(shí)現(xiàn)無反饋、非窗口匹配跟蹤。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高精度的星敏感器，包括光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像傳感器驅(qū)動(dòng)單元、雙路質(zhì)心成像單元、星跟蹤單元、星圖識(shí)別單元、姿態(tài)計(jì)算單元以及導(dǎo)航星庫(kù)；其關(guān)鍵在于，對(duì)使用2048×2048像元大面陣圖像傳感器的星敏感器，引入雙路質(zhì)心跟隨成像技術(shù)，同時(shí)讀取和處理兩路像素?cái)?shù)據(jù)；并且，在進(jìn)行星跟蹤時(shí)，采用基于位置信息實(shí)現(xiàn)的無反饋、非窗口匹配跟蹤，如此，可大大提高星敏感器的精度和數(shù)據(jù)更新率。
文檔編號(hào)G01C21/02GK101676687SQ200910171879
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者張廣軍, 樊巧云, 潔 江, 魏新國(guó) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)