共光路多視場(chǎng)星敏感器及其星體姿態(tài)測(cè)量方法
【專利摘要】一種共光路多視場(chǎng)星敏感器及其星體姿態(tài)測(cè)量方法，該共光路多視場(chǎng)星敏感器共用一套光學(xué)系統(tǒng)、成像單元和數(shù)據(jù)處理單元，光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)觀測(cè)三個(gè)不同天區(qū)的恒星，成像單元對(duì)三個(gè)不同天區(qū)的恒星同時(shí)成像，對(duì)成像的星點(diǎn)進(jìn)行星圖識(shí)別，數(shù)據(jù)處理單元同時(shí)對(duì)采集到的恒星星點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)心坐標(biāo)的提取，并通過(guò)對(duì)三個(gè)視場(chǎng)的偏移量進(jìn)行非對(duì)齊修正，最終完成高精度的星體姿態(tài)角輸出。本發(fā)明可以有效的解決單視場(chǎng)星敏感器沿光軸方向測(cè)量精度較低的問(wèn)題，同時(shí)也可克服傳統(tǒng)多視場(chǎng)星敏感器采用分體式的光學(xué)系統(tǒng)和成像系統(tǒng)而引起的重量、功耗和體積較大的缺點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)三軸高精度測(cè)量的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了輕小型化設(shè)計(jì)，可以滿足多種衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)高精度姿態(tài)測(cè)量的需求。
【專利說(shuō)明】共光路多視場(chǎng)星敏感器及其星體姿態(tài)測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種共光路多視場(chǎng)星敏感器及其星體姿態(tài)測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空間中對(duì)高精度姿態(tài)敏感器的需求日益加劇，為了獲取準(zhǔn)確的姿態(tài)信息，必 須采用高精度的姿態(tài)測(cè)量敏感器。星敏感器是目前空間應(yīng)用中精度最高的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備， 但是其三個(gè)測(cè)量方向中沿光學(xué)系統(tǒng)光軸方向的測(cè)量精度較其它兩軸相比要低一個(gè)數(shù)量級(jí)， 僅靠單一視場(chǎng)的星敏感器難以做到三軸同時(shí)高精度測(cè)量。而常規(guī)的提高測(cè)量精度的方法是 采用多臺(tái)星敏感器數(shù)據(jù)相互融合的方式，或者采用多套光學(xué)系統(tǒng)、多套成像單元組成的多 視場(chǎng)星敏感器系統(tǒng)，這樣雖然可以實(shí)現(xiàn)三軸高精度測(cè)量，但同時(shí)也帶來(lái)了諸如重量、功耗較 大，安裝位置難以精確標(biāo)定等問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種共光路多視場(chǎng)星敏感器及其星體姿態(tài)測(cè)量方法，可以有效的解決 單視場(chǎng)星敏感器沿光軸方向測(cè)量精度較低的問(wèn)題，同時(shí)也可克服傳統(tǒng)多視場(chǎng)星敏感器采用 分體式的光學(xué)系統(tǒng)和成像系統(tǒng)而引起的重量、功耗和體積較大的缺點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)三軸高精度 測(cè)量的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了輕小型化設(shè)計(jì)，可以滿足多種衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)高精度姿態(tài)測(cè)量的需求。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種共光路多視場(chǎng)星敏感器，該共光路多視場(chǎng)星 敏感器包含光學(xué)系統(tǒng)、成像單元和電路連接成像單元的數(shù)據(jù)處理單元；
[0005] 所述的光學(xué)系統(tǒng)包含：
[0006] 第一高反射鏡組，其設(shè)置在星敏感器的光線入口處，該第一高反射鏡組包含三個(gè) 第一高反射鏡，所述的第一高反射鏡為平面反射鏡；
[0007] 第二高反射鏡組，其包含三個(gè)第二高反射鏡，每個(gè)第二高反射鏡與所述的每個(gè)第 一高反射鏡對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)第二高反射鏡分別設(shè)置在星敏感器內(nèi)能夠接收并反射對(duì)應(yīng)的第 一高反射鏡的反射光線的位置處，所述的第二高反射鏡為凹面反射鏡；
[0008] 第三高反射鏡，其設(shè)置在星敏感器內(nèi)能夠接收并反射第二高反射鏡組內(nèi)的第二高 反射鏡的反射光線的位置處，所述的第三高反射鏡為凸面反射鏡；
[0009] 所述的成像單元接收第三高反射鏡的反射光線，對(duì)不同視場(chǎng)方向進(jìn)入的星點(diǎn)同時(shí) 成像并完成星圖識(shí)別；
[0010] 所述的數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)成像單元獲得的星圖，完成星點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)的提取和星體 姿態(tài)的解算。
[0011] 所述的三個(gè)第一高反射鏡按照兩兩之間呈120°夾角的方式，均勻布置，每個(gè)第一 高反射鏡與水平位置的傾角為45°。
[0012] 本發(fā)明還提供一種利用共光路多視場(chǎng)星敏感器實(shí)現(xiàn)的基于共光路多視場(chǎng)星敏感 器的星體姿態(tài)測(cè)量方法，該基于共光路多視場(chǎng)星敏感器的星體姿態(tài)測(cè)量方法包含以下步 驟：
[0013] 步驟1、光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)觀測(cè)三個(gè)不同天區(qū)的恒星，并將三個(gè)不同天區(qū)的恒星同時(shí)成 像到成像單元；
[0014] 步驟2、成像單元對(duì)三個(gè)不同天區(qū)的恒星同時(shí)成像，對(duì)成像的星點(diǎn)進(jìn)行星圖識(shí)別；
[0015] 步驟3、數(shù)據(jù)處理單元同時(shí)對(duì)采集到的恒星星點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)心坐標(biāo)的提取，并通過(guò)對(duì)三 個(gè)視場(chǎng)的偏移量進(jìn)行非對(duì)齊修正，最終完成高精度的星體姿態(tài)角輸出。
[0016] 所述的步驟2包含以下步驟：
[0017] 步驟21、利用視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)來(lái)完成成像星點(diǎn)所屬視場(chǎng)的確定；
[0018] 步驟22、采用基于四棱錐的方法，通過(guò)識(shí)別星的棱錐布局來(lái)完成星圖識(shí)別。
[0019] 所述的步驟21中，確定視場(chǎng)就是確定點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的對(duì)稱軸的斜率，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的 對(duì)稱軸的斜率與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖像的慣性張量J的特征向量一致；
[0020] 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的對(duì)稱軸的方位，通過(guò)慣性張量J的本征分析得到：

【權(quán)利要求】
1. 一種共光路多視場(chǎng)星敏感器，其特征在于，該共光路多視場(chǎng)星敏感器包含光學(xué)系統(tǒng) (1)、成像單元（2)和電路連接成像單元的數(shù)據(jù)處理單元（3); 所述的光學(xué)系統(tǒng)包含： 第一高反射鏡組，其設(shè)置在星敏感器的光線入口處，該第一高反射鏡組包含三個(gè)第一 高反射鏡（101)，所述的第一高反射鏡（101)為平面反射鏡； 第二高反射鏡組，其包含三個(gè)第二高反射鏡（102)，每個(gè)第二高反射鏡（102)與所述的 每個(gè)第一高反射鏡（101)對(duì)應(yīng)設(shè)置，每個(gè)第二高反射鏡（102)分別設(shè)置在星敏感器內(nèi)能夠 接收并反射對(duì)應(yīng)的第一高反射鏡（101)的反射光線的位置處，所述的第二高反射鏡（102) 為凹面反射鏡； 第三高反射鏡（103)，其設(shè)置在星敏感器內(nèi)能夠接收并反射第二高反射鏡組內(nèi)的第二 高反射鏡（102)的反射光線的位置處，所述的第三高反射鏡（103)為凸面反射鏡； 所述的成像單元（2)接收第三高反射鏡（103)的反射光線，對(duì)不同視場(chǎng)方向進(jìn)入的星 點(diǎn)同時(shí)成像并完成星圖識(shí)別； 所述的數(shù)據(jù)處理單元（3)根據(jù)成像單元（2)獲得的星圖，完成星點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)的提取和 星體姿態(tài)的解算。
2. 如權(quán)利要求1所述的共光路多視場(chǎng)星敏感器，其特征在于，所述的三個(gè)第一高反射 鏡（101)按照兩兩之間呈120°夾角的方式，均勻布置，每個(gè)第一高反射鏡（101)與水平位 置的傾角為45°。
3. -種利用如權(quán)利要求1或2所述的共光路多視場(chǎng)星敏感器實(shí)現(xiàn)的基于共光路多視場(chǎng) 星敏感器的星體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在于，該基于共光路多視場(chǎng)星敏感器的星體姿態(tài)測(cè) 量方法包含以下步驟： 步驟1、光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)觀測(cè)三個(gè)不同天區(qū)的恒星，并將三個(gè)不同天區(qū)的恒星同時(shí)成像到 成像單元； 步驟2、成像單元對(duì)三個(gè)不同天區(qū)的恒星同時(shí)成像，對(duì)成像的星點(diǎn)進(jìn)行星圖識(shí)別； 步驟3、數(shù)據(jù)處理單元同時(shí)對(duì)采集到的恒星星點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)心坐標(biāo)的提取，并通過(guò)對(duì)三個(gè)視 場(chǎng)的偏移量進(jìn)行非對(duì)齊修正，最終完成高精度的星體姿態(tài)角輸出。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于共光路多視場(chǎng)星敏感器的星體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在 于，所述的步驟2包含以下步驟： 步驟21、利用視場(chǎng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)來(lái)完成成像星點(diǎn)所屬視場(chǎng)的確定； 步驟22、采用基于四棱錐的方法，通過(guò)識(shí)別星的棱錐布局來(lái)完成星圖識(shí)別。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于共光路多視場(chǎng)星敏感器的星體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在 于，所述的步驟21中，確定視場(chǎng)就是確定點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的對(duì)稱軸的斜率，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的對(duì)稱 軸的斜率與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖像的慣性張量J的特征向量一致； 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的對(duì)稱軸的方位，通過(guò)慣性張量J的本征分析得到：
其中求和運(yùn)算擴(kuò)展到屬于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的所有像素； 特征值λ i和λ 2按如下給出：
如果特征值\1和\2完全分開(kāi)，就可以確定出星光來(lái)自哪個(gè)視場(chǎng)。
6. 如權(quán)利要求4所述的基于共光路多視場(chǎng)星敏感器的星體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在 于，所述的步驟22包含以下步驟： 步驟2. 1、對(duì)(XD/CMOS探測(cè)器成像面上的星點(diǎn)成像數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果星點(diǎn)數(shù)量為3， 進(jìn)行步驟2. 2,如果星點(diǎn)數(shù)量小于3,則無(wú)法進(jìn)行星圖識(shí)別，匹配失敗，如果星點(diǎn)數(shù)量大于3， 進(jìn)行步驟2. 3 ; 步驟2. 2、判斷兩兩星點(diǎn)之間的星間角距，并與星圖庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，看結(jié)果是否唯一，如果 唯一，星圖匹配成功，完成星點(diǎn)識(shí)別并返回；如果不唯一，則匹配失??； 步驟2. 3、從星點(diǎn)中取出三顆星點(diǎn)i、j、k，并取出另一顆參考星點(diǎn)r，分別判斷r-i、r-j 和r-k之間的星間角距，看結(jié)果是否唯一，如果唯一，進(jìn)行步驟2. 4,如果不唯一，進(jìn)行步驟 2. 5 ； 步驟2. 4、星圖識(shí)別成功，可以使用已經(jīng)識(shí)別出的i、j、k三顆恒星進(jìn)行其它星點(diǎn)的識(shí) 別； 步驟2. 5、判斷該i、j、k是否星圖中輪尋過(guò)的最后三個(gè)點(diǎn)，如果不是，從星圖中再取出 三顆星，進(jìn)行步驟2. 3,如果是最后的三個(gè)星點(diǎn)，舍去負(fù)數(shù)解，看結(jié)果是否唯一，如果唯一，則 星圖識(shí)別成功；如果不唯一，則星圖識(shí)別失敗。
7. 如權(quán)利要求4所述的基于共光路多視場(chǎng)星敏感器的星體姿態(tài)測(cè)量方法，其特征在 于，所述的步驟3中，數(shù)據(jù)處理單元對(duì)采集到的恒星星點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)心坐標(biāo)的提取包含以下步 驟： 步驟31、快速獲取質(zhì)心的粗略位置； 步驟32、根據(jù)質(zhì)心的粗略位置，精確確定質(zhì)心位置； 所述的步驟31中，僅掃描所有的(XD/CMOS像素一次，通過(guò)整數(shù)向量Ih和Iv記錄(XD/ CMOS探測(cè)器上在相應(yīng)行和相應(yīng)列的最大值的位置，從而快速的找到所有η個(gè)最亮的像素 占. 所述的向量Ih由nh個(gè)分量組成，向量Ιν由ην個(gè)分量組成，相對(duì)應(yīng)于CCD/CM0S探測(cè) 器水平方向和垂直方向的像元數(shù)； 所述的步驟32中，精確的確定質(zhì)心位置； 設(shè)星點(diǎn)圖像中第i行、第j列像素的坐標(biāo)為（Xi，y」），灰度值為f (Xi，y」)，則星點(diǎn)的質(zhì)心

【文檔編號(hào)】G01C21/02GK104061929SQ201410321684
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】劉宗明, 陽(yáng)光, 盧山, 袁馳, 梁彥, 劉超鎮(zhèn) 申請(qǐng)人:上海新躍儀表廠