基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法

2023-12-09 17:03:26

專利名稱：基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法
技術領域：
本發明屬於空間飛行器姿態測量技術，特別涉及星敏感器星跟蹤方法。

背景技術：
星敏感器通過探測恆星來確定空間飛行器的三軸姿態，是空間飛行器姿態測量最重要的敏感器之一。星敏感器通常有姿態捕獲和星跟蹤兩種工作模式。前者通過識別當前拍攝的星圖在全天星圖中的位置，獲得飛行器姿態；後者在已知前一時刻姿態條件下，通過跟蹤星圖的變化獲得當前飛行器姿態。星敏感器大部分時間處於跟蹤模式，星跟蹤方法決定了星敏感器跟蹤速度和跟蹤精度。隨著空間飛行器的發展，對姿態測量的精度和速度提出了更高的要求，因而星敏感器星跟蹤方法也要有相應的提高，其具體要求如下 (1)高精度，(2)抗幹擾，(3)高速度 傳統的星跟蹤方法主要有跟蹤窗方法和匹配識別方法，兩種方法均已知前一時刻姿態條件下，利用前一時刻的姿態信息，通過對星敏感器當前拍攝星圖中星點坐標的識別判定得到當前飛行器的姿態。以跟蹤窗方法為例說明傳統星跟蹤方法的步驟。假設第K幀星圖的識別結果已知，即已知該星圖星點坐標及其對應的星敏感器姿態。首先提取當前幀(第K+1幀)星圖上星點的位置坐標，然後在以第K幀星圖上第n星點為中心，r為半徑的窗口中搜索第K+1幀星圖上的星點，搜到的最近星點為第n星；進行多個星點的搜索，可以判定出第K+1幀相對於第K幀的位移，從而根據K幀的姿態數據結合K+1幀的相對位移量得到當前時刻的姿態數據。如果前述過程中沒有搜索到足夠的星點，則需要進行局部或全天的星圖匹配，詳細過程見圖1。匹配識別方法則通過第K幀姿態信息得到當前星圖所處的局部的標準星圖的星點位置坐標，K+1幀星圖星點坐標提取後，通過與上述局部標準星圖匹配，實現當前姿態信息的獲取。
從上述步驟可以看到，傳統方法存在以下不足，限制了其精度、速度和抗幹擾性能。首先，上述方法均需要提取星圖的星點坐標，提取星點坐標的精度很大程度上決定了最終姿態計算精度。但這個過程易受背景雜光、探測器噪聲及載體的運動影響，使得精度和抗幹擾能力下降。而且為了兼顧計算速度，往往只取部分星點，不能充分利用探測到的信息。其次，上述方法均不能避免星圖匹配的步驟，即需要將拍攝的星圖與局部星庫數據進行匹配識別，而這個過程是非常耗時的，限制了計算速度的進一步提高。另外還存在星點的誤識別問題。
光學聯合變換相關原理(參見宋菲君，S.Jutanmulia.近代光學信息處理。北京大學出版社，1998年(第一版)，pp78-90)。光學聯合變換相關器(JTC，Joint transfrom correlator)，最早是由Weaver和Goodman，及Rau提出，其基本結構如圖3所示，可以實現目標圖像與參考圖像的相關運算。其基本原理為，目標圖像f(x，y)和參考圖像g(x，y)聯合顯示在輸入面P0上，兩圖分別位於(0，a)，(0，-a)處，由準直雷射束讀出，經過傅立葉透鏡L1，在L1後焦面P1上形成輸入圖像的聯合傅立葉變換譜，在P1面轉換為功率譜後，由另一束準直雷射束經過分光鏡(B.S)讀出，經過傅立葉透鏡L2，在L2焦平面P2上形成相關輸出O。相關輸出的表達式為(推導過程見參考文獻) O＝O1+O2+O3+O4 (1) 其中 O1(ε，η)＝∫∫f(α，β)f*(α-ε，β-η)dαdβ(2) 為f(x，y)的自相關， O2(ε，η)＝∫∫f(α，β)g*(α-ε，β-(η+2a))dαdβ(3) 為f(x，y)和g(x，y)的互相關，在η軸上平移-2a， O3(ε，η)＝∫∫f*(α-ε，β-(η-2a))g(α，β)dαdβ(4) 為g(x，y)和f(x，y)的互相關，在η軸上平移2a， O4(ε，η)＝∫∫g(α，β)g*(α-ε，β-η)dαdβ (5) 為g(x，y)的自相關。


發明內容
1.本發明目的和總體特點 本發明基於光學聯合變換相關的原理，提出一種新的星敏感器星跟蹤方法。本發明利用光學聯合變換相關器對前後兩幀星圖進行相關運算，通過相關峰的位置變化來計算星圖的偏移，從而得到姿態變化信息。該方法避免了星點提取的環節，同時利用了整幅星圖的信息，能減小雜光、噪聲和載體運動對計算精度的影響，從而較大提高了星跟蹤精度和抗幹擾性能。由於利用光學方法實現相關運算，而且計算過程中不需要與標準星庫匹配，因而較大提高了星跟蹤的速度。
2.本發明的原理 根據式(3)，當輸入圖像與參考圖像相同時，O2為自相關信號，因而為點狀信號(稱為自相關峰)，同樣由該式可知，該信號位置和輸入圖像與參考圖像的位置偏移成正比，因而提取自相關峰的中心位置，即可以計算出兩幅圖像的位置偏移。
根據上述原理，本發明將第K幀星圖作為參考圖像，第K+1幀星圖作為目標圖像，兩幅圖像同時輸入於光學聯合變換相關器，在輸出面上得到相關峰。然後提取相關峰位置坐標，再經過計算得到前後兩幀星圖的偏移參數。從而進一步計算得到當前星敏感器的姿態數據。前一幀星圖與當前拍攝星圖可以左右(上下)並排拼接為一幅圖再輸入光學聯合變換相關系統，也可以疊加為一幅圖再輸入光學聯合變換相關系統。具體的計算步驟見附圖2。
偏移參數的計算原理如下 設第K幀星圖為f(x，y)，第K+1幀星圖在y軸方向上有b的偏移，則其表達式為f(x，y-b)，兩圖分別位於(0，a)，(0，-a)處，在透鏡L1後焦面得到傅立葉譜為 S(u，v)為聯合傅立葉譜，可由傅立葉位移的變換法則改寫為 式中 用平方律探測器測量透鏡後焦面的聯合傅立葉譜，得到功率譜 對上述聯合功率譜|S(u，v)|2經過透鏡L2進行一次傅立葉逆變換，得到 將(9)式代入(10)式，得到三項 為f(x，y)的自相關，位於原點； 為f(x，y)的自相關，位於η軸上-(2a-b)點； 為f(x，y)的自相關，位於η軸上2a-b點； 由(4)式及(13)式可知，相關峰的偏移量 b′＝2a-(2a-b)＝b(14) 即相關峰的偏移量與圖像偏移量相同。具體實現時，因為器件尺度關係，實際相關峰的偏移量與星圖偏移量呈線性關係。
3.技術效果 本發明與傳統星跟蹤方法相比，有以下特點 1)計算速度快。
由於聯合變換相關是由光學方法完成，其計算速度僅受限於光電轉換器件速度。再者沒有與星庫匹配識別的耗時環節。
2)精度高。
無須提取具體的星點坐標，且同時對整幅星圖的所有星點進行相關運算，精度大為提高。與單星提取精度相比，整幅星圖相當於對該圖上所有星點進行計算，由統計原理可知，精度提高n倍，其中n為該星圖上星點的個數。
3)抗幹擾 噪聲信號與星點圖像信號不相關，因而在相關運算中可以減小和消除噪聲信號的影響，提高信噪比，抗幹擾能力強。



圖1為傳統星跟蹤方法步驟示意圖 圖2為基於光學聯合變換相關的星跟蹤方法步驟示意圖 圖3為光學聯合變換相關原理圖 圖4為具體實施方案示意圖
具體實施例方式 下面結合附圖4對本發明實施方式作詳細的說明。但不應因此限制本發明的保護範圍。
如圖4所示，本發明實施方案包括三部分相機1、嵌入式處理器2、光學聯合變換相關器3。其中光學聯合變換相關器包括空間光調製器4、1/4波片5、偏振分光鏡6、傅立葉透鏡7、反射鏡8、光電探測器9、半導體雷射光源10。設相機拍攝到的當前星圖為第K+1幀星圖，前一時刻拍攝的星圖為第K幀星圖，且前一時刻的星敏感器姿態已知。第K+1幀星圖通過嵌入式處理器2同第K幀星圖水平拼接，再寫入到空間光調製器4，經過1/4波片5、偏振分光鏡6、傅立葉透鏡7、反射鏡8到光電探測器9，由光電探測器9採集到功率譜，功率譜由嵌入式處理器2寫入空間光調製器4，再次通過光學聯合變換相關系統，由光電探測器9採集到相關輸出。通過嵌入式處理器2提取相關峰位置坐標，利用14式計算得到前後兩幀星圖的偏移量。從而進一步計算得到當前星敏感器的姿態數據。
權利要求
1.基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法，根據光學聯合變換相關原理，當輸入圖像與參考圖像相同時，光學聯合變換相關器輸出點狀相關峰信號，且該信號位置和輸入圖像與參考圖像的位置偏移量相關，其特徵在於將星敏感器拍攝的前一幀星圖作為參考圖像，當前拍攝星圖作為目標圖像，兩幅圖像同時輸入於光學聯合變換相關器，在輸出面上得到相關峰；然後提取相關峰位置坐標，再經過計算得到前後兩幀星圖的偏移參數，從而進一步計算得到當前星敏感器的姿態數據，實現星圖跟蹤。
2.根據權利要求1所述的基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法，其特徵在於前一幀星圖與當前拍攝星圖可以左右(上下)並排拼接為一幅圖再輸入光學聯合變換相關系統，也可以疊加為一幅圖再輸入光學聯合變換相關系統。
3.根據權利要求1所述的基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法，其特徵在於光學聯合變換相關系統輸出的相關運算圖像為一灰度圖像，其中有一個灰度最大值點代表兩幅輸入星圖的相關運算結果(稱為相關峰)，且該點的位置變化與兩幅輸入星圖間的相對位置偏移成線性關係。
4.根據權利要求1所述的基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法，其特徵在於整個系統包括相機(1)，嵌入式處理器(2)，光學相關運算系統(3)，其中光學相關運算系統(3)包括空間光調製器(4)，1/4波片(5)，偏振分光鏡(6)，傅立葉透鏡(7)，反射鏡(8)，光電探測器(9)，雷射光源(10)。
5.如權利要求1所述的基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法，其特徵在於該方法的跟蹤步驟為
①星敏感器相機(1)拍攝當前星圖，傳至嵌入式處理器(2)；
②嵌入式處理器將當前星圖與前一幀星圖拼接後傳至光學相關運算系統(3)；
③光學相關運算系統進行相關運算，運算結果以一定的光強圖樣分布輻照在光電探測器所在的平面上；
④光電探測器(9)將得到的運算結果圖像傳至嵌入式處理器(2)；
⑤嵌入式處理器提取相關峰坐標，並計算得到當前拍攝星圖相對於前一幀星圖的位置偏移；
系統重複執行上述步驟①-⑤，實現了對實時星圖的精準跟蹤。
全文摘要
本發明涉及一種基於光學聯合變換相關的星敏感器星跟蹤方法。利用光學聯合變換相關器對星敏感器拍攝的前後兩幀星圖進行相關運算，通過相關峰的位置變化來計算星圖的偏移，從而得到姿態變化信息。該方法避免了星點提取的環節，同時利用了整幅星圖的信息，能減小雜光、噪聲和載體運動對計算精度的影響，從而較大提高了星跟蹤精度和抗幹擾性能。由於利用光學方法實現相關運算，而且計算過程中不需要與標準星庫匹配，因而較大提高了星跟蹤的速度。
文檔編號G01C21/02GK101701822SQ20091004470
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月6日 優先權日2009年11月6日
發明者賈輝, 楊建坤, 楊俊才, 李修建, 聶永明, 劉海波, 宿德志 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學