专利名称：一种恒星陀螺及其实现方法
技术领域：
本发明涉及航天器姿态测量技术，特别是指一种恒星陀螺及其实现方法。
背景技术：
恒星陀螺(Stellar Gyroscope)是近年来国外提出的一种航天器姿态测量系统的新概念，恒星陀螺实现的基本思想是提高恒星陀螺高动态高更新率性能，在此基础上利用恒星信息进行角速度计算，实现陀螺功能。目前，对于恒星陀螺的研究，国外美国喷气动力实验室的C. C. Liebe只提出了恒星陀螺进行大角速度计算的一种方法，没有提出相应的恒星陀螺的硬件系统；虽然美国 StarVision技术公司提出了一种恒星陀螺的原型样机，但是，并没有公开详细的技术细节。综上所述，目前还没有关于恒星陀螺的技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能实现高动态、高姿态更新率的性能并具有角速度计算功能的恒星陀螺及其实现方法。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的本发明提供了一种恒星陀螺，包括光学成像系统、以及图像传感器；该恒星陀螺还包括像增强器、现场可编程门阵列(FPGA)信号处理单元、以及数字信号处理/精简指令集计算机(DSP/RISC)单元；其中，像增强器，耦合于所述图像传感器前面；用于对光学成像系统得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；图像传感器，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；FPGA信号处理单元，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；DSP/RISC单元，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时，利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，输出计算结果。上述方案中，所述像增强器包括光阴极、微通道板(MCP，MicroChannel Plate)、 以及荧光屏；其中，光阴极，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；MCP，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏上，产生增强的电子像；荧光屏，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。上述方案中，所述光阴极为多碱阴极；所述MCP的最大亮度增益为8000倍；所述荧光屏为P-22荧光屏。上述方案中，所述多碱阴极为S-25+。
本发明提供了一种恒星陀螺的实现方法，该方法包括将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，并输出计算结果。上述方案中，所述将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，为利用视场星点位置之间的联动关系，通过已识别出的星点在前k帧星图中的位置和估算得到的角速度信息，经卡尔曼滤波器预测，估计视场中已识别出的星点在k+Ι帧的位置，在估计出的位置范围内进行跟踪；并利用虚拟视场对新进入视场的星点进行快速判断和识别。上述方案中，所述利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，为根据单星点在恒星陀螺成像面上扫过的轨迹，精确提取轨迹，得到轨迹点在成像面上的坐标；将轨迹点在成像面上的坐标转换成恒星陀螺坐标系下的坐标；根据轨迹点在恒星陀螺坐标系下的坐标，求出旋转轴；根据旋转轴求出星点轨迹中两个端点之间的角距、两个端点到恒星陀螺坐标系的球心的角距，根据球面三角形公式，计算角速度。上述方案中，所述根据单星点在恒星陀螺成像面上扫过的轨迹，精确提取轨迹， 为采用自适应窗口进行星点轨迹分割；对分割后存在断裂的轨迹，利用形态学主动生长的方法进行断线修补；之后在提取出的轨迹端点附近的固定区域内进行连通性判断，滤出孤立的噪点， 并采用一阶距进行端点质心的亚像素定位处理。本发明提供的恒星陀螺及其实现方法，将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，如此，能实现陀螺的功能。除此以外，在设计恒星陀螺的各处理模块的参数时，通过对恒星陀螺全链路的数字建模仿真，对不同设计参数的恒星陀螺在不同运动参数条件下的工作特性进行全面仿真和分析，同时对恒星陀螺中各处理模块的各种参数进行优化设计，得到光学系统视场大小、 口径大小、曝光时间、以及增益大小之间的最佳配合，如此，能实现短曝光下高灵敏度的探测。
图1为本发明恒星陀螺的俯视结构示意图2为本发明像增强器的结构示意图；图3为本发明的恒星陀螺全链路数字仿真示意图；图4为本发明恒星陀螺的实现方法流程示意图；图5为本发明星跟踪的示意图；图6为C. C. Liebe提出的角速度计算原理示意图；图7为采用C. C. Liebe提出的方法采集的星点轨迹示意图；图8为采用C. C. Liebe提出的方法进行轨迹分割后的星点轨迹示意图；图9为本发明进行断线修补后的星点轨迹示意图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。本发明提供的恒星陀螺，如图1所示，该恒星陀螺包括光学成像系统11、像增强器12、图像传感器13、FPGA信号处理单元14、以及DSP/RISC单元15 ；其中，光学成像系统11，用于将星体发射的光进行光学成像处理，得到微弱光学信号星图；像增强器12，用于对光学成像系统11得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；图像传感器13，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；FPGA信号处理单元14，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；DSP/RISC单元15，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，并利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，输出计算结果。其中，所述光学成像系统11与现有的星敏感器的光学成像系统相同。所述像增强器12耦合于所述图像传感器13的前面，这里，所述前面是指将恒星陀螺平放后，从图像传感器13的方向看恒星陀螺的组成结构依次为像增强器12耦合于所述图像传感器13的前面，光学成像系统11安置于像增强器12的前面。这里，耦合的方式可以通过光学镜头耦合，或者，通过光纤光锥耦合。如图2所示，所述像增强器12包括光阴极121、MCP 122、以及荧光屏123 ；其中，光阴极121，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；MCP 122，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏123上，产生增强的电子像；荧光屏123，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。其中，像增强器可进行几千倍的增益设置，能大大提高光信号的探测灵敏度，因此，像增强器具有探测灵敏度极高的特点，进而可以缩短曝光时间，将像增强器应用到恒星陀螺中，通过增加像增强器的增益，可以提高对弱星的探测能力，进而可以解决短曝光时间下的高灵敏度的星等探测问题。现有的像增强技术主要应用在微光夜视上，像增强器12的光谱响应特性、增益特性、以及时间响应特性都是根据观察者的眼睛的特性设计的，因此，并不适合于恒星陀螺的应用。所以，本发明通过对像增强器12的光谱响应特性、增益特性、以及时间响应特性进行分析，设计出适合应用于恒星陀螺的像增强器12，具体实现原理是这样的第一，从光谱响应特性分析。所谓光谱响应特性是指像增强器的响应能力与入射波长的对应关系，像增强器的光谱响应特性实际上是光阴极的光谱响应特性，它决定了像增强器工作的光谱范围。另外，光谱响应特性还需要考虑光源与光阴极、光阴极与荧光屏、 荧光屏与图像传感器之间在光谱上的匹配程度。其中，所述光源是指光学成像系统11形成的星体的光学图像。这里，首先分析光源与光阴极之间的光谱匹配，恒星陀螺的光源为恒星星光，恒星星光的特点是信号弱，光谱范围为从紫外到近红外；其中，紫外恒星偏少，可以不作为光源考虑，可见光和近红外的恒星非常多，尤其是近红外的恒星，数目比可见光的恒星数目还多，非常适合作为恒星陀螺的探测目标，因此，要求光阴极121在可见光到近红外的光谱范围内，都要有好的光谱响应特性。光阴极的种类很多，常用的光阴极包括银氧铯阴极、锑铯阴极、多碱阴极、负电子亲和势阴极、以及紫外阴极等，其中，多碱阴极不仅量子效率高，而且有宽带光谱响应范围，它的长波已扩展到0. 9 μ m以上，所以，多碱阴极的光谱特性与恒星的光谱特性是最佳匹配，因此，本发明采用多碱阴极作为恒星陀螺的像增强器 12中的光阴极121，进一步地，由于多碱阴极中的S-25+在常用的多碱阴极的基础上，增加了厚度，从而近一步增强了红光和红外光的光谱响应，因此，采用多碱阴极中的S-25+。作为像增强器12中的光阴极121，从光阴极121与荧光屏123、荧光屏123与图像传感器13之间的光谱匹配考虑需要选择合适的荧光屏类型，使得荧光屏123能与光阴极 121、以及图像传感器13能很好的匹配。目前，荧光屏的类型比较多，通常，荧光屏类型的表示方法由P和数字构成，本发明中采用P-22荧光屏，这是因为P-22荧光屏的光谱特性与 S-25+的光谱特性匹配系数值为0. 8，光谱匹配的非常好，同时，P-22荧光屏的发光峰值波长为550nm，这与图像传感器13的光谱也非常地匹配。本发明采用的光阴极和荧光屏类型， 可使恒星陀螺的图像传感器13获得高的整体响应度，从而能保证高灵敏度的恒星探测。第二，从增益特性分析。增益特性是像增强器非常重要的特性，正是因为像增强器具有增益特性，才使得整个恒星陀螺的探测灵敏度能极大提高，进而可以实现短时间曝光下的高灵敏度探测。像增强器的增益特性是通过MCP实现的，MCP是二维的电子图像倍增级。对于恒星陀螺的应用而言，只需要在高动态下、在一定的视场下能观测到一定的星等，比如在5° /s，10° X10°的条件下，能观测到6Mv星，就可以利用视场内可敏感恒星数目实现星图识别，因此，对于恒星陀螺中的像增强器12，增益值不需要达到它的最大增益阈值。而且，像增强器的增益越大，背景噪声也就越大，会造成得到的星像信噪比较差。因此，对于高动态高更新率的恒星陀螺，必须要对像增强器12的增益特性进行分析，在设计增益大小时，可以同时优化图像传感器13的曝光参数，在适当设计像增强器12的增益大小和图像传感器13的曝光参数的基础上，还可以进一步优化光学成像系统11的设计，比如可以减小光学系统的口径，增大光学系统的视场等，以使设计出的恒星陀螺具有最佳性能。图3示出恒星陀螺全链路数字仿真示意图，如图3所示，在进行分析时，需要根据恒星陀螺从成像到姿态输出的整个信号处理链路上的各处理模块分别建立对应的数学模型。其中，光学成像模型采用现有的针孔成像模型，在分析时，需要考虑光学镜头的孔径、镜头透过率、以及点扩散函数等特性，像增强模型考虑光谱响应特性、增益特性、背景特性、以及成像特性；光电转换模型考虑积分时间、量子效率、填充因子、光谱响应、以及转换函数等因素的影响；像增强模型及光电转换模型如下式
权利要求
1.一种恒星陀螺，包括光学成像系统、以及图像传感器；其特征在于，该恒星陀螺还包括像增强器、现场可编程门阵列(FPGA)信号处理单元、以及数字信号处理/精简指令集计算机(DSP/RISC)单元；其中，像增强器，耦合于所述图像传感器前面；用于对光学成像系统得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；图像传感器，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图； FPGA信号处理单元，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理； DSP/RISC单元，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时，利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，输出计算结果。
2.根据权利要求1所述的恒星陀螺，其特征在于，所述像增强器包括光阴极、微通道板(MCP)、以及荧光屏；其中，光阴极，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；MCP，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏上，产生增强的电子像；荧光屏，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。
3.根据权利要求2所述的恒星陀螺，其特征在于， 所述光阴极为多碱阴极；所述MCP的最大亮度增益为8000倍； 所述荧光屏为P-22荧光屏。
4.根据权利要求3所述的恒星陀螺，其特征在于，所述多碱阴极为S-25+。
5.一种恒星陀螺的实现方法，其特征在于，该方法包括将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，并输出计算结果。
6.根据权利要求根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，为利用视场星点位置之间的联动关系，通过已识别出的星点在前k帧星图中的位置和估算得到的角速度信息，经卡尔曼滤波器预测，估计视场中已识别出的星点在k+Ι帧的位置， 在估计出的位置范围内进行跟踪；并利用虚拟视场对新进入视场的星点进行快速判断和识别。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，为根据单星点在恒星陀螺成像面上扫过的轨迹，精确提取轨迹，得到轨迹点在成像面上的坐标；将轨迹点在成像面上的坐标转换成恒星陀螺坐标系下的坐标；根据轨迹点在恒星陀螺坐标系下的坐标，求出旋转轴；根据旋转轴求出星点轨迹中两个端点之间的角距、两个端点到恒星陀螺坐标系的球心的角距，根据球面三角形公式，计算角速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据单星点在恒星陀螺成像面上扫过的轨迹，精确提取轨迹，为采用自适应窗口进行星点轨迹分割；对分割后存在断裂的轨迹，利用形态学主动生长的方法进行断线修补； 之后在提取出的轨迹端点附近的固定区域内进行连通性判断，滤出孤立的噪点，并采用一阶距进行端点质心的亚像素定位处理。
全文摘要
本发明公开了一种恒星陀螺及其实现方法，包括将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，使得系统具有陀螺的功能。
文档编号G01C19/00GK102252664SQ201110097218
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者张广军, 樊巧云, 江洁, 申娟, 金雁, 魏新国 申请人:北京航空航天大学