一种双视场星敏感器姿态融合测量装置及方法与流程

本发明属于姿态融合测量领域。具体涉及一种双视场星敏感器姿态融合测量装置及方法。

背景技术：

目前的星敏感器普遍采用单探测视场进行姿态测量。下面对单一视场星光姿态测量在实际应用中存在的问题进行说明。

星敏感器利用恒星矢量的确定性进行自主定姿。受视觉测量原理的限制，视轴方向角分辨率远大于其它两个正交轴向，姿态解算结果中绕视轴方向的姿态角不确定度是垂直视轴两个轴向的6-16倍。因此，单视场星光姿态测量无法实现三轴等精度姿态输出。

为减小绕视轴方向姿态角的不确定度，一些方案使用提升探测阵列的像元数量的方法提高各个轴向的像元角分辨率。此类测量方法存在以下问题：(1)并不能改变三轴姿态测量不确定度不等的问题；(2)当像元数达到一定数量后，绕视轴方向姿态角的不确定度很难继续提升；(3)测量不确定度指标的提升是以动态性能下降为代价的。

除测量不确定度外，单一视场星光姿态测量的可靠性较差。当视场受到干扰或者出现故障时，将完全丧失姿态测量的能力。

综上所述，研究一种能实现三轴等不确定度姿态测量且具有较高可靠性的星光测量装置和方法具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于：克服单一视场星光姿态测量方法存在的三轴姿态不等精度、可靠性差的缺陷，提出一种双视场星光姿态测量装置和方法，以实现三轴等精度姿态测量，并提高测量的可靠性。

本发明的技术方案如下：一种双视场星敏感器姿态融合测量装置，包括主视场与从视场；

其中主视场探测系统包括主视场遮光罩、主视场镜头、主视场cmos探测器、主视场逻辑驱动模块、主视场算法处理模块、主视场曝光控制、主视场图像数据、主机hpi通信总线，主视场遮光罩、主视场镜头和主视场cmos探测器共同构成主视场探测头部，主视场cmos探测器连接主视场逻辑驱动电路，主视场逻辑驱动电路连接主视场算法处理电路，主视场探测头部受到主视场逻辑驱动电路产生的主视场曝光控制信号的驱动生主视场图像数据；主视场图像数据经过高速串行数据总线传至主视场逻辑驱动电路；主视场图像数据经过主视场逻辑驱动电路的预处理后，提取出主视场星图信息，并通过hpi数据总线传输至主视场算法处理电路；经过主视场算法处理电路的处理后，最终得到的融合姿态信息和主视场信息通过hpi数据总线传回给主视场逻辑驱动电路；

从视场测量装置与主视场一致；从视场探测系统包括从视场遮光罩、从视场镜头、从视场cmos探测器、从视场逻辑驱动模块、从视场算法处理模块、从视场曝光控制、从视场图像数据、从机hpi通信总线，从视场遮光罩、从视场镜头和从视场cmos探测器共同构成从视场探测头部，从视场cmos探测器连接从视场逻辑驱动电路，从视场逻辑驱动电路连接从视场算法处理电路，从视场探测头部受到从视场逻辑驱动电路产生的从视场曝光控制信号的驱动生从视场图像数据；从视场图像数据经过高速串行数据总线传至从视场逻辑驱动电路；从视场图像数据经过从视场逻辑驱动电路的预处理后，提取出从视场星图信息，并通过hpi数据总线传输至从视场算法处理电路；经过从视场算法处理电路的处理后，最终得到的融合姿态信息和从视场信息通过hpi数据总线传回给从视场逻辑驱动电路。

所述主视场逻辑驱动电路还连接整机通信接口。

主视场与从视场共同安装在整机壳体上，主视场测量装置镜头的光轴和从视场测量装置镜头的光轴均与整机水平地面呈45°夹角，两者观测方位角相差180°。

所述从视场逻辑驱动电路向主视场逻辑驱动电路提供从机曝光就绪标志信号，主视场逻辑驱动电路向从视场逻辑驱动电路提供曝光同步信号；为实现双视场融合姿态测量，主视场算法处理电路和从视场算法处理电路之间通过串口总线连接。

一种双视场星敏感器姿态融合测量方法，包括以下步骤：

s1：整个装置上电后，主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块均进入待机状态；在接收到参数设置指令后进行曝光时长、图像增益、四连通域区域分割灰度阈值参数的设置，设置完成后回到主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块待机状态下；

s2：主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块在接收到星敏状态切换指令后，主视场和从视场逻辑驱动模块均进入星敏感器状态；星敏感器状态即为整个装置的工作状态；

s3：同步曝光；从视场逻辑驱动模块曝光就绪后，主视场逻辑驱动模块接到该标志信号后启动曝光，并以脉冲形式向从视场逻辑驱动模块发送曝光同步信号；从视场逻辑驱动模块在接到该信号后，遂启动曝光；

s4：星点信息传输；主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块曝光后，得到的星图图像经过处理，提取出图像中各星点光斑区域；各点斑的位置描述数据和灰度数据构成了星图信息；主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块将星图信息通过主机hpi通信总线与从机hpi通信总线分别传至主视场算法处理模块与从视场算法处理模块；

s5：姿态信息回传；经过主视场算法处理模块解算得到的融合姿态由hpi数据总线回传给主视场逻辑驱动模块；主视场逻辑驱动模块在接到融合姿态信息后，将融合姿态信息作为测量结果通过整机通信接口传出；

还包括s6：主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块完成应答缓存更新后，主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块均跳转至s3开始继续执行。

还包括s7：若需要再次进行主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块的参数设置，则主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块可通过待机状态切换指令跳转至s1开始执行。

所述s4中，主视场逻辑驱动模块和从视场逻辑驱动模块曝光后，得到的星图图像经过四连通域区域分割算法处理。

所述s5中，主视场算法处理模块解算得到的融合姿的方法具体包括：

s5.1：星点定位；星点定位包括质心定位和观测矢量求解两步；第1步：由hpi数据总线与从机hpi通信总线传来的星图信息中，包含有各颗星点光斑的位置信息和灰度信息；质心定位通过灰度重心法求得各星点的亚像素级位置；第2步：将星点亚像素位置代入无穷远相机成像模型中，求得观测矢量；若主视场逻辑驱动模块或从视场逻辑驱动模块传入图像信息的数据量大于上限阈值则认定该视场被杂光干扰，则终止；若逻辑驱动模块传入图像信息数据小于下限值则认定该视场缺少足够星点信息，亦终止；

s5.2：星图识别；根据主视场算法处理模块与从视场算法处理模块各自星点定位得到的观测矢量，结合高精度天文星表，进行星图识别；若识别成功，则得到两个视场中各颗星点在天球坐标系下对应的参考矢量；若识别失败，则跳过后续环节直接生成主视场信息或从视场信息；

s5.3：姿态解算及跟踪预测；主视场算法处理模块将s5.1第2步中所得的观测矢量与s5.2中所得的天球坐标系下对应的参考矢量联立，使用多矢量定姿的quest算法求得主视场姿态信息；若主视场算法处理模块根据最近2帧星图均成功求得了主视场姿态信息，则可对于下1帧星图中可能出现的星点进行跟踪预测，减少星图识别搜索的范围；从视场算法处理模块的姿态解算及跟踪预测方法与主视场一致；

s5.4：主视场算法处理模块等待从视场算法处理模块传来从视场观测矢量和参考矢量信息；若等待时间超时，则终止；

s5.5：融合姿态解算；记主视场内观测星数为n1，从视场内观测星数为n2，主视场各星的观测矢量为w1i,对应的参考矢量为v1i，从视场各星在从视场相机测量坐标系下的观测矢量为w2j,对应的参考矢量为v2j，从视场相机测量坐标系至主视场相机测量坐标系的转换矩阵为r；则从视场各星在主视场相机测量坐标系下的观测矢量w'2j为：

w′2j＝r·w2j(1)

将主视场观测星的观测矢量w1i和参考矢量v1i和从视场观测星的观测矢量w'2j和参考矢量v2j送入带权重的quest算法中进行解算，从而得到融合姿态。主视场观测星的权重k1,从视场观测星的权重k2分别为：

k1＝1/2n1(2)

k2＝1/2n2(3)

主视场算法处理模块将解算得到的融合姿态和主视场信息通过hpi数据总线一并回传至主视场逻辑驱动模块。

所述s5.2中，星图识别采用角距三角形匹配算法。。

本发明的显著效果在于：补充内容：相比传统星光姿态测量方法解算三轴姿态中固有一个测量精度较差的轴向，本方法可实现三轴高精度姿态测量。此外，本装置使用两个探测视场，在一个视场受到干扰时，仍能输出姿态测量信息，可靠性较高。

附图说明

图1为本发明所述双视场星敏感器姿态融合测量装置示意图；

图中：1主视场遮光罩、2从视场遮光罩、3主视场镜头、4从视场镜头、5主视场cmos探测器、6从视场cmos探测器、7主视场逻辑驱动模块、8从视场逻辑驱动模块、9主视场算法处理模块、10从视场算法处理模块、11主视场曝光控制、12从视场曝光控制、13主视场图像数据、14从视场图像数据、15曝光同步信号、16从机曝光就绪标志信号、17主机hpi通信总线、18从机hpi通信总线、19串口数据总线、20整机壳体、21整机通信接口

具体实施方式

如图1所示，双视场星光姿态融合测量装置，包括主视场与从视场；

其中主视场探测系统包括主视场遮光罩1、主视场镜头3、主视场cmos探测器5、主视场逻辑驱动模块7、主视场算法处理模块9、主视场曝光控制11、主视场图像数据13、主机hpi通信总线17，主视场遮光罩1、主视场镜头3和主视场cmos探测器5共同构成主视场探测头部，主视场cmos探测器5连接主视场逻辑驱动电路7，主视场逻辑驱动电路7连接主视场算法处理电路9，主视场探测头部受到主视场逻辑驱动电路7产生的主视场曝光控制信号11的驱动生主视场图像数据13。主视场图像数据13经过高速串行数据总线传至主视场逻辑驱动电路7。主视场图像数据13经过主视场逻辑驱动电路7的预处理后，提取出主视场星图信息，并通过hpi数据总线17传输至主视场算法处理电路9。经过主视场算法处理电路9的处理后，最终得到的融合姿态信息和主视场信息通过hpi数据总线17传回给主视场逻辑驱动电路7。主视场逻辑驱动电路7还连接整机通信接口21。

从视场测量装置与主视场一致。从视场探测系统包括从视场遮光罩2、从视场镜头4、从视场cmos探测器6、从视场逻辑驱动模块8、从视场算法处理模块10、从视场曝光控制12、从视场图像数据14、从机hpi通信总线18，从视场遮光罩2、从视场镜头4和从视场cmos探测器6共同构成从视场探测头部，从视场cmos探测器6连接从视场逻辑驱动电路8，从视场逻辑驱动电路8连接从视场算法处理电路10，从视场探测头部受到从视场逻辑驱动电路8产生的从视场曝光控制信号12的驱动生从视场图像数据14。从视场图像数据14经过高速串行数据总线传至从视场逻辑驱动电路8。从视场图像数据14经过从视场逻辑驱动电路8的预处理后，提取出从视场星图信息，并通过hpi数据总线18传输至从视场算法处理电路10。经过从视场算法处理电路10的处理后，最终得到的融合姿态信息和从视场信息通过hpi数据总线18传回给从视场逻辑驱动电路8。

此外，为实现双视场的同步曝光，从视场逻辑驱动电路8向主视场逻辑驱动电路7提供从机曝光就绪标志信号16，主视场逻辑驱动电路7向从视场逻辑驱动电路8提供曝光同步信号15。为实现双视场融合姿态测量，主视场算法处理电路9和从视场算法处理电路10之间通过串口总线19连接。

主视场探测系统与从视场探系统共同安装在整机壳体20上，主视场测量装置镜头的光轴和从视场测量装置镜头的光轴均与整机水平地面呈45°夹角，两者观测方位角相差180°。

一种双视场星敏感器姿态融合测量装置及方法，包括以下步骤：

s1：整个装置上电后，主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8均进入待机状态。在接收到参数设置指令后进行曝光时长、图像增益、四连通域区域分割灰度阈值参数的设置，设置完成后回到主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8待机状态下。

s2：主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8在接收到星敏状态切换指令后，主视场和从视场逻辑驱动模块均进入星敏感器状态。星敏感器状态即为整个装置的工作状态。

s3：同步曝光。从视场逻辑驱动模块8曝光就绪后，主视场逻辑驱动模块7接到该标志信号后启动曝光，并以脉冲形式向从视场逻辑驱动模块8发送曝光同步信号。从视场逻辑驱动模块8在接到该信号后，遂启动曝光。

s4：星点信息传输。主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8曝光后，得到的星图图像经过四连通域区域分割算法处理，提取出图像中各星点光斑区域。各点斑的位置描述数据和灰度数据构成了星图信息。主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8将星图信息通过主机hpi通信总线17与从机hpi通信总线18分别传至主视场算法处理模块9与从视场算法处理模块10。

s5：姿态信息回传。经过主视场算法处理模块9解算得到的融合姿态由hpi数据总线17回传给主视场逻辑驱动模块7。主视场逻辑驱动模块7在接到融合姿态信息后，将融合姿态信息作为测量结果通过整机通信接口21传出。

s6：主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8完成应答缓存更新后，主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8均跳转至自第(3)步开始继续执行。

s7：若需要再次进行主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8的参数设置，则主视场逻辑驱动模块7和从视场逻辑驱动模块8可通过待机状态切换指令跳转至第(1)步开始执行。

s5中，主视场算法处理模块9解算得到的融合姿的方法具体包括：

s5.1：星点定位。星点定位包括质心定位和观测矢量求解两步。第1步：由hpi数据总线17与从机hpi通信总线18传来的星图信息中，包含有各颗星点光斑的位置信息和灰度信息。质心定位通过灰度重心法求得各星点的亚像素级位置。第2步：将星点亚像素位置代入无穷远相机成像模型中，求得观测矢量。例外地，若主视场逻辑驱动模块7或从视场逻辑驱动模块8传入图像信息的数据量大于上限阈值则认定该视场被杂光干扰，则终止；若逻辑驱动模块传入图像信息数据小于下限值则认定该视场缺少足够星点信息，亦终止。

s5.2：星图识别。根据主视场算法处理模块9与从视场算法处理模块10各自星点定位得到的观测矢量，结合高精度天文星表，分别进行星图识别。星图识别采用角距三角形匹配算法，若识别成功，则得到两个视场中各颗星点在天球坐标系下对应的参考矢量；若识别失败，则跳过后续环节直接生成主视场信息或从视场信息

s5.3：姿态解算及跟踪预测。主视场算法处理模块9将(1)中所得的观测矢量与(2)中所得的天球坐标系下对应的参考矢量联立，使用多矢量定姿的quest算法求得主视场姿态信息。若主视场算法处理模块9根据最近2帧星图均成功求得了主视场姿态信息，则可对于下1帧星图中可能出现的星点进行跟踪预测，减少星图识别搜索的范围。从视场算法处理模块10的姿态解算及跟踪预测方法与主视场一致。

s5.4：主视场算法处理模块9等待从视场算法处理模块10传来从视场观测矢量和参考矢量信息。若等待时间超时，则终止。

s5.5：融合姿态解算。记主视场内观测星数为n1，从视场内观测星数为n2，主视场各星的观测矢量为w1i,对应的参考矢量为v1i，从视场各星在从视场相机测量坐标系下的观测矢量为w2j,对应的参考矢量为v2j，从视场相机测量坐标系至主视场相机测量坐标系的转换矩阵为r。则从视场各星在主视场相机测量坐标系下的观测矢量w'2j为：

w′2j＝r·w2j(1)

将主视场观测星的观测矢量w1i和参考矢量v1i和从视场观测星的观测矢量w'2j和参考矢量v2j送入带权重的quest算法中进行解算，从而得到融合姿态。主视场观测星的权重k1,从视场观测星的权重k2分别为：

k1＝1/2n1(2)

k2＝1/2n2(3)

主视场算法处理模块9将解算得到的融合姿态和主视场信息通过hpi数据总线17一并回传至主视场逻辑驱动模块7。