专利名称：：一种星敏感器高动态下的星跟踪方法
技术领域：
：木发明涉及一种测量技术，具体涉及一种探测飞行器大角速度机动时只采用星敏感器来测量姿态技术。(二)
背景技术：
：星敏感器是一种高精度的飞行器姿态敏感测量仪器，它通过探测天球上不同位置的恒星来确定飞行器姿态，提供航天飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态。目前很多学者提出各种全天球星图识别算法或者改进各种全大球星图识别算法来提高星敏感器数据更新率。这些算法虽然从某种程度上提高了姿态更新率，但是由于全天球星图识别前，必须从整幅星图中提取星像坐标，而提取星像坐标占了整个全天球星图识别模式的绝大部分时间。随着像平面的面阵增大，每次提取星像坐标过程的时间增加。然而宽视场、大面阵的像平面是新一代星敏感器的发展趋势。所以完全从全天球星图识别算法考虑来提高星敏感器的姿态更新率必然受到限制。同时，由于全天球识别没有先验姿态信息，必须将观测星与整个导航星表进行对应匹配。所以星敏感器纯粹工作在全天球识别模式也增加了误识别的可能，降低了数据的可靠性。为了进一步提高星敏感器数据更新率，在有足够先验信息时，星敏感器工作在星跟踪模式下。然而传统的星跟踪算法提取当前帧恒星星像坐标时，扫描星图中以上一帧实际星像坐标为屮心的星图局部范围内(如图1)。当飞行器大角速度机动时，为了使星敏感器尽量能工作在传统星跟踪模式下，一般尽可能地选取较大的扫描星图区域。如果增大扫描星图区域，那么在提取星像坐标过程中增加了扫描星图像元的数量，从而降低了数据更新率；同时由于增大了扫描星图区域，增加了区域内包含其它星像部分像元或全部像元的可能，因此要进行多次釆用星对角距比较来选取正确的星像坐标，所以在选取正确的星像坐标时增加了误匹配的可能。这样增加了处理器的计算量，从而降低了数据更新率。冈此星敏感器大角速度机动时，研究具有传统优点(高实时性、高精度以及高可靠性等)的星跟踪算法，是虽敏感器研制中的待解决问题。(三)
发明内容木发明的目的在于提供一种高实时性、高精度以及高可靠性的星敏感器高动态下的星跟踪方法。本发明的目的是这样实现的首先根据星敏感器上一帧预测的理想呈像坐标信息来从当前帧星图中提取相应星像坐标，然后根据提取的星像坐标计算当前帧姿态，利用当前帧姿态结果和上一帧姿态结果来预测下一帧姿态信息，最后根据预测的姿态信息来预测当前帧视场内所有己知恒星在下一帧星图中相应的理想星像坐标，保存这些预测的理想星像坐标和相应星像的天球坐标，作为星敏感器下一帧星图提取星像坐标的已知信息。本发明还有这样一些技术特征-1、所述的星敏感器系统由探头部分、数据处理器部分组成，其中探头部分包括遮光罩、光学镜头、图像传感器、支持电路以及与数据处理器的接口，光学镜头设置在遮光罩内，图像传感器连接光学镜头，支持电路连接图像传感器，数据处理器的接口分别连接图像传感器和数据处理器；数据处理器包括计算机、存储器和连接探头部分的对外接口，天球中的光信号首先经过遮光罩，遮光罩消除这些光信号的杂光后通过光学镜头，成像在星敏感器的图像传感器中，图像传感器在支持电路驱动的正常驱动下，把光信号转换为电信号，形成一幅正确的星图，通过与数据处理器的接口把该星图保存在数据处理器部分的存储器中，计算机从存储器中读取星图信息，并对该星图进行处理，包括提取星像坐标、星图识别、姿态计算过程，最后把计算的姿态结果等信息通过对外接口发送给飞行器导航计算机；2、所述的星跟踪方法为恒星通过星敏感器光学镜头，成像在星敏感器像平面上，成像电路把像平面中恒星的电信号转化为一幅完整的星图，并保存在存储器中；星像提取软件读取存储器中的星图数据，从当前帧星图中提取星像坐标的方法是以上一帧星像坐标为中心的小范围星图中提取相应星像坐标；由于先验信息中包含了这些已知恒星星像在天球坐标信息，所以不必对这些恒星星像进行识别；姿态计算软件采用相应的姿态计算算法，利用星跟踪提取星像坐标和先验信息中星像天球坐标信息，计算当前星敏感器姿态信息，并通过对外接口，发送给飞行器导航计算机；3、所述的星像坐标识别方法为高动态星跟踪模式。本发明首先根据星敏感器的上一帧预测的理想星像坐标信息来从当前帧星图中提取相应星像坐标，然后利用当前帧提取的星像坐标以及这些星像对应的天球坐标来计算星敏感器当前帧的姿态信息。采用当前帧星敏感器姿态信息和上一帧星敏感器姿态信息来预测星敏感器下一帧的姿态信息。采用该预测的星敏感器姿态信息和当前帧所有已知恒星在天球坐标系下的坐标来预测当前帧所有巳知恒星在星敏感器下一帧星图中的理想坐标。把计算出星敏感器当前帧的姿态结果等其它信息发送给飞行器导航计算机。同时保存这些预测的理想星像坐标和相应星像的天球坐标，作为星敏感器下一帧星图提取星像坐标的已知信息。本发明提出的高动态星跟踪方法是恒星通过光学镜头成像在星敏感器像平面上，通过相应电路把电信号转化为一幅完整的星图，该星图就是星敏感器当前帧的星图。从当前帧的星图中提取已知恒星星像坐标方法为以上一帧预测的理想星像坐标&(/=1,2,..."，其中"为视场内己知恒星的数量，下同)为中心，以7为半径圆的范围内提取相应恒星在星敏感器当前帧星图中的星像坐标&'(i=l,2，...")。由于这些星像在上一帧已经是已知恒星，因此在当前帧中这些星像对应的天球坐标是已知的，因此不必对这些星像进行重新识别。所以根据当甜帧提取的星像坐标以及这些星像对应的天球坐标来计算星敏感器当前帧(即当前时刻)的姿态信息。根据当前帧星敏感器姿态信息和上一帧星敏感器姿态信息，利用大角速度机动时星敏感器姿态的预测模型来预测星敏感器下一帧的姿态信息。根据该预测的星敏感器姿态信息和当前帧所有已知恒星在天球坐标系下的坐标，利用大角速度机动时星像中心的预测模型来预测当前帧所有已知恒星在星敏感器下一帧星图中的理想坐标。通过对外接口，把计算出星敏感器当前帧(即当前时刻)的姿态结果等其它信息发送给飞行器导航计算机。同时保存这些预测的理想星像坐标和相应星像的天球坐标，作为星敏感器下一帧星图提取星像坐标的已知信息。本发明主要解决以下两个问题*推导大角速度机动时星敏感器姿态的预测模型因飞行器应用任务的需求，须控制飞行器在短时间内进行大范围的快速姿态机动调整，即短时间内从现在姿态转向另一个预定的目标姿态。由于采用四元素来描述姿态运动学方程不含三角函数，且无奇点问题。因此，在大角速度机动过程中，采用姿态四元素最为合适。在大角速度机动过程中，传统的M丁器姿态测量方法是应用速率陀螺测量M丁器绕各轴的转速，然后通过动力学方程求解飞行器的姿态参数。然而山于陀螺的姿态测量系统具有慢速漂移，所以求解的姿态参数必然存在一定的误差，往往不能满足3前飞行器高精度姿态控制的需求。本发明提出一种只采用星敏感器自主姿态方法，根据预测的姿态来计算星敏感器实际输出姿态。以满足飞行器在大角速度机动时的高精度采用无陀螺的控制要求。*推导大角速度机动时星像中心的预测模型传统的星跟踪算法只充分利用上一帧星敏感器数据来获取当前帧的星像信息。当飞行器处于大角速度机动时，由于同一恒星在相邻连续帧的星图中大范围地移动。这样在获取当前帧的星像坐标时必须尽可能地扫描星图较大的区域，从而降低了星敏感器数据更新率；同时山于选取区域的增大，增大了区域内包含其它星像部分像元或全部像兀的nj能，因此在选取正确的星像坐标时增加了误匹配的可能。采用本发明方法提出的星跟踪算法在提取星像坐标前，根据上一帧预测的理想星像中心，以这些理想星像中心为参考来提取实际的星像位置。并利用预测的姿态信息来预测视场内已知恒星在下一帧的理想星像坐标，这些坐标作为星敏感器提取下一帧星图星像坐标的已知信息。以满足飞行器大角速度机动时只采用星敏感器来导航的实时性和可靠性。本发明的特点和优点在于第一根据星敏感器前几帧输出姿态，自主预测下一帧的理想姿态。第二提取星像过程中只须搜索星图的部分区域，从而避免了在大部分呈图背景判断是否存在星像。第三根据已知信息来验证未知信息，从而提高了所获取未知恒星信息的可靠性。(四)图l为相邻两时刻星图2为大角速度机动时星跟踪算法工作流程图；图3为球面坐标和理想星像坐标的关系示意图；图4为球面三角形的关系示意图；图5为坐标转换示意图6为星敏感器工作在传统星跟踪模式下原理框图；图7为星敏感器工作在髙动态星跟踪模式下原理框图；图8为高动态星跟踪模式原理框图。(五)具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明本实施例中星敏感器系统由探头部分、数据处理器部分组成。其中探头部分包括遮光罩、光学镜头、图像传感器、支持电路以及与数据处理器的接UJ等；数据处理器包括计算机、存储器和对外接口等。结合图6和图7，星敏感器工作原理是恒星通过星敏感器光学镜头，成像在星敏感器像平面上(比如CCD或者APS)，成像电路把像平面中恒星的电信号转化为一幅完整的星图，并保存在存储器中；星像提取软件读取存储器中的星图数据，并从星图中提取星像坐标；星图识别软件采用全天球识别算法根据保存在星敏感器中的星表信息，对这些星像坐标进行识别(如果星敏感器有先验信息，星图识别软件采用传统星跟踪算法；本发明方案采用高动态星跟踪模式，这也足本发明要保护的内容，见图7);姿态计算软件采用相应的姿态计算算法和识别结果，计算当前星敏感器姿态信息，并通过对外接口，发送给飞行器导航计算机。结合图8，本实施例提出的髙动态星跟踪方法是根据星敏感器上一帧预测的理想星像坐标信息来从当前帧星图屮提取相应星像坐标，然后根据提取的星像坐标计算当前帧姿态，利用当前帧姿态结果和上一帧姿态结果来预测下一帧姿态信息，最后根据预测的姿态信息来预测当甜帧视场内所有已知恒星在下一帧星图中相应的理想星像坐标。保存这些预测的理想星像坐标和相应星像的天球坐标，作为星敏感器下一帧星图提取星像坐标的己知信息。本发明针对星敏感器大角速度机动时的星跟踪方法进行研究。大角速度机动下星跟踪方法工作流程如图2(该方法的详细流程如图7)所示。主要研究内容如下(1)大角速度机动时星敏感器姿态的自主预测令初始时刻n的姿态四元素为《，下一时刻:n+zir的姿态四元素为g"。按代数四元素的乘法顺序和乘法规则，计算出这两时刻之间的姿态机动四元素《'。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(1)从控制回路角度，《'还可称作现在姿态相对目标姿态的四元素偏差。再根据四元素g"和姿态机动四元数《'以及代数四元素的乘法顺序和乘法规则，那么:n+2jr的姿态四元素《'"。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>根据预测姿态结果可计算K+2jr时刻星敏感器的光轴指向以及星敏感器的滚动<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(4)其中力e，Se[0,2;r)。同理，根据式(i)和式(2)的结果以及r,+zir时刻和n+2^r时刻的姿态信息，可以预测r计3zjr时刻的姿态信息。依次反复。(2)星敏感器视场内恒星星像坐标的预测星像坐标的预测就是建立起恒星在星图中理想坐标(x，_y)和天球坐标即恒星在天球坐标系中的赤经和赤讳)的数学模型。根据星敏感器光学透镜成像原理，可以作如图所示天球中恒星及其在星敏感器星图中的星像儿何关系。在图3中，01和02代表相机物镜的外主点和内主点，从02作底片的垂线交底片于O点，这点称为底片的光心(即星敏感器光轴指向)。在理想的情况下，o点应该位于光轴上，并且和底片的几何中心大致重合。通过01引020的平行线交天球于0'，O点就是O'点在星图上的投影像；天球上某恒星V在星图上的投影是通过01平行于op'的直线和星图的交点A通过o'点的赤经圈o'户在星图上的投影是通过o点的直线O'尸i。在星图上以光心o为原点建立一个直角坐标系(即星图像平面坐标系)；以oA为纵轴(_y轴)，取赤纬增加的方向为正；以通过O点和y轴垂直的直线作横轴(X轴)，取赤经增加的方向为正；这样构成的坐标系为理想星像坐标系。对于一幅星图，理想星像坐标系是唯一的。因此恒星在此坐标系中的坐标——理想星像坐标(x,j;)——和天球坐标(a》)是一一对应的。在图3中，由于三角形o^o的Zo20^90。，所以<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(5)为:其中/为焦距，ff为oi怖角距，(j=AV/=Z002"s的理想星像星像质心坐标(xj)x=aysino>=/,gcrsin_y=(cosa=yga"coscyj令戶l，即用弧度表示理想坐标，公式(6)可表示为:x=sinw1少=cos6>J根据天球坐标的关系，可得如图4所述。根据球面正弦公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>可得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(7)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(8)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(9)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>sina"sin(90—。所以sincrsinw=cos5sin(a—/I)(10)根据球面五元素公式sin"cosC二cosesin—sinccos6cosJ(11)可得sincrcosw=cos(卯-。sin(90-L)-sin(90-5)cos(90—cos(a-J)(12)即sincrcosw=sin<5cosD_cos5sinDcos("-力根据球面余弦公式cosa=cos6cosc+coscosccos^4可得coscr=cos(90—￡)cos(90-c)+sin(90—D)sin(90—。cos(a—J)coscr=sinZ)sin(5+cosDcos<5cos(a_J)(10)式除以(16)得到sin"inw-冊^in("-^cos<tsin￡>sinJ+cosDcos5cos("—々,"、n/八'、i,…/'ax,ismcrcoswsinJcosZ)—cosJsinDcos("—J)(13)式除以(16)f导到-=-^-^coscrsmZ)sin3+cosDcos3cos("—々(13)(14)(15)(16)(17)(18)把(7)代入(17)和(18)，可得从天球坐标系到图像平面坐标系中理想星像质心坐标的公式cos3sin(a—J)x=-^-sin<JsinD+cos5cosZ)cos(a-力(l力—sin5cos￡)—cossincos(a—J)sin<5sin￡)+cos5cos￡)cos(a_爿)其中(AD)是理想坐标系中心(即光轴指向)在天球坐标系的指向。如果图像平面坐标系与天球坐标系不可能完全平行，根据星敏感器的滚动角仏那么从天球坐标系到图像平面坐标系中理想星像质心坐标的公式(如图5):<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2视场内已知恒星的预测坐标(单位像素)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3提取星像坐标时扫描像元数量方法扫描像元数量(个)传统星跟踪方法264600本方法2400如表结果所示(此时飞行器三轴角速度分别为0.968897880004517s;-1.18013685992077s;1.60702389939987s)，同一恒星在时刻和7^+2zir时刻的星像坐标距离有100个像素。因此为了要正确提取恒星星像坐标，必须选取扫描星图区域的半径i至少为105。而本发明方法采用先预测恒星的星像坐标，再在预测的星像坐标为中心的范围内提取相应的实际星像坐标。因此在提取实际的星像坐标时，只需扫描星图中较小的区域(如表2所示，r,+2jr时刻预测星像坐标与:n+2z(r时刻实际星像坐标距离只有5个像素，提取正确的星像坐标时，选取扫描星图区域的半径i小于10就可以)。从表3可以看出，采用本方法只需扫描2400个像元就能正确提取星像坐标，而传统方法需要扫描26400个像元(即本方法为400x"个像元，而传统方法为4400xM个像元。其中"为视场内已知恒星的数量)。所以本发明方法既继承了传统星跟踪算法的优点，又克服了传统星跟踪算法的缺点。权利要求1、一种星敏感器高动态下的星跟踪方法，其特征在于它包括以下步骤首先根据星敏感器上一帧预测的理想星像坐标信息来从当前帧星图中提取相应星像坐标，然后根据提取的星像坐标计算当前帧姿态，利用当前帧姿态结果和上一帧姿态结果来预测下一帧姿态信息，最后根据预测的姿态信息来预测当前帧视场内所有已知恒星在下一帧星图中相应的理想星像坐标，保存这些预测的理想星像坐标和相应星像的天球坐标，作为星敏感器下一帧星图提取星像坐标的已知信息。2、根据权利要求1所述的一种星敏感器高动态下的星跟踪方法，其特征在于所述的星敏感器系统由探头部分、数据处理器部分组成，其中探头部分包括遮光罩、光学镜头、图像传感器、支持电路以及与数据处理器的接口，光学镜头设置在遮光罩内，图像传感器连接光学镜头，支持电路连接图像传感器，数据处理器的接口分别连接图像传感器和数据处理器；数据处理器包括计算机、存储器和连接探头部分的对外接UI，天球中的光信号首先经过遮光罩，遮光罩消除这些光信号的杂光后通过光学镜头，成像在星敏感器的图像传感器屮，图像传感器在支持电路驱动的正常驱动下，把光信号转换为电信号，形成一幅正确的星图，通过与数据处理器的接口把该星图保存在数据处理器部分的存储器中，计算机从存储器中读取星图信息，并对该星图进行处理，包括提取星像坐标、星图识别、姿态讣算过程，最后把计算的姿态结果等信息通过对外接口发送给飞行器导航计算机。3、根据权利要求2所述的一种星敏感器高动态下的星跟踪方法，其特征在于所述的星跟踪方法为恒星通过星敏感器光学镜头，成像在星敏感器像平面上，成像电路把像平面中恒星的电信号转化为一幅完整的星图，并保存在存储器中；星像提取软件读取存储器中的星图数据，并根据先验信息从星图适当区域屮正确提取星像坐标，从当前帧星图中提取星像坐标的方法是以上一帧星像坐标为中心的小范围星图中提取相应星像坐标；由于先验信息中包含了这些己知恒星星像在天球坐标信息，所以不必对这些恒星星像进行识别；姿态计算软件采用相应的姿态计算算法，利用星跟踪提取星像坐标和先验信息中星像天球坐标信息，计算当前星敏感器姿态信息，并通过对外接口，发送给飞行器导航计算机。4、根据权利要求3所述的一种星敏感器高动态下的星跟踪方法，其特征在于所述的星像坐标识别方法为高动态星跟踪模式，高动态星跟踪方法足恒星通过光学镜头成像在星敏感器像平面上，通过相应电路把电信号转化为一幅完整的星图，该星图就是星敏感器当前帧的星图，从当甜帧的星图中提取已知恒星星像坐标方法为以上一帧预测的理想星像坐标&(/=1,2，..."，其中"为视场内已知恒星的数量，下同)为中心，以i为半径圆的范围内提取相应恒星在星敏感器当前帧星图中的星像坐标&'，2,...;力，由于这些星像在上一帧已经是已知恒星，因此在当前帧中这些星像对应的天球坐标是已知的，因此不必对这些星像进行重新识别，根据当前帧提取的星像坐标以及这些星像对应的天球坐标来计算星敏感器当前帧，即当前时刻的姿态信息，根据当前帧星敏感器姿态信息和上一帧星敏感器姿态信息，利用大角速度机动时星敏感器姿态的预测模型来预测星敏感器下一帧的姿态信息，根据该预测的星敏感器姿态信息和当前帧所有已知恒星在天球坐标系下的坐标，利用大角速度机动时星像中心的预测模型来预测当前帧所有已知恒星在星敏感器下一帧星图中的理想坐标，通过对外接口，把计算出星敏感器当前帧，即当前时刻的姿态结果等其它信息发送给飞行器导航计算机，同时保存这些预测的理想星像坐标和相应星像的天球坐标，作为星敏感器下一帧星图提取星像坐标的已知信息。全文摘要本发明提供了一种星敏感器高动态下的星跟踪方法。首先根据星敏感器的上一帧预测的理想星像坐标信息来从当前帧星图中提取相应星像坐标，然后利用当前帧提取的星像坐标以及这些星像对应的天球坐标来计算星敏感器当前帧的姿态信息。本发明提出一种只采用星敏感器自主姿态方法，根据预测的姿态来计算星敏感器实际输出姿态。以满足飞行器在大角速度机动时的高精度采用无陀螺的控制要求。采用本发明方法提出的星跟踪算法在提取星像坐标前，根据上一帧预测的理想星像中心，以这些理想星像中心为参考来提取实际的星像位置。并预测视场内已知恒星在下一帧的理想星像坐标作为下一帧星图提取星像坐标的依据。以满足飞行器大角速度机动时只采用星敏感器来导航的实时性和可靠性。文档编号B64G1/36GK101435704SQ20081020962公开日2009年5月20日申请日期2008年12月4日优先权日2008年12月4日发明者睿刘,刘国梁,李葆华,王常虹申请人:哈尔滨工业大学