专利名称：利用并行流水线机制提高星敏感器数据更新率的方法
技术领域：
本发明涉及空间技术，具体说就是一种利用并行流水线机制提高星敏感器数据更 新率的方法。
背景技术：
星敏感器是一种高精度的姿态敏感测量仪器，它通过探测天球上不同位置的恒星 来确定卫星姿态，提供飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态。其工作原理为光学系统将恒 星成像于图像敏感器CCD(或APQ的光敏面上，由CCD(或APQ实现光电转换，输出模拟信 号经过A/D转换后把星图保存到存储器中，数据处理单元从存储器中读取星图，经星像提 取，星图识别以及姿态计算，取定确定星敏感器本体在地心惯性坐标系下的三轴姿态，并通 过总线(比如RS422或者1553B)传送到导航计算机中。因此，根据星敏感器的工作原理可 知，星敏感器处理一帧图像的时间包括积分时间1\、图像存储时间 ；、星像提取时间与星图 识别时间和姿态计算时间Tp、姿态数据通信输出时间Τ。等几个部分。当前的星敏感器都是 采用串行模式(如图1和图2、，即首先拍摄一幅星图，其次把拍摄的星图保存到存储器中，再次星敏感器处 理器从存储器中读取星图，从星图中提取相应的星像坐标，根据恒星星表，利用星图识别算 法对这些星像坐标进行识别，并把识别的结果利用姿态计算算法计算星敏感器在惯性空间 下的姿态，最后通过数据接口，把姿态传送给导航计算机。所以星敏感器一帧图像的数据处 理时间T为所有处理时间的总和Τ = Τ,+Τ,+Τρ+Τ,由上式可知，在串行工作模式下，必须缩减上式中所有部分的时间才能缩短星敏 感器总的数据处理时间，提高数据更新率。而积分时间Ti由CCD或APS图像传感器所要求 的灵敏度决定，为了保证视场内成像的恒星数目要求，从光学角度讲可以增加镜头孔径和 焦距，而这两者的增加必然增加了星敏感器的质量，对于航天设备，质量的大小是影响费用 高低的直接因素，所以，目前大部分设计者采用增加积分时间Ti的办法来提高星敏感器的 灵敏度。图像存储时间 ；由像元读出频率和像元总个数决定，随着像平面的面阵增大，图 像存储时间 ；也增加。大视场、大面阵的像平面是新一代星敏感器的发展趋势。随着星敏 感器像平面面阵增加，星像提取时间也增加，随着星敏感器视场的增大，视场内恒星数目也 增加，相应的星图识别时间和姿态计算时间也增加，因此Tp也增加，星敏感器处理一帧图像 的时间也相应地增加，因此，采用串行工作模式，很难进一步提高星敏感器数据更新率。高数据更新率是星敏感器未来发展的趋势。流水线机制是提高数据更新率的一种 较好方法，硬件代价小，系统可实现性好。在实际应用中，合理安排流水线操作方式和深度， 尽可能将流水线中的各部分时间分配均衡，必要时可采用增加流水线深度的方法缩减最长 一级流水线的时间。由于星敏感器软件计算过程包括星像提取、星图匹配识别、姿态计算等 串行环节，因此当星敏感器软件计算时间成为制约数据更新率提高的主要因素时，可以采 取增加流水线深度的方法加以解决。对大多数图像传感器来说，星图存储时间一般都比其 积分时间要小，因此积分时间未来将成为进一步提高星敏感器数据更新率的瓶颈。如何在
3保证灵敏度的前提下降低探测器的积分时间是未来研究中最核心、最困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬件代价小、系统可实现性好、不降低星敏感器数据 精度的利用并行流水线机制提高星敏感器数据更新率的方法。本发明的目的是这样实现的星敏感器采用流水结构工作模式，星敏感器将图像 曝光部分、图像存储部分、星像提取时间、星图识别时间、姿态计算部分、姿态数据通信输出 部分并行处理，星敏感器整机的数据更新时间为流水结构中最慢的一级所占用的时间，即T 为T = max (Ti, Tr+Tp+Tj星敏感器流水结构第一种工作模式的实现方法为在本帧图像的数据处理结束时 刻立即启动下帧图像的曝光，存储本帧图像、从本帧图像中提取星像坐标、对提取的星像进 行识别、计算当前帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计算机过程和下帧图像的曝光同 步进行；由于图像存储和图像数据处理两个过程共用同一个图像存储器，因此必须在下 帧图像光积分结束之前完成对本帧图像数据的处理，实际工程中，由于星图恒星个数变化 和杂光等影响可能会导致各帧图像数据处理时间的不确定，因此在实际实现时需要留出一 定的时间余量，由于硬件条件决定着保存图像时间的长短，受到工程应用的限制，很难选取 比较快速的硬件条件，导致图像存储时间 ；较长，于是采用更高级的流水线模式，即T为T =max(Ti, Tr, TP+TJ ；这就是星敏感器流水结构第二种工作模式，具体实现方法为在本帧 图像的数据处理结束时刻立即启动下帧图像的曝光，并立即存储本帧图像，从上帧图像中 提取星像坐标、对提取的星像进行识别、计算上帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计 算机过程，存储本帧图像过程河下帧图像的曝光同步进行；实际工程中，需要考虑各种因素 导致各帧图像数据处理时间的不确定，因此在实际实现时需要留出一定的时间余量。本发明利用并行流水线机制提高星敏感器数据更新率的方法，具有以下优点提 高了星敏感器的数据更新率，硬件代价小，系统可实现性好；由于系统应用的需要，增加积 分时间、图像存储时间、星像提取时间与星图识别时间和姿态计算时间或者姿态数据通信 输出时间，只要满足一定条件，不会降低星敏感器的数据更新率；虽然提高了星敏感器数据 更新率，但是不会降低星敏感器的数据精度；由于提高了星敏感器数据更新率，因此也进一 步提高了星敏感器的动态性能。
图1为采用串行模式的星敏感器流程图；图2为采用串行模式的星敏感器示意图；图3为采用并行模式1的星敏感器工作流程图；图4为采用并行模式1的星敏感器示意图；图5为采用并行模式2的星敏感器工作流程图；图6为采用并行模式2的星敏感器示意图；图7为星敏感器工作在串行模式下三轴欧拉角误差曲线；图8为星敏感器工作在并行模式1下三轴欧拉角误差曲线；图9为星敏感器工作在并行模式2下三轴欧拉角误差曲线；
图10为星敏感器工作在并行模式下的工作过程图；图11为并行模式流程图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作进一步说明。实施例1 结合图3-图6，本发明一种利用并行流水线机制提高星敏感器数据更 新率的方法，其特征在于星敏感器采用流水结构工作模式，星敏感器将图像曝光部分、图 像存储部分、星像提取时间、星图识别时间、姿态计算部分、姿态数据通信输出部分并行处 理，星敏感器整机的数据更新时间为流水结构中最慢的一级所占用的时间，即T为T = max (Ti, Tr+Tp+Tj星敏感器流水结构第一种工作模式的实现方法为在本帧图像的数据处理结束时 刻立即启动下帧图像的曝光，存储本帧图像、从本帧图像中提取星像坐标、对提取的星像进 行识别、计算当前帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计算机过程和下帧图像的曝光同 步进行；由于图像存储和图像数据处理两个过程共用同一个图像存储器，因此必须在下帧 图像光积分结束之前完成对本帧图像数据的处理，实际工程中，由于星图恒星个数变化和 杂光等影响可能会导致各帧图像数据处理时间的不确定，因此在实际实现时需要留出一定 的时间余量，由于硬件条件决定着保存图像时间的长短，受到工程应用的限制，很难选取比 较快速的硬件条件，导致图像存储时间 ；较长，于是采用更高级的流水线模式，即T为T = maxITi, Tr, TP+TJ ；这就是星敏感器流水结构第二种工作模式，具体实现方法为在本帧图 像的数据处理结束时刻立即启动下帧图像的曝光，并立即存储本帧图像，从上帧图像中提 取星像坐标、对提取的星像进行识别、计算上帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计算 机过程，存储本帧图像过程河下帧图像的曝光同步进行；实际工程中，需要考虑各种因素导 致各帧图像数据处理时间的不确定，因此在实际实现时需要留出一定的时间余量。流水结构的定义如下如果某个设计的处理流程分为若干步骤，并且整个数据处 理是“单流向”的，即没有反馈或者叠代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则 可以采用流水线设计方法提高系统的工作频率。实施例2 结合图7-图9，本发明的主要性能指标第一周期和更新率的测试我们选用某型号卫星星敏感器进行试验。星敏感器时间参数如下积分时间(Ti) 为125毫秒；图像存储时间( ；)为118ms ；星像提取时间与星图识别时间和姿态计算时间 Tp大约为78毫秒，数据通讯波特率为115. 21ApS，星敏感器每周期给导航计算机发送22个 字节的数据，因此姿态数据通信输出时间T。大约为2毫秒。采用串行模式处理一帧图像的 数据处理时间T为所有处理时间的总和(即星敏感器的周期，单位毫秒)T = Ti+Tr+Tp+Tc = 125+118+78+2 = 323采用采用并行模式1处理一帧图像的数据处理时间T为(即星敏感器的周期，单 位毫秒)T = max (Ti, Tr+Tp+Tj = max {125，118+78+2} = 198采用并行模式2处理一帧图像的数据处理时间T为(即星敏感器的周期，单位毫 秒)
T = max (Ti, Tr, Tp+Tj = max {125，118，78+2} = 125详细见表1。表1 各种模式测试结果
工作模式星敏感器周期(单位毫 秒)星敏感器频率(Hz)串行模式3233.09并行模式11985.05并行模式21258星敏感器采用串行模式，由于处理一帧图像的数据时间T为所有处理时间的总 和，因此，星敏感器数据更新周期最长，为323毫秒(见表1)；并行模式1在处理本帧图像 的数据结束时刻立即启动下帧图像的曝光，存储本帧图像、从本帧图像中提取星像坐标、 对提取的星像进行识别、计算当前帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计算机过程和下 帧图像的曝光同步进行，因此，星敏感器的数据更新周期为Ti和i;+Tp+T。的极大值，从表1 可以看出，此模式下的周期为198毫秒(频率为5. 05Hz)，因此提高了数据更新率；而采用 并行模式2在本帧图像的数据处理结束时刻立即启动下帧图像的曝光，并立即存储本帧图 像，从上帧图像中提取星像坐标、对提取的星像进行识别、计算上帧的姿态以及把识别的结 果发送给导航计算机过程，存储本帧图像过程河下帧图像的曝光同步进行，因此星敏感器 的数据更新周期为Τ” ；和Tp+T。的最大值，从表1可以看出，周期仅为125毫秒(频率为 8Hz)，所以进一步提高了数据更新率。第二 精度的测试选用同一个星敏感器进行试验，试验方法星敏感器放在地球表面，初始时随机对 准天球某区域与地球相对静止，并随着地球自转旋转，进行长时间运行。星敏感器分别工作 在串行模式、并行模式1和并行模式2下进行试验，分别输出三轴姿态测量值，把相应测量 值与实际值作差，把这些差值实时保存到上微机，如图7、图8和图9相应离线误差曲线。利用图7的离线数据进行统计，得到星敏感器在串行模式下的三轴欧拉角误差分 别为22· 4516角秒(滚动角)、6· 5649角秒(偏航角)和6. 5620角秒(俯仰角)；利用图 的离线数据进行统，得到星敏感器在并行模式1下的三轴欧拉角误差分别为25. 0245角秒 (滚动角)、7· 0863角秒(偏航角)和6. 7903角秒(俯仰角)；利用图的离线数据进行统， 得到星敏感器在并行模式2下的三轴欧拉角误差分别为25. 2442角秒(滚动角)、5. 7416 角秒(偏航角)和5. 6798角秒(俯仰角)。所以，星敏感器工作在这两种并行模式下，并没 有降低星敏感器的精度。实施例3 结合图10，星敏感器系统包括以下主要过程曝光过程、存储图像过程、 星像提取和星图识别以及姿态计算过程、姿态数据通信输出过程。星敏感器工作过程是首 先拍摄一幅星图，其次把拍摄的星图保存到存储器中，再次星敏感器处理器从存储器中读 取星图，从星图中提取相应的星像坐标，根据恒星星表，利用星图识别算法对这些星像坐标 进行识别，并把识别的结果利用姿态计算算法计算星敏感器在惯性空间下的姿态，最后通过数据接口，把姿态传送给导航计算机。由于这些过程既没有反馈，又没有叠代运算，因此 这些过程可以并行进行。在拍摄星图的过程中(即曝光过程)，可以进行保存图像和进行星 敏感器软件算法过程；或者在拍摄星图过程、保存图像过程和进行星敏感器软件算法过程 同时进行(如图10)。
权利要求
1. 一种利用并行流水线机制提高星敏感器数据更新率的方法，其特征在于星敏感器 采用流水结构工作模式，星敏感器将图像曝光部分、图像存储部分、星像提取时间、星图识 别时间、姿态计算部分、姿态数据通信输出部分并行处理，星敏感器整机的数据更新时间为 流水结构中最慢的一级所占用的时间，即T为T = maxITi, Tr+Tp+Tj星敏感器流水结构第一种工作模式的实现方法为在本帧图像的数据处理结束时刻 立即启动下帧图像的曝光，存储本帧图像、从本帧图像中提取星像坐标、对提取的星像进行 识别、计算当前帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计算机过程和下帧图像的曝光同步 进行；由于图像存储和图像数据处理两个过程共用同一个图像存储器，因此必须在下帧图 像光积分结束之前完成对本帧图像数据的处理，实际工程中，由于星图恒星个数变化和杂 光等影响可能会导致各帧图像数据处理时间的不确定，因此在实际实现时需要留出一定的 时间余量，由于硬件条件决定着保存图像时间的长短，受到工程应用的限制，很难选取比较 快速的硬件条件，导致图像存储时间Tr较长，于是采用更高级的流水线模式，即T为T = maxITi, Tr, TP+TJ ；这就是星敏感器流水结构第二种工作模式，具体实现方法为在本帧图 像的数据处理结束时刻立即启动下帧图像的曝光，并立即存储本帧图像，从上帧图像中提 取星像坐标、对提取的星像进行识别、计算上帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计算 机过程，存储本帧图像过程河下帧图像的曝光同步进行；实际工程中，需要考虑各种因素导 致各帧图像数据处理时间的不确定，因此在实际实现时需要留出一定的时间余量。
全文摘要
本发明提供一种利用并行流水线机制提高星敏感器数据更新率的方法。在本帧图像的数据处理结束时刻立即启动下帧图像的曝光，存储本帧图像、从本帧图像中提取星像坐标、对提取的星像进行识别、计算当前帧的姿态以及把识别的结果发送给导航计算机过程和下帧图像的曝光同步进行。本发明提高了星敏感器的数据更新率，硬件代价小，系统可实现性好。由于系统应用的需要，增加积分时间、图像存储时间、星像提取时间与星图识别时间和姿态计算时间或者姿态数据通信输出时间，不会降低星敏感器的数据更新率；虽然提高了星敏感器数据更新率，但是不会降低星敏感器的数据精度；由于提高了星敏感器数据更新率，因此也进一步提高了星敏感器的动态性能。
文档编号G06F9/38GK102117199SQ20111000750
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者奚伯齐, 李葆华, 钟红军, 陈希军 申请人:哈尔滨工业大学