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一種兼有目標探測功能的星敏感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種兼有目標探測功能的星敏感器，它包括星敏感器圖像采集單元和圖像數據處理單元。圖像采集單元包括一個大視場、小口徑的光學鏡頭，圖像傳感器LUPA4000，一片ADC芯片，一片靜態隨機存儲器，FPGA驅動單元，網口模塊單元。圖像數據處理單元為一塊DSP處理板。本發明采取大視場、小口徑的設計思路，所以星圖匹配只需要3等星以上的亮星，使其具有導航星庫比傳統星敏感器小以及體積、重量小的優點，并且在星敏測量的同時具備空間目標探測的功能。
【專利說明】一種兼有目標探測功能的星敏感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種星敏感器，具體涉及一種兼有目標探測功能的星敏感器，它用于天文導航的星敏測量以及擁有相對導航的空間目標探測。
【背景技術】
[0002]星敏感器是以恒星為參考系，以星空為工作對象的高精度空間姿態測量裝置。通過探測天球上不同位置的恒星并進行解算，為衛星、洲際戰略導彈、宇航飛船等航空航天飛行器提供準確的空間方位和基準，其自主導航能力具有重要的應用價值。近年來隨著微小衛星技術的快速發展，星敏感器逐漸向大視場、輕量化、高精度的趨勢發展。
[0003]傳統的星敏感器不斷向識別更高星等、測量精度更高的方向發展，使得星敏感器光學鏡頭的視場受限，通常大于20° X20°視場的星敏感器可認為是大視場星敏感器。而且傳統的星敏感器口徑較大，導致整機重量、體積偏大。不利于在小型飛行器上使用。
[0004]因為傳統星敏感器視場較小，為了獲取足夠多的導航恒星進行姿態計算，需求觀測到更高的星等，使得傳統星敏感器存在導航星庫偏大、檢索匹配時間過長的缺點。
[0005]同樣，因為傳統星敏感器視場偏小，捕獲目標的幾率極小，所以不具備空間目標探測功能。

【發明內容】

[0006]為了解決上述傳統星敏感器小視場、大口徑、導航星庫偏大、功能單一的問題，本專利的目的是提供一種大視場、小口徑、導航星庫小、兼有目標探測功能的星敏感器。
[0007]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:
[0008]光學系統的視場角為72° X72°的方視場，其圓視場為91.6°。探測波段為400nm?700nm，探測器的像素數為2048 X 2048，像元尺寸為12 μ mX 12 μ m ;光學系統的畸變為0.5%，F數=2.5，焦距€= 16.9mm，透過率為90%。
[0009]圖像傳感器LUPA4000與ADC和FPGA驅動單元連接，FPGA與SRAM存儲單元以及網口模塊連接，通過網線與圖像數據處理單元DSP連接，FPGA接收DSP發送的指令，產生圖像傳感器LUPA4000的驅動時序，圖像傳感器工作采集圖像，將模擬信號傳送給ADC芯片，ADC轉換成數字信號傳送給FPGA，FPGA將數字信號臨時存儲在SRAM單元，再將圖像數據通過網口傳送給DSP處理板，DSP處理單元經過圖像濾波處理、畸變校正后解算出星點坐標，通過星圖匹配進行識別，并計算出當前的姿態，完成星敏測量，同時依據星庫剔除恒星，可得到軌道上太空碎片等疑似相對坐標，再結合數幀圖像分析目標的運動軌跡排除虛假目標可得到正確目標的相對坐標。
[0010]由于采用了上述的技術方案，使得本發明相比現有的產品具有以下的優點:
[0011]1.本發明所述的星敏感器與傳統的星敏感器在視場上有巨大的差異，72° X72°的方視場使得星敏感器有極大的幾率捕獲空間目標，使得本發明具備星敏測量和空間目標探測兩種功能；[0012]2.小口徑的鏡頭設計使得整個體積、重量大大降低，整機重量低于0.6kg，滿足了小型飛行器的使用條件；
[0013]3.大視場的探測窗口保證了任意時刻都能觀測到6顆以上的亮星(亮度高于三等星)，星圖匹配只需要三等星以上的亮星，使得星圖匹配所需的星庫大大縮小，匹配的時間也大為減少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為多功能星敏感器系統原理框圖。
[0015]圖2為多功能星敏感器星圖匹配模式。
[0016]圖3為多功能星敏感器星圖圖像模塊工作流程圖。
[0017]圖4為多功能星敏感器星圖處理模塊工作流程圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0019]參見附圖1和附圖3，本發明由DSP下達開始命令，命令指令通過網口傳遞給FPGA芯片。該命令指令包含開始信息以及需求探測器積分時間。網口模塊采用TCP/IP協議，在本發明的硬件支持下，傳輸速率可高達50Mbps。
[0020]FPGA收到開始指令后，產生相應的驅動時序，通過FPGA的I/O接口發送給圖像傳感器LUPA4000。圖像傳感器LUPA4000接收到相應的驅動時序后，光敏面曝光，傳感器經過積分、數據讀出兩個步驟完成光電轉換，將模擬信號輸出至ADC芯片。ADC同步將模擬信號轉換成數據信號傳送給FPGA，FPGA將圖像數據暫時存儲在SRAM中。存儲完畢后，將圖像數據通過網口傳輸給DSP處理板。DSP處理單元經過圖像濾波處理、畸變校正后解算出星點坐標，通過星圖匹配進行識別，并計算出當前的姿態。完成星敏測量，同時依據星庫剔除恒星，可得到疑似空間目標(如太空碎片)的相對坐標。
[0021 ] 上述DSP處理單元【具體實施方式】如下:
[0022]步驟一，圖像濾波處理。光學相機容易受到雜散光以及傳感器芯片熱噪聲和其他噪聲影響。因此，在星體質心提取之前，必須對星圖進行去噪聲處理。本設計依據實驗結果，采用圖像去噪領域獲得廣泛應用的中值濾波方法，得到去噪之后的星圖。
[0023]步驟二，星點的提取與質心定位。星點目標的識別包括將星體目標與背景分開及將單個星體目標與其他星體目標分離開。第一階段可以通過星圖閾值分割實現，第二階段通常釆用連通域法，按照一定的連通規則進行連通域判別和圖像標記，進而得到各個星點的位置和亮度信息。
[0024]步驟三，畸變校正。由于大視場鏡頭工藝上的限制，必定存在較大的畸變，以及鏡頭安裝后，光軸與探測器光敏面不是嚴格的垂直關系，使得星圖圖像會產生一定的畸變，星點的坐標與理論位置會產生偏移，這對測量結果會造成巨大的干擾。畸變校正就是求解從畸變圖像獲取的畸變坐標到滿足透視攝影模型的標準圖像坐標的映射關系。廣泛使用的映射模型是奇數階多項式模型，但是該模型只考慮了鏡頭的徑向畸變，不適用于大視場光學系統。大視場光學系統畸變模型是一個非常復雜的非線性系統，該系統方程復雜，難以用數學方法準確建模。為了將所有畸變考慮在內，本系統利用BP神經網絡的非線性學習能力進行畸變校正。
[0025]步驟四，星圖匹配。參見附圖2星圖識別和姿態測量的具體步驟如下所示。
[0026]Stepl:對經過濾波以及畸變校正后輸出的恒星按照其光斑中心亮度的降序排序，剔除灰度小于閾值的恒星，并依次賦予編號。
[0027]Step2:選擇灰度值最大的恒星作為主星，計算它與視場內其余每顆星的星對角距，按星對角距的降序排序(剔除星對角距小于一定閾值、離得太近的恒星)，并統計該主
星的鄰星數量。
[0028]Step3:主星的鄰星數大于等于3顆，才能用來作為星圖匹配。在主星的鄰星中，選擇星對角距最大的鄰星，記錄它與主星的星對角距、質心編號，記為LMax、Sl。
[0029]Step4:依次選擇該主星的星對角距次大的鄰星，記錄它與主星的星對角距、質心編號，記為LM2、S2，計算鄰星SI與S2的星對角距，記為L12，如附圖2所示。
[0030]St印5:判斷LMax、LM2、L12三邊是否能構成一個三角形。若可以，則計算該三角形的內切圓半徑R1、特征值Tl，特征值Tl的計算方法如式I所示，并記該三角形為觀測三角形1，轉到St印6 ;否則，跳轉至St印4，繼續選擇下一顆鄰星以構建觀測三角形I。
[0031]T1 = log (Smax)+log (Smed)-21og (Smin) (I)
[0032]S*,Smax、Smed、Smin分別為觀測三角形的最大邊邊長、第二大邊邊長、最小邊邊長。
[0033]St印6:
[0034]I)若可以構成三角形1，判斷該三角形I最大、次大、最小的三邊對應的恒星質心
編號，存儲對應信息。
[0035]2)根據三角形I內切圓半徑R1，判斷該Rl位于哪個區間，讀取相應區間的導航星特征庫數據，進行匹配，匹配方法為:當觀測三角形的RU Tl與導航星特征數據庫中某一組R、T的偏差都在一定誤差范圍內時，認為是可能匹配的一組恒星集，記錄至結構體FirstMatchl中，并保存初匹配的觀測三角形I的個數nl。
[0036]Step7:繼續選擇該主星的鄰星中星對角距次大的鄰星，星對角距、質心編號依次記為LM3、S3，計算S1、S3的星對角距L13，以LMax、LM3、L13為邊，判斷是否能構成一個三角形。若可以，則計算該三角形的內切圓半徑R2、特征值T2(計算方法如式1)，并記該三角形為觀測三角形2，轉到St印8 ;否則，跳出本次循環，返回到St印7。
[0037]St印8:
[0038]I)判斷該觀測三角形2最大、次大、最小的三邊對應的恒星質心編號，存儲該對應信息。
[0039]2)根據觀測三角形2內切圓半徑R2，判斷該R2位于哪個區間，讀取相應區間的導航星特征庫數據，做匹配，匹配方法為:當觀測三角形的R2、Τ2與導航星特征數據庫中的R、T的偏差都在一定誤差范圍內時，認為是可能匹配的一組恒星集，記錄至結構體FirstMatch2中。并保存初匹配的三角形2的個數n2。
[0040]Step9:進行第二步匹配。對結構體FirstMatchl中的其余信息與觀測三角形做進一步匹配，將匹配的三角形信息記錄至結構體
[0041]SecondMatchl中，記錄經過第二步匹配的匹配三角形I的個數nnl ;對結構體FirstMatch2中的其余信息與觀測三角形做進一步匹配,匹配的三角形信息，記錄至結構體SecondMatch2中，記錄經過第二步匹配的匹配三角形2的個數nn2。
[0042]SteplO:在每一組結構體SecondMatchl與SecondMatch2中尋找相等的恒星編號，若有兩個恒星編號相同，則認為進一步匹配的兩個三角形有一組公共邊，分別記錄這兩組三角形的信息，匹配完成，跳出主循環，轉至St印11。若沒有，則認為基于這顆主星的匹配失敗，跳轉至St印2，繼續選擇下一顆灰度次亮的星作為主星。
[0043]Stepll:記錄兩個匹配三角形中四顆匹配導航星的相關信息:星號、質心編號、像面坐標、星等、赤經、赤諱、J2000坐標。
[0044]步驟五，星敏感器三軸姿態確定。經過上個步驟的星圖識別算法，可匹配識別四顆導航星，獲得它們的像平面坐標、赤經、赤緯、J2000坐標等信息，利用姿態確定算法獲得星敏感器的三軸姿態信息。常用的星敏感器姿態確定算法有TRIAD雙矢量法、UEST算法、SVD算法、Euler-q算法等靜態姿態估計算法,擴展卡爾曼濾波、自適應卡爾曼濾波、預測卡爾曼濾波、遞歸四元數估計、擴展四元數估計、非線性預測濾波、非跟蹤濾波等動態狀態估計算法。因此，本發明采用TRIAD雙矢量算法確定星敏感器三軸姿態，完成星敏姿態測量，輸出相應的姿態信息。
[0045]步驟六，空間目標探測。通過步驟五的處理，能夠獲得每個觀測相機的視軸指向。根據視軸指向與視場大小，對觀測星圖內的觀測恒星與基本星表內的導航星進行一一匹配。將觀測星圖內已匹配的恒星作為背景剔除；經過恒星背景抑制后，此時觀測星圖中輸出的疑似目標除了真實目標之外，可能還會有少數幾顆未成功匹配的恒星以及部分殘留噪聲。由于目標、恒星、噪聲三者的運動特性不同，本發明采用軌跡編目的策略，濾除噪聲，剔除恒星，獲得真實目標。
【權利要求】
1.一種兼有目標探測功能的星敏感器，它包括圖像采集單元和圖像數據處理單元，其特征在于:所述的圖像采集單元包括一個視場91.6°、有效口徑6.76mm的光學鏡頭，圖像傳感器LUPA4000，一片64M的靜態隨機存儲器，FPGA驅動單元，網口模塊單元；所述的圖像數據處理單元為一塊DSP處理板；圖像傳感器LUPA4000與ADC和FPGA驅動單元連接，FPGA與SRAM存儲單元以及網口模塊連接，通過網線與圖像數據處理單元DSP連接，FPGA接收DSP發送的指令，產生圖像傳感器LUPA4000的驅動時序，圖像傳感器工作采集圖像，將模擬信號傳送給ADC芯片，ADC轉換成數字信號傳送給FPGA，FPGA將數字信號臨時存儲在SRAM單元，再將圖像數據通過網口傳送給DSP處理板，DSP處理單元經過圖像濾波處理、畸變校正后解算出星點坐標，通過星圖匹配進行識別，并計算出當前的姿態，完成星敏測量，同時依據星庫剔除恒星，可得到軌道上太空碎片等疑似相對坐標，再結合數幀圖像分析目標的運動軌跡排除虛假目標可得到正確目標的相對坐標。
【文檔編號】G01C21/02GK104034331SQ201410258853
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】丁國鵬, 鄭偉波, 張濤, 李勉洪, 凌麗 申請人:中國科學院上海技術物理研究所