共光路多视场星敏感器及其星体姿态测量方法技术

一种共光路多视场星敏感器及其星体姿态测量方法，该共光路多视场星敏感器共用一套光学系统、成像单元和数据处理单元，光学系统同时观测三个不同天区的恒星，成像单元对三个不同天区的恒星同时成像，对成像的星点进行星图识别，数据处理单元同时对采集到的恒星星点进行质心坐标的提取，并通过对三个视场的偏移量进行非对齐修正，最终完成高精度的星体姿态角输出。本发明专利技术可以有效的解决单视场星敏感器沿光轴方向测量精度较低的问题，同时也可克服传统多视场星敏感器采用分体式的光学系统和成像系统而引起的重量、功耗和体积较大的缺点，在实现三轴高精度测量的同时也实现了轻小型化设计，可以满足多种卫星平台对高精度姿态测量的需求。

【技术实现步骤摘要】
共光路多视场星敏感器及其星体姿态测量方法
本专利技术涉及一种共光路多视场星敏感器及其星体姿态测量方法。
技术介绍
随着空间中对高精度姿态敏感器的需求日益加剧，为了获取准确的姿态信息，必须采用高精度的姿态测量敏感器。星敏感器是目前空间应用中精度最高的姿态测量设备，但是其三个测量方向中沿光学系统光轴方向的测量精度较其它两轴相比要低一个数量级，仅靠单一视场的星敏感器难以做到三轴同时高精度测量。而常规的提高测量精度的方法是采用多台星敏感器数据相互融合的方式，或者采用多套光学系统、多套成像单元组成的多视场星敏感器系统，这样虽然可以实现三轴高精度测量，但同时也带来了诸如重量、功耗较大，安装位置难以精确标定等问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种共光路多视场星敏感器及其星体姿态测量方法，可以有效的解决单视场星敏感器沿光轴方向测量精度较低的问题，同时也可克服传统多视场星敏感器采用分体式的光学系统和成像系统而引起的重量、功耗和体积较大的缺点，在实现三轴高精度测量的同时也实现了轻小型化设计，可以满足多种卫星平台对高精度姿态测量的需求。为了达到上述目的，本专利技术提供一种共光路多视场星敏感器，该共光路多视场星敏感器包含光学系统、成像单元和电路连接成像单元的数据处理单元；所述的光学系统包含：第一高反射镜组，其设置在星敏感器的光线入口处，该第一高反射镜组包含三个第一高反射镜，所述的第一高反射镜为平面反射镜；第二高反射镜组，其包含三个第二高反射镜，每个第二高反射镜与所述的每个第一高反射镜对应设置，每个第二高反射镜分别设置在星敏感器内能够接收并反射对应的第一高反射镜的反射光线的位置处，所述的第二高反射镜为凹面反射镜；第三高反射镜，其设置在星敏感器内能够接收并反射第二高反射镜组内的第二高反射镜的反射光线的位置处，所述的第三高反射镜为凸面反射镜；所述的成像单元接收第三高反射镜的反射光线，对不同视场方向进入的星点同时成像并完成星图识别；所述的数据处理单元根据成像单元获得的星图，完成星点质心坐标的提取和星体姿态的解算。所述的三个第一高反射镜按照两两之间呈120°夹角的方式，均匀布置，每个第一高反射镜与水平位置的倾角为45°。本专利技术还提供一种利用共光路多视场星敏感器实现的基于共光路多视场星敏感器的星体姿态测量方法，该基于共光路多视场星敏感器的星体姿态测量方法包含以下步骤：步骤1、光学系统同时观测三个不同天区的恒星，并将三个不同天区的恒星同时成像到成像单元；步骤2、成像单元对三个不同天区的恒星同时成像，对成像的星点进行星图识别；步骤3、数据处理单元同时对采集到的恒星星点进行质心坐标的提取，并通过对三个视场的偏移量进行非对齐修正，最终完成高精度的星体姿态角输出。所述的步骤2包含以下步骤：步骤21、利用视场点扩散函数来完成成像星点所属视场的确定；步骤22、采用基于四棱锥的方法，通过识别星的棱锥布局来完成星图识别。所述的步骤21中，确定视场就是确定点扩散函数的对称轴的斜率，点扩散函数的对称轴的斜率与点扩散函数图像的惯性张量J的特征向量一致；点扩散函数的对称轴的方位，通过惯性张量J的本征分析得到：其中求和运算扩展到属于点扩散函数的所有像素；特征值λ1和λ2按如下给出：λa+λb＝λ1>λ2＝λa-λb(2)其中：结合特征值λ1和λ2，给出特征向量：如果特征值λ1和λ2完全分开，就可以确定出星光来自哪个视场。所述的步骤22包含以下步骤：步骤2.1、对CCD/CMOS探测器成像面上的星点成像数量进行统计，如果星点数量为3，进行步骤2.2，如果星点数量小于3，则无法进行星图识别，匹配失败，如果星点数量大于3，进行步骤2.3；步骤2.2、判断两两星点之间的星间角距，并与星图库进行对比，看结果是否唯一，如果唯一，星图匹配成功，完成星点识别并返回；如果不唯一，则匹配失败；步骤2.3、从星点中取出三颗星点i、j、k，并取出另一颗参考星点r，分别判断r-i、r-j和r-k之间的星间角距，看结果是否唯一，如果唯一，进行步骤2.4，如果不唯一，进行步骤2.5；步骤2.4、星图识别成功，可以使用已经识别出的i、j、k三颗恒星进行其它星点的识别；步骤2.5、判断该i、j、k是否星图中轮寻过的最后三个点，如果不是，从星图中再取出三颗星，进行步骤2.3，如果是最后的三个星点，舍去负数解，看结果是否唯一，如果唯一，则星图识别成功；如果不唯一，则星图识别失败。所述的步骤3中，数据处理单元对采集到的恒星星点进行质心坐标的提取包含以下步骤：步骤31、快速获取质心的粗略位置；步骤32、根据质心的粗略位置，精确确定质心位置；所述的步骤31中，仅扫描所有的CCD/CMOS像素一次，通过整数向量Ih和Iv记录CCD/CMOS探测器上在相应行和相应列的最大值的位置，从而快速的找到所有n个最亮的像素点；所述的向量Ih由nh个分量组成，向量Iv由nv个分量组成，相对应于CCD/CMOS探测器水平方向和垂直方向的像元数；所述的步骤32中，精确的确定质心位置：该方法利用了星点的灰度分布特征，认为像素点距离实际星点中心越近，其灰度值就越高，其他像素的灰度值随着距离中心增加而降低，依据像素的灰度值对其坐标加权，将加权后的几何中心作为实际成像的星点目标的中心；设星点图像中第i行、第j列像素的坐标为(xi,yj)，灰度值为f(xi,yj)，则星点的质心位置计算式如下：其中，(x0,y0)为目标像点质心坐标估计值。所述的步骤3中，采用最优四元数估计方法计算星体姿态：用四元数方法表示的姿态矩阵如下式所示：Kqopt＝λmaxqopt(5)其中，qopt是姿态估计的最优四元数，它与对称阵K特征向量的最大特征值有关，K的表达式如下所示：其中，向量z＝Σiαisi×vi，可以用非对称阵B的非对角元素来表示，即z＝{b23-b32,b31-b13,b12-b21}T(7)下面给出K矩阵的特征多项式：λ4+aλ3+bλ2+cλ+d＝0(8)其中，a＝tr[K]＝0，b、c、d可用下式表示：在此引入(8)的辅助方程u3-bu2-4du+4bd-c2＝0(10)辅助方程的解为其中，当得到u1后，(8)式的特征值也就得到了：其中，很容易看出-1≤λ1≤λ2≤λ3≤λ4＝λmax≤1如果K矩阵的特征值数n＝2，那么其中，当n>2时，姿态四元数qopt可以通过(13)式和(14)式计算得到；当n＝2时，可以通过(15)式和(16)式得到。本专利技术提出的共光路多视场星敏感器通过采取共用一套光学系统、一套成像系统和一套电子学单元的方式，可以有效的解决单视场星敏感器沿光轴方向测量精度较低的问题，同时也可克服传统多视场星敏感器采用分体式的光学系统和成像系统而引起的重量、功耗和体积较大的缺点，在实现三轴高精度测量的同时也实现了轻小型化设计，可以满足多种卫星平台对高精度姿态测量的需求。附图说明图1是本专利技术的结构示意图。图2是本专利技术的星点成像点扩散函数PSF图。图3是本专利技术的星图识别的流程图。具体实施方式以下根据图1～图3，具体说明本专利技术的较佳实施例。如图1所示，本专利技术提供一种共光路多视场星敏感器，其包含光学系统1、成像单元2和连接成像单元的数据处理单元3。所述的光学系统包含：第一高反射镜组，其设置在星敏感器的光线入口(入瞳位置)处，该第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共光路多视场星敏感器，其特征在于，该共光路多视场星敏感器包含光学系统(1)、成像单元(2)和电路连接成像单元的数据处理单元(3)；所述的光学系统包含：第一高反射镜组，其设置在星敏感器的光线入口处，该第一高反射镜组包含三个第一高反射镜(101)，所述的第一高反射镜(101)为平面反射镜；第二高反射镜组，其包含三个第二高反射镜(102)，每个第二高反射镜(102)与所述的每个第一高反射镜(101)对应设置，每个第二高反射镜(102)分别设置在星敏感器内能够接收并反射对应的第一高反射镜(101)的反射光线的位置处，所述的第二高反射镜(102)为凹面反射镜；第三高反射镜(103)，其设置在星敏感器内能够接收并反射第二高反射镜组内的第二高反射镜(102)的反射光线的位置处，所述的第三高反射镜(103)为凸面反射镜；所述的成像单元(2)接收第三高反射镜(103)的反射光线，对不同视场方向进入的星点同时成像并完成星图识别；所述的数据处理单元(3)根据成像单元(2)获得的星图，完成星点质心坐标的提取和星体姿态的解算。

【技术特征摘要】
1.一种共光路多视场星敏感器，其特征在于，该共光路多视场星敏感器包含光学系统(1)、成像单元(2)和电路连接成像单元的数据处理单元(3)；所述的光学系统包含：第一高反射镜组，其设置在星敏感器的光线入口处，该第一高反射镜组包含三个第一高反射镜(101)，所述的第一高反射镜(101)为平面反射镜；第二高反射镜组，其包含三个第二高反射镜(102)，每个第二高反射镜(102)与所述的每个第一高反射镜(101)对应设置，每个第二高反射镜(102)分别设置在星敏感器内能够接收并反射对应的第一高反射镜(101)的反射光线的位置处，所述的第二高反射镜(102)为凹面反射镜；第三高反射镜(103)，其设置在星敏感器内能够接收并反射第二高反射镜组内的第二高反射镜(102)的反射光线的位置处，所述的第三高反射镜(103)为凸面反射镜；所述的成像单元(2)接收第三高反射镜(103)的反射光线，对不同视场方向进入的星点同时成像并完成星图识别；所述的数据处理单元(3)根据成像单元(2)获得的星图，完成星点质心坐标的提取和星体姿态的解算。2.如权利要求1所述的共光路多视场星敏感器，其特征在于，所述的三个第一高反射镜(101)按照两两之间呈120°夹角的方式，均匀布置，每个第一高反射镜(101)与水平位置的倾角为45°。3.一种利用如权利要求1或2所述的共光路多视场星敏感器实现的基于共光路多视场星敏感器的星体姿态测量方法，其特征在于，该基于共光路多视场星敏感器的星体姿态测量方法包含以下步骤：步骤1、光学系统同时观测三个不同天区的恒星，并将三个不同天区的恒星同时成像到成像单元；步骤2、成像单元对三个不同天区的恒星同时成像，对成像的星点进行星图识别；步骤3、数据处理单元同时对采集到的恒星星点进行质心坐标的提取，并通过对三个视场的偏移量进行非对齐修正，最终完成高精度的星体姿态角输出。4.如权利要求3所述的基于共光路多视场星敏感器的星体姿态测量方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下步骤：步骤21、利用视场点扩散函数来完成成像星点所属视场的确定；步骤22、采用基于四棱锥的方法，通过识别星的棱锥布局来完成星图识别。5.如权利要求4所述的基于共光路多视场星敏感器的星体姿态测量方法，其特征在于，所述的步骤21中，确定视场就是确定点扩散函数的对称轴的斜率，点扩散函数的对称轴的斜率与点扩散函数图像的惯性张量J的特征向量一致；点扩散函数的对称轴的方位，通过惯性张量J的本征分析得到：其中求和运算扩展到属于点扩散函数的所有像素；特征值λ1和λ2按如下给出：λa+λb＝λ1>λ2＝λa-λb(2)其中：结合特征值λ1和λ2，给出特征向量：如果特征值λ1和λ2完全分开，就可以确定出星光来自哪个视场。6.如权利要求4所述的基于共光路多视场星敏感器的星体姿态测量方法，其特征在于，所述的步骤22包含以下步骤：步骤2.1、对CCD/CMOS探测器成像面上的星点成像数量进行统计，如果星点数量为3，进行步骤2.2，如果星点数量小于3，则无法进行星图识别，匹配失败，如果星点数量大于3，进行步骤2.3；步骤2.2、判断两两星点之间的星间角距，并与星图库进行对比，看结果是否唯一，如果唯一，星图匹配成功，完成星点识别并返回；如果不唯一，则匹配失败；步骤2.3、从星点中取出三颗星点i、j、k，并取出另一颗参考星点r，分别判断r-i、r-j和r-k之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗明，阳光，卢山，袁驰，梁彦，刘超镇，
申请(专利权)人：上海新跃仪表厂，
类型：发明
国别省市：上海;31