一种星敏感器高动态下的星跟踪方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。采用本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

木专利技术涉及一种测量技术，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)
技术介绍
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)
技术实现思路
木专利技术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。本专利技术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。 本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李葆华，王常虹，刘国梁，刘睿，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]