一種高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公布了一種高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法，包括：A.三軸角速度的計(jì)算，對(duì)三軸角速度分別進(jìn)行最小二乘法擬合，并對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波；B.將曝光時(shí)間內(nèi)三軸角速度近似用一階多項(xiàng)式表示，將其積分得到三軸旋轉(zhuǎn)的角度信息，代入星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣；C.對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，經(jīng)透視投影變換，得到星點(diǎn)光斑在圖像傳感器上的移動(dòng)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式；D.對(duì)星點(diǎn)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，參考質(zhì)心法公式求解星點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)，計(jì)算出星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償量。本發(fā)明提高了星敏感器在高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)定位精度，處理算法較為簡(jiǎn)單，補(bǔ)償量計(jì)算精確，在高動(dòng)態(tài)下有較好的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域星敏感器技術(shù)，尤其涉及一種高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ) 償方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 星敏感器已經(jīng)是當(dāng)今航天飛行器中廣泛采用的一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測(cè)量 裝置。其工作原理為：首先利用高清鏡頭拍攝周天恒星圖像，然后提取圖像中全部恒星像星 點(diǎn)并利用質(zhì)心法得到其精確位置信息，之后進(jìn)行星圖識(shí)別得到星點(diǎn)在周天中對(duì)應(yīng)的實(shí)際恒 星，最后參考導(dǎo)航星表計(jì)算出得到星敏感器的三軸姿態(tài)。星點(diǎn)提取時(shí)星點(diǎn)的質(zhì)心定位精度 是星敏感器的重要精度指標(biāo)，將直接影響三軸姿態(tài)的計(jì)算精度。
[0003] 星敏感器一般工作在靜態(tài)情況下，即星敏感器載體運(yùn)動(dòng)較為緩慢，在曝光時(shí)恒星 和星敏感器幾乎是相對(duì)靜止，恒星只在圖像傳感器的固定位置感光形成一個(gè)理想的彌散點(diǎn) 狀光斑，這種情況下利用傳統(tǒng)質(zhì)心法可以得到很高的星點(diǎn)定位精度。但隨著星敏感器的應(yīng) 用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，尤其是在高動(dòng)態(tài)載體上（如敏捷衛(wèi)星、彈道導(dǎo)彈等）的應(yīng)用，對(duì)星敏感 器動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)提出了更高的要求。
[0004] 何謂高動(dòng)態(tài)，即星敏感器載體角速度較大，且變化比較復(fù)雜，使得星敏感器在曝光 時(shí)有明顯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使成像星點(diǎn)是一條長(zhǎng)的光斑移動(dòng)軌跡，這會(huì)造成星點(diǎn)質(zhì)心定位 的精度明顯降低。
[0005]目前提高高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)定位精度的方法主要有三種：（1)通過(guò)改變C⑶圖像傳感 器內(nèi)部時(shí)序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理算法，使得恒星產(chǎn)生的電荷在CCD成像區(qū)跟隨恒星同步移動(dòng)， 達(dá)到恒星始終在固定像元上感光成像的效果，以避免光斑軌跡的產(chǎn)生。但這種算法需要合 理設(shè)計(jì)電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)，對(duì)于積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不規(guī)則的情況，它的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)比較 困難。（2)通過(guò)對(duì)高動(dòng)態(tài)下星敏感器的主要運(yùn)動(dòng)形式建立星圖退化模型，將多重模糊星圖進(jìn) 行分步復(fù)原，以還原星點(diǎn)移動(dòng)圖像。但這種去模糊算法都需要已知星敏感器的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，而 在通常實(shí)際應(yīng)用中這些信息都是未知的，且星圖復(fù)原計(jì)算量很大。（3)利用高數(shù)據(jù)更新率的 慣性器件（如陀螺）作為主姿態(tài)敏感器提供輸出姿態(tài)，在考慮由于星像移動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)誤 差的基礎(chǔ)上，采用星敏感器作為附姿態(tài)敏感器進(jìn)行姿態(tài)修正，以滿(mǎn)足高動(dòng)態(tài)下的姿態(tài)精度 要求。該方法依賴(lài)于慣性器件，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，不利于參數(shù)求解。
[0006] 可以看出，在提商商動(dòng)態(tài)星點(diǎn)的定位精度方面目如亟需一種能適應(yīng)星點(diǎn)各種運(yùn)動(dòng) 軌跡，無(wú)需已知星敏感器的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，且不依賴(lài)慣性器件，計(jì)算簡(jiǎn)單，效果較好的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)定位誤差 補(bǔ)償方法，解決高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)定位精度較低的問(wèn)題，其不僅能適應(yīng)各種星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，且無(wú) 需已知星敏感器運(yùn)動(dòng)函數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)單，不依賴(lài)慣性器件，能在高動(dòng)態(tài)下有較好的應(yīng)用前景。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0009] -種高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟201，三軸角速度的計(jì)算，即對(duì)三軸角速度分別進(jìn)行最小二乘法擬合，并對(duì)擬 合結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波；
[0011] 步驟202,將曝光時(shí)間內(nèi)三軸角速度近似用一階多項(xiàng)式表示，將一階多項(xiàng)式積分得 到三軸旋轉(zhuǎn)的角度信息，代入星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0012] 步驟203,對(duì)星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，經(jīng)透視投影變換，得到 星點(diǎn)光斑在圖像傳感器上的移動(dòng)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式；
[0013] 步驟204,對(duì)所述移動(dòng)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，參考質(zhì)心法公式求 解星點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)，計(jì)算出星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償量。
[0014] 所述步驟201中的卡爾曼濾波具體為：設(shè)角速度的擬合時(shí)間多項(xiàng)式的系數(shù)為系統(tǒng) 狀態(tài)向量，以角速度的最小二乘擬合公式建立量測(cè)模型，以多項(xiàng)式時(shí)間零點(diǎn)的轉(zhuǎn)移建立系 統(tǒng)預(yù)測(cè)模型，對(duì)三軸角速度擬合分別進(jìn)行濾波。
[0015] 所述步驟202中代入星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣具體為：
[0016] 三軸角速度用一階多項(xiàng)式表示后，將其積分可得到曝光時(shí)間內(nèi)三軸旋轉(zhuǎn)的角度信 息，將星點(diǎn)光斑坐標(biāo)表示成星敏感器坐標(biāo)系下的單位方向矢量，將所述角度信息代入旋轉(zhuǎn) 矩陣，從而建立星點(diǎn)光斑方向矢量隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)方程。
[0017] 所述步驟203中對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣的二階泰勒展開(kāi)的具體為：
[0018] 由于旋轉(zhuǎn)矩陣的復(fù)雜和非線性，對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣每個(gè)元素進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，將 旋轉(zhuǎn)矩陣每個(gè)元素化為角速度參數(shù)的二階時(shí)間多項(xiàng)式，這樣就將星點(diǎn)光斑的方向矢量用時(shí) 間二階多項(xiàng)式表示。
[0019] 所述步驟204中對(duì)星點(diǎn)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似的具體為：
[0020] 經(jīng)透視投影變換后，星點(diǎn)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式分子分母均為二階時(shí)間多項(xiàng)式，對(duì)其進(jìn) 行二階泰勒展開(kāi)近似，化為簡(jiǎn)單的二階時(shí)間多項(xiàng)式，系數(shù)均由角速度參數(shù)表示，計(jì)算出星點(diǎn) 質(zhì)心和星點(diǎn)理想中心,將星點(diǎn)質(zhì)心和星點(diǎn)理想中心相減得出星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償量。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明提高了星敏感器在高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)定位 精度，處理算法較為簡(jiǎn)單，補(bǔ)償量計(jì)算精確，其不僅能適應(yīng)各種星點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，且無(wú)需已知 星敏感器運(yùn)動(dòng)函數(shù)，在高動(dòng)態(tài)下有較好的應(yīng)用前景。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明高動(dòng)態(tài)下典型的光斑移動(dòng)軌跡；
[0023] 圖2為本發(fā)明高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)定位誤差產(chǎn)生示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明小角度機(jī)動(dòng)下姿態(tài)四元數(shù)和角速度的變化曲線；
[0026] 圖5為本發(fā)明小角度機(jī)動(dòng)下未補(bǔ)償與補(bǔ)償后誤差比較圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明大角度機(jī)動(dòng)下姿態(tài)四元數(shù)和角速度的變化曲線；
[0028] 圖7為本發(fā)明大角度機(jī)動(dòng)下未補(bǔ)償與補(bǔ)償后誤差比較圖；
[0029] 圖8為本發(fā)明兩種機(jī)動(dòng)情況下用起始光斑坐標(biāo)和質(zhì)心坐標(biāo)補(bǔ)償效果對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了更好的理解本發(fā)明，首先介紹一下高動(dòng)態(tài)星點(diǎn)質(zhì)心誤差的產(chǎn)生原因。如圖I 所示，為高動(dòng)態(tài)下典型的星點(diǎn)光斑移動(dòng)軌跡。星敏感器在靜態(tài)情況下其星點(diǎn)是近似符合二 維高斯分布的理想彌散光斑。而在高動(dòng)態(tài)下，由于星敏感器在曝光時(shí)有明顯運(yùn)動(dòng)，從而使得 恒星星點(diǎn)是一條長(zhǎng)的光斑移動(dòng)軌跡。根據(jù)透視投影模型，光斑移動(dòng)軌跡一般不會(huì)是均勻的 完美直線，特別是當(dāng)角速度變化復(fù)雜時(shí)，光斑移動(dòng)軌跡會(huì)有較大的彎曲度。
[0031] 如圖2所示，為高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差產(chǎn)生示意圖。高動(dòng)態(tài)情況下，通常定義曝光 時(shí)間中間時(shí)刻的光斑位置為整個(gè)星點(diǎn)的中心，如圖2中A點(diǎn)。設(shè)曝光時(shí)間內(nèi)光斑的移動(dòng)曲 線坐標(biāo)為^(〇，￥(〇)，根據(jù)質(zhì)心法公式可得質(zhì)心（1；；):

【權(quán)利要求】
1. 一種高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 步驟201，三軸角速度的計(jì)算，即對(duì)三軸角速度分別進(jìn)行最小二乘法擬合，并對(duì)擬合結(jié) 果進(jìn)行卡爾曼濾波； 步驟202,將曝光時(shí)間內(nèi)三軸角速度近似用一階多項(xiàng)式表示，將一階多項(xiàng)式積分得到三 軸旋轉(zhuǎn)的角度信息，代入星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣； 步驟203,對(duì)星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，經(jīng)透視投影變換，得到星點(diǎn) 光斑在圖像傳感器上的移動(dòng)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式； 步驟204,對(duì)所述移動(dòng)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，參考質(zhì)心法公式求解星 點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)，計(jì)算出星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟201 中的卡爾曼濾波具體為：設(shè)角速度的擬合時(shí)間多項(xiàng)式的系數(shù)為系統(tǒng)狀態(tài)向量，以角速度的 最小二乘擬合公式建立量測(cè)模型，以多項(xiàng)式時(shí)間零點(diǎn)的轉(zhuǎn)移建立系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型，對(duì)三軸角 速度擬合分別進(jìn)行濾波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟202 中代入星敏感器的旋轉(zhuǎn)矩陣具體為： 三軸角速度用一階多項(xiàng)式表示后，將其積分可得到曝光時(shí)間內(nèi)三軸旋轉(zhuǎn)的角度信息， 將星點(diǎn)光斑坐標(biāo)表示成星敏感器坐標(biāo)系下的單位方向矢量，將所述角度信息代入旋轉(zhuǎn)矩 陣，從而建立星點(diǎn)光斑方向矢量隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)方程。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟203 中對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣的二階泰勒展開(kāi)的具體為： 由于旋轉(zhuǎn)矩陣的復(fù)雜和非線性，對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣每個(gè)元素進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似，將旋轉(zhuǎn) 矩陣每個(gè)元素化為角速度參數(shù)的二階時(shí)間多項(xiàng)式，這樣就將星點(diǎn)光斑的方向矢量用時(shí)間二 階多項(xiàng)式表示。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高動(dòng)態(tài)下星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟204 中對(duì)星點(diǎn)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式進(jìn)行二階泰勒展開(kāi)近似的具體為： 經(jīng)透視投影變換后，星點(diǎn)軌跡坐標(biāo)表達(dá)式分子分母均為二階時(shí)間多項(xiàng)式，對(duì)其進(jìn)行二 階泰勒展開(kāi)近似，化為簡(jiǎn)單的二階時(shí)間多項(xiàng)式，系數(shù)均由角速度參數(shù)表示，計(jì)算出星點(diǎn)質(zhì)心 和星點(diǎn)理想中心，將星點(diǎn)質(zhì)心和星點(diǎn)理想中心相減得出星點(diǎn)質(zhì)心誤差補(bǔ)償量。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104318119SQ201410609908
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】魏新國(guó), 張廣軍, 江潔, 譚維, 李健 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)