一种星敏感器的异步多帧星图融合方法技术

一种星敏感器的异步多帧星图融合方法，包括步骤如下：(1)动态周期性调节星敏感器的图像传感器的曝光时间，连续地记录星敏感器在一段时间内采集的星图数据；(2)提取所采集的星图中的星点信息，确定所有星点的定位精度，剔除定位精度太低的星点；(3)确定不同时刻星图的星点间的相对位移；(4)根据第2步提取的定位精度较高的星点的定位精度，并根据第3步得到的相对位移，将其转换到最新帧的星图指向坐标系，对于在不同星图上的同一个星点数据取以定位精度为权重的平均值；(5)在最新帧的星图指向坐标系下，使用姿态确定算法，完成基于异步多帧星图融合的高精度姿态测量。本发明专利技术能够提高单探头星敏感器的测量精度。

Asynchronous multi star star image fusion method for star sensor

A method of asynchronous multi frame chart of star sensor fusion, which comprises the steps of: (1) the exposure time of the image sensor dynamic periodic adjustment of star sensor, the star sensor acquisition continuously recorded over a period of time in the chart data; (2) the collecting chart star information, determine the positioning accuracy of all the star, excluding the positioning accuracy is too low for star; (3) to determine the relative displacement moment at the same time the star star; (4) according to the location of high positioning accuracy of second step extraction of star precision, and according to the third step phase of displacement, convert it to a new frame chart point coordinates the Department, for the same data in different star on the map in the positioning accuracy of the weight average value; (5) to coordinate in the new frame chart, using the attitude determination algorithm, complete the asynchronous multi frame chart based on melting High precision attitude measurement. The invention can improve the measuring accuracy of a single probe star sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种星敏感器的异步多帧星图融合方法
本专利技术涉及一种星敏感器的星图融合方法，属于天文导航

技术介绍
星敏感器是一种用于高精度姿态测量的成像式传感器。它对恒星背景进行采样拍照，然后对成像结果进行提取和识别，以测量其光轴在惯性坐标系下的姿态。随着技术的发展，星敏感器的测量精度不断提高，国外先进水平已经达到亚角秒级别。目前，提高星敏感器测量精度的方法主要是从硬件角度考虑的：a)提高光学系统的视场、焦距等指标；b)提高成像芯片的分辨率、感光能力、降低噪声水平等；c)提高结构的热稳定性。在软件和算法方面，星敏感器的发展相对较慢，其基本的流程一直没有大的变动，即：a)单帧成像，b)星点提取，c)星表搜索匹配，d)相对姿态计算。因为硬件方面的提升已经受限于光学系统、成像芯片和机械结构的工艺水平，所以从软件角度提升星敏感器的性能指标成为重要的方向。星敏感器软件的优化方法主要从上段提到的几个方向开展，例如改善星点提取方法，滤除噪点；提高星表搜索和匹配的速度、正确率；改进姿态计算的算法速度和精度(包括降低星敏感器测量系统的系统误差，如标定残差、坐标系转换误差、星表误差等)。针对星敏感器单帧成像方式的改进，多个星敏感器的协同测量方法，也即多探头、多视场的星敏感器，是一个重要发展方向。如Sodern、BALL、三菱等公司机构已经展开相关研究并取得了一定成果。多探头星敏感器利用了空间分布的多个传感器进行同步多帧采样，然后融合多帧图像的信息产生更高精度的姿态测量结果。然而，多探头星敏感器的硬件代价也是非常明显的，不仅是重量体积的增加，还有工作速度和功耗的损失。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提供一种星敏感器的异步多帧星图融合方法，在星敏感器现有技术的基础上，针对单探头星敏感器，周期性改变其图像传感器的曝光设置，利用在时间上连续采集的多帧图像来补充、修正最新帧图像的星点，包括增加视场内星点数目、提升星点的成像质量和降低背景噪声等的影响，从而提高单探头星敏感器的测量精度。本专利技术的技术解决方案是：一种星敏感器的异步多帧星图融合方法，包括步骤如下：步骤一、在设定的曝光时间范围内，间隔相同的时间段改变星敏感器的曝光时间，获得t1时刻至tn时刻的星图；n为正整数；步骤二、根据步骤一中得到的n帧星图中的各星点在视场内的位置、星点的形状分布和星点的灰度能量确定每个星点的定位精度值；按照各星点的定位精度值对各时刻星图中的星点数据进行排序，剔除定位精度不满足设定的精度要求的星点；步骤三、分别计算获得t1～tn-1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵A1～An-1；步骤四、根据步骤三得到的t1～tn-1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵，将步骤二中提取出的定位精度满足精度要求的星点转换到tn时刻星图的指向坐标系中，获得t1～tn-1时刻星图中各星点在tn时刻星图指向坐标系中的位置坐标；步骤五、在tn时刻星图对应时刻的星敏感器坐标系下，基于步骤四得到的所有星点和所有星点的位置坐标，使用QUEST算法和通用的星表，获得在tn时刻星图对应时刻星敏感器在惯性坐标系下的姿态。所述步骤四中，对于不同时刻星图上的同一个星点，该星点在tn时刻星图指向坐标系中的位置坐标为：该星点以步骤二中获得的该星点在各时刻星图中定位精度值为权重的位置坐标平均值。所述步骤三中通过陀螺仪测量获得t1～tn-1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵A1～An-1。所述步骤三中获得t1～tn-1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵A1～An-1的方法如下：通过三角形匹配法搜索相邻两时刻星图中相同的星点，使用QUEST算法计算相邻两时刻星图的相对姿态，得到t1～tn-1时刻星图与tn时刻星图的相对姿态及转换矩阵A1～An-1。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术相对于现有单探头星敏感器的传统工作模式是单帧图像信息处理，测量时可用的星点数目受到视场范围的影响，星点质量受到采样条件的限制，本专利技术从时域扩展单探头星敏感器的视场范围，可用于姿态测量的星点数目随着采样时间增加而增加，星点的成像质量也即单星定位精度随着采样条件范围增加而提升，因此单探头星敏感器的姿态测量精度得到提高。(2)本专利技术与多探头星敏感器的多视场数据融合技术相比，本专利技术利用单探头星敏感器在时域上连续多次采样的结果进行信息融合，设备与生产成本较低。本方法也可以与多探头星敏感器的数据融合技术结合使用，并达到更好的测量效果。附图说明图1为本专利技术一种星敏感器的异步多帧星图融合方法流程图。具体实施方式下面是本专利技术的具体实施例，但本专利技术的方法不局限于该实施例。如图1所示，本专利技术提出的方法在一个高精度APS星敏感器上通过系统时序和工作流程的设计来实现，传统星敏感器的系统时序采用固定设置的或自适应的单帧曝光方式和单帧识别方式，本专利技术的系统时序设计为a)周期性改变设置的、自适应的单帧曝光方式，和b)累积多帧并进行信息融合的识别方式。一种星敏感器的异步多帧星图融合方法，包括如下步骤：步骤一、周期性改变星敏感器的曝光时间，改变的范围根据从星图中提取出的星点数目确定，该范围应使所能提取的星点数目最多。需要注意的是，因为星点提取算法的差异，对于同一块星空背景，采样的曝光时间和提取的星数并不存在单调的线性关系。因而曝光时间是根据提取星数自适应变化的。本实施例中曝光时间范围为[T-T0,T+T0]，T是自适应调整的曝光时间，T0是经验范围，变化的间隔ΔT由星敏感器的数据更新率和角速度决定，即曝光时间按如下序列循环变化{T-T0，T-T0+ΔT，T-T0+2ΔT，T-T0+3ΔT，…，T+T0}，连续采集图像并存储其星点信息。角速度越小，数据更新率越高，变化的间隔可以越小。步骤二、按照步骤一得到多帧星图的星点数据，根据星点在视场内的位置、星点的形状分布和星点的灰度能量确定每个星点的定位精度值C＝f(d,N)：离视场中心的距离d越小，星点定位精度值越小，精度越高；星点的像素数目N越大、灰度值越高且不饱和，星点定位精度值越小，定位精度越高。按照定位精度值对多帧星图的星点数据进行排序，剔除那些定位精度不满足精度要求的星点。步骤三、步骤二的所有星点来自不同帧的星图，也即不同的时间片，为了信息融合，需要确定不同帧星图的相对姿态。本专利技术提出两种方式：第一，通过陀螺仪等高精度的运动测量工具，测量每帧星图的相对姿态；第二，匹配连续两帧星图中相同的星点，计算每帧星图的相对姿态。本实施例采用第二种方式，通过三角形匹配法搜索相邻两帧星图中相同的星点(需保证至少有三颗以上)，使用QUEST算法计算两帧星图的相对姿态，从而得到每帧星图与最新帧星图的相对姿态。步骤四、根据步骤三得到的星图相对位移，将步骤二中提取出的定位精度较高的星点转换到最新帧星图指向坐标系；对于在不同时间片上的同一个星点，求其以步骤二定位精度为权重的平均值。步骤五、在最新帧的星图对应时刻的星敏感器坐标系下，基于步骤四得到的所有星点和位置，使用QUEST算法和通用的星表，完成基于异步多帧星图融合的高精度姿态测量，获得在最新帧星图对应时刻星敏感器在惯性坐标系下的姿态。星敏感器坐标系的定义是：以星本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星敏感器的异步多帧星图融合方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、在设定的曝光时间范围内，间隔相同的时间段改变星敏感器的曝光时间，获得t1时刻至tn时刻的星图；n为正整数；步骤二、根据步骤一中得到的n帧星图中的各星点在视场内的位置、星点的形状分布和星点的灰度能量确定每个星点的定位精度值；按照各星点的定位精度值对各时刻星图中的星点数据进行排序，剔除定位精度不满足设定的精度要求的星点；步骤三、分别计算获得t1～tn‑1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵A1～An‑1；步骤四、根据步骤三得到的t1～tn‑1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵，将步骤二中提取出的定位精度满足精度要求的星点转换到tn时刻星图的指向坐标系中，获得t1～tn‑1时刻星图中各星点在tn时刻星图指向坐标系中的位置坐标；步骤五、在tn时刻星图对应时刻的星敏感器坐标系下，基于步骤四得到的所有星点和所有星点的位置坐标，使用QUEST算法和通用的星表，获得在tn时刻星图对应时刻星敏感器在惯性坐标系下的姿态。

【技术特征摘要】
1.一种星敏感器的异步多帧星图融合方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一、在设定的曝光时间范围内，间隔相同的时间段改变星敏感器的曝光时间，获得t1时刻至tn时刻的星图；n为正整数；步骤二、根据步骤一中得到的n帧星图中的各星点在视场内的位置、星点的形状分布和星点的灰度能量确定每个星点的定位精度值；按照各星点的定位精度值对各时刻星图中的星点数据进行排序，剔除定位精度不满足设定的精度要求的星点；步骤三、分别计算获得t1～tn-1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵A1～An-1；步骤四、根据步骤三得到的t1～tn-1时刻星图内星点与tn时刻星图内星点的相对姿态及转换矩阵，将步骤二中提取出的定位精度满足精度要求的星点转换到tn时刻星图的指向坐标系中，获得t1～tn-1时刻星图中各星点在tn时刻星图指向坐标系中的位置坐标；步骤五、在tn时刻星图对应时刻的星敏感器坐标系下，基于步骤四得到的所有星点和所有星点的位置坐标，使用QUEST算法和...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建峰，郑然，程会艳，武延鹏，王艳宝，张腾飞，陈超，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11