一种超高精度的星敏感器制造技术

本发明专利技术公开了一种超高精度的星敏感器，包括光学成像系统、图像传感器、图像传感器驱动单元、双路质心成像单元、星跟踪单元、星图识别单元、姿态计算单元以及导航星库；其关键在于，对使用２０４８×２０４８像元大面阵图像传感器的星敏感器，引入双路质心跟随成像技术，同时读取和处理两路像素数据；并且，在进行星跟踪时，采用基于位置信息实现的无反馈、非窗口匹配跟踪，如此，可大大提高星敏感器的精度和数据更新率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及星敏感器技术，特别涉及一种小型超高精度、高数据更新率的 星敏感器。
技术介绍
星敏感器(Star Sensor)是当今航天飞行器中广泛釆用的 一种高精度、高可 靠性的姿态测量部件，星敏感器工作于实时动态测量模式，目前其成像器件均 釆用面阵的图像传感器，广泛应用的是1024 x 1024像元。随着像元的增加，如釆用2048 x 2048像元的大面阵图像传感器将会使姿态 精度非线性的提高，但同时数据量也会随之线性增加，这对于目前釆用帧成像 体制和窗口跟踪工作模式的星敏感器来说，受到这种成像体制和工作模式的限 制，星敏感器的数据更新率呈线性下降，严重影响了星敏感器的实时动态测试 性能，成为星敏感器实时提供姿态信息的瓶颈。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种超高精度的星敏感器，使其具 有更高的精度和高数据更新率。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的本专利技术提供了一种超高精度的星敏感器，包括光学成像系统、图像传感器、 图像传感器驱动单元、双路质心成像单元、星跟踪单元、星图识别单元、姿态 计算单元以及导航星库；其中，光学成像系统，用于将星空图像成像在图像传感器上；图像传感器，用于在图像传感器驱动单元的驱动下将光信号转换为电信号， 并传递给双路质心成像单元；图像传感器驱动单元，用于驱动图像传感器；双路质心成像单元，用于对同时读入的两路像素进行双路像素数据处理，在处理完整幅图像后，输出光斑图像的质心坐标给星跟踪单元和星图识别单元；星跟踪单元，用于根据前一时刻已经识别到的星体信息跟踪当前视场中的星体，获取星体信息；星图识别单元，用于从全天球中识别星姿态计算单元，用于根据全天球识别到的星体信息或跟踪到的所有星体的 信息解算出星敏感器精确的姿态，并将计算出的星敏感器姿态输出； 导航星库，用于存储导航星表。上述方案中，所述图像传感器为2048 x 2048像元的大面阵图像传感器。上述方案中，所述图像传感器驱动单元和双路质心成像单元集成在一个FPGA上；所述星跟踪单元、星图识别单元和姿态计算单元集成在一个RISC上。 上述方案中，所述双路质心成像单元进一步包括灰度值读取模块、灰度值比较模块、双路像素数据处理模块、背景像素处理模块、第一判断模块、存储模块、第二判断模块以及光斑图像质心计算模块；其中，灰度值读取模块，用于同时读入两路像素的灰度值，并将读入的灰度值送入灰度值比较模块；灰度值比较模块，用于将灰度值读取模块发来的两路像素的灰度值，分别与预设阈值进行比较，并根据比较结果完成对两路像素的处理；双路像素数据处理模块，用于完成双路像素标记、双路数据等价合并和双 路数据累加，之后，对两路像素的灰度值均大于预设阈值的，进入第二判断模 块，两路像素中左像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到存储模 块，两路像素中右像素的灰度值大于预设阈值的，将处理后数据发送到第一判 断模块；背景像素处理模块，用于在左右像素灰度值均小于预设阈值时，标记当前 两路像素为背景像素，并将标记值赋给相应参数；第一判断模块，用于判断两路像素中左像素的左边像素是否有标记值；存储模块，用于将累加器的值累加到等价标记值对应的数据存储器中，并 将累加器清零；第二判断模块，用于判断整幅图像是否处理完；光斑图像质心计算模块，用于在处理完整幅图像后，计算并输出光斑图像 质心的坐标值。其中，所述双路像素数据处理模块进一步包括标记单元、合并单元和累 加单元；其中，标记单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，为左像素和 右像素进行标记；合并单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成等价数 据的合并；累加单元，用于根据左右像素灰度值与预设阈值的比较结果，完成对左像 素和/或右像素灰度值的累加、以及灰度值和坐标值乘积的累加。其中，所述累加器包括用于对左右像素灰度值和坐标值的乘积进行累加的 第一累加器，以及用于对左右像素的灰度值进行累加的第二累加器。上述方案中，所述星跟踪单元基于位置信息实现无反馈、非窗口匹配跟踪。本专利技术提供的超高精度星敏感器，采用大面阵如2048 x 2048像元的图像传感器，能提高角分辨率，进而使星敏感器具有更高精度。本专利技术釆用星点双路质心成像技术，能同时读取两路像素数据，同时对两 路像素数据进行处理，从而提高了数据并行处理能力和数据处理速度，对于2048 x 2048像元的星敏感器数据处理速度能提高一倍，可实现大面阵图像传感 器在星敏感器中的应用，并能实现高精度和高数据更新率。本专利技术在星跟踪时采用无反馈非窗口的匹配跟踪，能够跟踪视场上所有的 星体，进一步提高姿态计算的精度，且跟踪速度快，跟踪模式下的数据更新率 为15Hz,具有更高的数据更新率。本专利技术在星图识别时使用角距匹配的方式实现三角形的匹配，通过按区间 存储星对和利用状态标识进行三角形识别，可使全天球识别时间控制为0.5s。本专利技术采用均匀和无重叠划分的导航星表，导航星的检索不再需要遍历整 个导航星表，使平均搜索范围缩小为以前的1/54,大大提高了搜索速度。附图说明图1为本专利技术星敏感器的组成结构及工作原理示意图2为本专利技术所采用双路质心成像装置的组成结构示意图。具体实施例方式本专利技术的基本思想是对使用2048 x 2048像元大面阵图像传感器的星敏感 器，引入双路质心跟随成像技术，同时读取和处理两路像素数据；并且，在进 行星跟踪时，采用基于位置信息实现的无反馈、非窗口匹配跟踪，如此，可大 大提高星敏感器的精度和数据更新率。如图l所示，本专利技术所提出的星敏感器包括光学成像系统10、图像传感器 11、图像传感器驱动单元12、双路质心成像单元13、星跟踪单元14、星图识 别单元15、姿态计算单元16以及导航星库(Guide Star Catalogue ) 67。这里，所述图像传感器是大面阵图像传感器，具有2048 x 2048像元；所述 星跟踪单元釆用无反馈非窗口的跟踪模式。在实际应用中，可将图像传感器驱 动单元12、双路质心成像单元13集成在一个FPGA信号处理单元上实现，将 星跟踪单元14、星图识别单元15、姿态计算单元16集成在一个RISC信号处 理单元上实现；当然，也可以都采用FPGA或RISC,或者采用数字信号处理 (DSP);或者，将除了光学成像系统IO、图像传感器ll、导航星库17以外的 所有单元集成在一块FPGA、或RISC、或DSP上。下面以图像传感器驱动单 元12、双路质心成像单元13集成在FPGA信号处理单元，星跟踪单元14、星 图识别单元15、姿态计算单元16集成在RISC信号处理单元上为例详细说明。其中，光学成像系统IO,由遮光罩、高精度的镜头组成，用于将星空图像 成像在图像传感器ll上。图像传感器11,用于在图像传感器驱动单元12的驱动下将光信号转换为电信号，并传递给双路质心成像单元13。 一般，可采用的图像传感器是Cypress 公司的Lupa4000,其具有2048 x 2048像元，帧频15帧/s。图像传感器驱动单元12，按照图像传感器驱动时序的要求，基于FPGA实 现对2048 x 2048像元图像传感器11的驱动，使其实现逐行两路图像信号同时 输出，每个像素的灰度值10bit,时钟频率达33M。也就是说，图像传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高精度的星敏感器，其特征在于，该星敏感器包括光学成像系统、图像传感器、图像传感器驱动单元、双路质心成像单元、星跟踪单元、星图识别单元、姿态计算单元以及导航星库；其中，　光学成像系统，用于将星空图像成像在图像传感器上；　图像传感器，用于在图像传感器驱动单元的驱动下将光信号转换为电信号，并传递给双路质心成像单元；　图像传感器驱动单元，用于驱动图像传感器；　双路质心成像单元，用于对同时读入的两路像素进行双路像素数据处理，在处理完整幅图像后，输出光斑图像的质心坐标给星跟踪单元和星图识别单元；　星跟踪单元，用于根据前一时刻已经识别到的星体信息跟踪当前视场中的星体，获取星体信息；　星图识别单元，用于从全天球中识别星图；　姿态计算单元，用于根据全天球识别到的星体信息或跟踪到的所有星体的信息解算出星敏感器精确的姿态，并将计算出的星敏感器姿态输出；　导航星库，用于存储导航星表。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，江洁，樊巧云，魏新国，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]