本发明专利技术公开了一种恒星陀螺及其实现方法，包括：将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，使得系统具有陀螺的功能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航天器姿态测量技术，特别是指。
技术介绍
恒星陀螺(Stellar Gyroscope)是近年来国外提出的一种航天器姿态测量系统的新概念，恒星陀螺实现的基本思想是提高恒星陀螺高动态高更新率性能，在此基础上利用恒星信息进行角速度计算，实现陀螺功能。目前，对于恒星陀螺的研究，国外美国喷气动力实验室的C. C. Liebe只提出了恒星陀螺进行大角速度计算的一种方法，没有提出相应的恒星陀螺的硬件系统；虽然美国 StarVision技术公司提出了一种恒星陀螺的原型样机，但是，并没有公开详细的技术细节。综上所述，目前还没有关于恒星陀螺的技术方案。
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能实现高动态、高姿态更新率的性能并具有角速度计算功能的恒星陀螺及其实现方法。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恒星陀螺，包括光学成像系统、以及图像传感器；该恒星陀螺还包括像增强器、现场可编程门阵列(FPGA)信号处理单元、以及数字信号处理/精简指令集计算机(DSP/RISC)单元；其中，像增强器，耦合于所述图像传感器前面；用于对光学成像系统得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；图像传感器，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；FPGA信号处理单元，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；DSP/RISC单元，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时，利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，输出计算结果。上述方案中，所述像增强器包括光阴极、微通道板(MCP，MicroChannel Plate)、 以及荧光屏；其中，光阴极，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；MCP，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏上，产生增强的电子像；荧光屏，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。上述方案中，所述光阴极为多碱阴极；所述MCP的最大亮度增益为8000倍；所述荧光屏为P-22荧光屏。上述方案中，所述多碱阴极为S-25+。本专利技术提供了一种恒星陀螺的实现方法，该方法包括将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，并输出计算结果。上述方案中，所述将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，为利用视场星点位置之间的联动关系，通过已识别出的星点在前k帧星图中的位置和估算得到的角速度信息，经卡尔曼滤波器预测，估计视场中已识别出的星点在k+Ι帧的位置，在估计出的位置范围内进行跟踪；并利用虚拟视场对新进入视场的星点进行快速判断和识别。上述方案中，所述利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，为根据单星点在恒星陀螺成像面上扫过的轨迹，精确提取轨迹，得到轨迹点在成像面上的坐标；将轨迹点在成像面上的坐标转换成恒星陀螺坐标系下的坐标；根据轨迹点在恒星陀螺坐标系下的坐标，求出旋转轴；根据旋转轴求出星点轨迹中两个端点之间的角距、两个端点到恒星陀螺坐标系的球心的角距，根据球面三角形公式，计算角速度。上述方案中，所述根据单星点在恒星陀螺成像面上扫过的轨迹，精确提取轨迹， 为采用自适应窗口进行星点轨迹分割；对分割后存在断裂的轨迹，利用形态学主动生长的方法进行断线修补；之后在提取出的轨迹端点附近的固定区域内进行连通性判断，滤出孤立的噪点， 并采用一阶距进行端点质心的亚像素定位处理。本专利技术提供的恒星陀螺及其实现方法，将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理，将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；将电学信号星图进行高动态质心定位处理；将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，之后利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，如此，能实现陀螺的功能。除此以外，在设计恒星陀螺的各处理模块的参数时，通过对恒星陀螺全链路的数字建模仿真，对不同设计参数的恒星陀螺在不同运动参数条件下的工作特性进行全面仿真和分析，同时对恒星陀螺中各处理模块的各种参数进行优化设计，得到光学系统视场大小、 口径大小、曝光时间、以及增益大小之间的最佳配合，如此，能实现短曝光下高灵敏度的探测。附图说明图1为本专利技术恒星陀螺的俯视结构示意图2为本专利技术像增强器的结构示意图；图3为本专利技术的恒星陀螺全链路数字仿真示意图；图4为本专利技术恒星陀螺的实现方法流程示意图；图5为本专利技术星跟踪的示意图；图6为C. C. Liebe提出的角速度计算原理示意图；图7为采用C. C. Liebe提出的方法采集的星点轨迹示意图；图8为采用C. C. Liebe提出的方法进行轨迹分割后的星点轨迹示意图；图9为本专利技术进行断线修补后的星点轨迹示意图。具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术再作进一步详细的说明。本专利技术提供的恒星陀螺，如图1所示，该恒星陀螺包括光学成像系统11、像增强器12、图像传感器13、FPGA信号处理单元14、以及DSP/RISC单元15 ；其中，光学成像系统11，用于将星体发射的光进行光学成像处理，得到微弱光学信号星图；像增强器12，用于对光学成像系统11得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；图像传感器13，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；FPGA信号处理单元14，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；DSP/RISC单元15，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，并利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，输出计算结果。其中，所述光学成像系统11与现有的星敏感器的光学成像系统相同。所述像增强器12耦合于所述图像传感器13的前面，这里，所述前面是指将恒星陀螺平放后，从图像传感器13的方向看恒星陀螺的组成结构依次为像增强器12耦合于所述图像传感器13的前面，光学成像系统11安置于像增强器12的前面。这里，耦合的方式可以通过光学镜头耦合，或者，通过光纤光锥耦合。如图2所示，所述像增强器12包括光阴极121、MCP 122、以及荧光屏123 ；其中，光阴极121，用于将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像；MCP 122，用于将形成的电子像聚焦，并加速投射到荧光屏123上，产生增强的电子像；荧光屏123，用于记录增强的电子像，形成增强的光学信号星图。其中，像增强器可进行几千倍的增益设置，能大大提高光信号的探测灵敏度，因此，像增强器具有探测灵敏度极高的特点，进而可以缩短曝光时间，将像增强器应用到恒星陀螺中，通过增加像增强器的增益，可以提高对弱星的探测能力，进而可以解决短曝光时间下的高灵敏度的星等探测问题。现有的像增强技术主要应用在微光夜视上，像增强器1本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种恒星陀螺，包括：光学成像系统、以及图像传感器；其特征在于，该恒星陀螺还包括：像增强器、现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）信号处理单元、以及数字信号处理／精简指令集计算机（ＤＳＰ／ＲＩＳＣ）单元；其中，像增强器，耦合于所述图像传感器前面；用于对光学成像系统得到的微弱光学信号星图进行像增强处理；图像传感器，用于对像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图；ＦＰＧＡ信号处理单元，用于对电学信号星图进行高动态质心定位处理；ＤＳＰ／ＲＩＳＣ单元，用于将高动态质心定位处理后的电学信号星图进行星图识别处理，并将已识别出的恒星进行快速星预测跟踪处理，利用星图识别处理后的数据及快速星预测跟踪处理后的数据进行姿态计算，同时，利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算，输出计算结果。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，江洁，魏新国，金雁，申娟，樊巧云，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11
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