专利名称：基于卷帘曝光成像的星敏感器的姿态确定方法
技术领域：
本发明属于姿态传感器技术领域，尤其涉及一种基于卷帘曝光成像的星敏感器的姿态确定方法。
背景技术：
星敏感器是一种以天体方位作为参考的绝对姿态测量系统，具有测量精度高、无漂移、工作寿命长等特点。同时，星敏感器也是航天器赖以生存和性能提升的基础性、关键性器件，是航天技术发展的重要组成部分。在对地遥感、深空探测、空间攻防等航天应用中，星敏感器发挥着不可替代的重要作用，蕴藏着巨大的经济与社会效益，且具有极高的战略意义。目前，普遍认为星敏感器是卫星上姿态测量精度最高的传感器，其指向轴精度可达
10"以内，更新率f 5Hz。但传统星敏感器采用的大面阵探测器及帧图像的处理模式导致更新率低、动态性能差。这已经成为星敏感器的发展过程中的主要技术壁垒，无法满足日益增长的高分辨率对地成像、高精度测绘等空间任务快速发展的需求，并已经成为制约航天领域、尤其是空间遥感技术进步的重要瓶颈。

发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种基于卷帘曝光成像的星敏感器的姿态确定方法。该方法可以包括如下步骤:S1:利用所述星敏感器内的图像传感器的、基于行的卷帘曝光成像模式，对用于卷帘曝光成像的图像的曝光时间tInt、行读出时间trd、行间积分间隔时间^和帧处理时间tFp之间的关系进行优化；S2:基于优 化后的所述曝光时间tInt、所述行读出时间tr1、所述行间积分间隔时间和帧处理时间tFP之间的关系，预测和提取所述星敏感器内的星图中所含有的M个导航星点的星点位置；以及S3:基于卷帘曝光的单星递推姿态估计，采用每提取一颗导航星像点更新一次所述星敏感器的姿态和角速率，并将所述星敏感器的姿态递推到下一颗导航星点的姿态计算中，将下一颗导航星点的提取信息与递推获得的所述姿态进行融合，形成更新的所述星敏感器的所述姿态和所述角速率，并依次向下传递所述姿态和所述角速率，直至获得所述星敏感器的最终姿态矩阵和最终角速率。根据本发明的一个实施例的、基于卷帘曝光成像的星敏感器的姿态确定方法，通过对星图中不同行之间成像时刻的精密控制，实现不同星点曝光时刻的精确分离，弥补单帧星图中所有星点曝光时刻相同导致动态信息缺失的不足，并采用读出与曝光流水工作模式，省去传统的星敏感器读出时间；基于此提出连续高动态的星点预测提取算法；并提出卷帘曝光模式下的单星递推姿态估计方法，达到每提取一颗星完成一次当前时刻的姿态，突破星敏感器姿态确定以帧图像多矢量为基础的算法约束，使更新率相对于传统算法提高一个量级，同时可以实现短时间内视场内只有I颗星甚至无星时的姿态估计。根据本发明的一个实施例，在所述步骤SI中，所述图像传感器为APS图像传感器。根据本发明的一个实施例，所述图像传感器的总传感器行数目为n，且所述图像的每行的所述行读出时间和所述行间积分间隔时间U相同，且所述图像的所述曝光时间tInt 满足下述公式:tInt ( (n-l)trdo根据本发明的一个实施例，所述步骤S2进一步包括:S21:将所述星敏感器的姿态矩阵与提取导航星点的时间tk组合，以构成组合变量AR:ARk = [Ak tk] = [Ak mktri]其中，Ak表示提取第k个导航星点后计算得到的所述星敏感器的所述姿态，tk表示被提取的第k个导航星点对应的时刻，mk表示第k个导航星点在所述图像传感器上对应的行号；S22:预测所述星敏感器 的视场中的全部的所述M个导航星点的位置；以及S23:基于所述M个导航星点的预测位置,设定ROI (Region of Interest)窗口，以进行图像信号提取。根据本发明的一个实施例，所述步骤S22进一步包括:S221:设定上一帧图像中第M颗星位于第mQ行，提取导航星点后获得的所述星敏感器的所述姿态为Atl,估计的所述星敏感器的所述角速度为电:S222:当前帧图像的第I颗星位于图像的Hi1行，提取该第I颗星后获得的所述星敏感器的所述姿态矩阵为A1，所述星敏感器的所述角速度为黾被估计为:W1=U-A1.4Γ ] / [(" - m0 + W1KJ,通过对当前图像中第M颗星在所述图像传感器上的位置进行估计，获得与所述第M颗星相对应的预测位置(兔,^ );S223:依次获得所述第M颗星的、与所述第2 (M-1)相对应的预测位置
3 ym2-U )I)—ilf , -1 )-Μ )，S224:基于所述电和所述预测位置，共得到M个值对当前帧图像中的第M颗星位置进行估计；S225:根据与步骤S221-S224相似的步骤，依次获得其余的导航星点的位置预测值。根据本发明的一个实施例，所述步骤S3包括:(S31)根据初始捕获算法获取初始帧的姿态qk、特征矩阵Kk及姿态角速车ω记录所述导航星点的行号Hlk ;(S32)提取第k+Ι个导航星点，该导航星点所在的行为mk+1，根据负及当前帧导航星点行号mk与上一次姿态估计所用导航星点的时间差，计算转移矩阵Ok+1/k ；(S33)估计当前导航星点对应时刻的姿态四元数对应的特征矩阵Kk+1/k:Kk+Vk = ^MikKk!^TMlk. (S34)根据当前提取的导航星点矢量观测值及矢量参考值，将提取出的第k+Ι颗星的测量矢量和参考矢量作为参数加入到所述星敏感器的所述姿态的估计，并计算出第k+Ι个导航星点δ Kk+1 ；(S35)融合步骤S33、S34的数据，以计算包含当前导航星点的四元数对应的特征矩阵 Kk+1/k+1:Kk+1/k+1-(1-P ) Kk+1/k+P δ Kk+1其中，0〈 P〈I，且当前导航星点矢量的权重系数；(S36)根据Kk+1/k+1计算最优的姿态四元数<+_及岣返回执行步骤S32，以进行所述星敏感器的下一次的递推及姿态估计。根据本发明的一个实施例，所述步骤S32中，根据四元数差分方程与角速率满足下述公式:
权利要求
1.一种基于卷帘曝光成像的星敏感器的姿态确定方法，其特征在于，包括如下步骤: S1:利用所述星敏感器内的图像传感器的、基于行的卷帘曝光成像模式，对用于卷帘曝光成像的图像的曝光时间tInt、行读出时间trd、行间积分间隔时间U和帧处理时间tFp之间的关系进行优化； 52:基于优化后的所述曝光时间tInt、所述行读出时间tr1、所述行间积分间隔时间^和帧处理时间tFp之间的关系，预测和提取所述星敏感器内的星图中所含有的M个导航星点的星点位置；以及 53:基于卷帘曝光的单星递推姿态估计，采用每提取一颗导航星像点更新一次所述星敏感器的姿态和角速率，并将所述星敏感器的姿态递推到下一颗导航星点的姿态计算中，将下一颗导航星点的提取信息与递推获得的所述姿态进行融合，形成更新的所述星敏感器的所述姿态和所述角速率，并依次向下传递所述姿态和所述角速率，直至获得所述星敏感器的最终姿态矩阵和最终角速率。
2.根据权利要求1所述的姿态确定方法，其特征在于，在所述步骤SI中，所述图像传感器为具有设置在所述星敏感器内的具有卷帘曝光模式的APS图像传感器。
3.根据权利要求2所述的姿态确定方法，其特征在于，所述图像传感器的总传感器行数目为Π，且所述图像的每行的所述行读出时间trd和所述行间积分间隔时间相同，且所述图像的所述曝光时间tInt满足下述公式: tint ( (η-1) trdo
4.根据权利要求3所述的姿态确定方法，其特征在于，在所述步骤SI中，所述图像传感器基于行依次进行循环曝光，且经过曝光所获得的所述图像以所述行读出时间trd进行依次循环读取，经过曝光所获得的所述图像的读取与所述图像的曝光同步进行，其中 经过曝光所获得的所述图像的第一次读取时刻与所述图像传感器进行的所述图像的第η行的曝光时刻相同。
5.根据权利要求4所述的姿态确定方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括: 521:将所述星敏感器的姿态矩阵与提取第k个导航星点的时间tk组合，以构成组合变量AR:ARk = [Ak tk] = [Ak mktri] 其中，Ak表示提取第k个导航星点后计算得到的所述星敏感器的所述姿态，tk表示被提取的第k个导航星点对应的时刻，mk表示第k个导航星点在所述图像传感器上对应的行号; 522:预测所述星敏感器的视场中的全部的所述M个导航星点的位置；以及 523:基于所述M个导航星点的预测位置，设定ROI窗口，以对所述图像进行信号提取。
6.根据权利要求5所述的姿态确定方法，其特征在于，所述步骤S22进一步包括: 5221:设定上一帧图像中第M颗星位于第Hi0行，提取导航星点后获得的所述星敏感器的所述姿态为Atl，估计的所述星敏感器的所述角速度力^ 5222:当前帧图像的第I颗星位于所述图像的Hi1行，提取该第I颗星后获得的所述星敏感器的所述姿态矩阵为A1，所述星敏感器的所述角速度为负被估计为:U =17- 4 m A\ I 丨[( ~m0+ mI I,通过对当前图像中第M颗星在所述图像传感器上的位置进行估计，获得与所述第M颗星相对应的预测位置(
7.根据权利要求1所述的姿态确定方法，其特征在于，所述步骤S3包括: (531)根据初始捕获算法获取初始帧的姿态qk、特征矩阵Kk及姿态角速率务,记录所述导航星点的行号Hlk ; (532)提取第k+Ι个导航星点，所述导航星点所在的行为mk+1，根据％及当前帧导航星点行号mk与上一次姿态估计所用导航星点的时间差，计算转移矩阵Ok+1/k ； (533)估计当前导航星点对应时刻的姿态四元数对应的特征矩阵Kk+1/k:
8.根据权利要求7所述的姿态确定方法，其特征在于，所述步骤S32中，根据四元数差分方程与角速率满足下述公式:.1 0 λ — — 似ο.)
9.根据权利要求8所述的姿态确定方法，其特征在于，假定提取出第k颗星时估计的姿态四元数为qk，角速率为4 = [co CO1: coj，所述导航星点位于图像中第mk行，假定提取了第k+Ι颗星，其位于图像中mk+1行，则从第k颗星到第k+Ι颗星的时间间隔为(mk+1-mk) tH，得到
10.根据权利要求8所述的姿态确定方法，其特征在于，在所述步骤S36中:通过计算Kk+1/k+1的特征值和特征向量，得到第k+1颗导航星点参与计算的最优姿态四元素€+1 t+l，且满足:
全文摘要
本发明公开了一种基于卷帘曝光成像的星敏感器的姿态确定方法。该方法可以包括如下步骤优化用于卷帘曝光成像的图像的曝光时间tInt、行读出时间trd、行间积分间隔时间tri和帧处理时间tFp之间的关系；预测和提取所述星敏感器的导航星点位置；以及基于卷帘曝光的单星递推姿态估计，将下一颗导航星点的提取信息与递推获得的所述姿态进行融合，形成更新的所述星敏感器的所述姿态和所述角速率，并依次向下传递所述姿态和所述角速率，直至获得所述星敏感器的最终姿态矩阵和最终角速率。本发明突破了传统星敏感器工作过程中受到曝光与读出时间长、动态性能差、瞬时视场精度不足、系统更新率低等缺点，显著提高了星敏感器的性能。
文档编号G01C21/02GK103148851SQ20131005305
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月18日 优先权日2013年2月18日
发明者邢飞, 尤政, 孙婷 申请人:清华大学