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    重庆时时彩有什么绝招: 一种恒星陀螺及其实现方法.pdf

    关 键 词:
    一种 恒星 陀螺 及其 实现 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110097218.X

    申请日:

    2011.04.18

    公开号:

    CN102252664A

    公开日:

    2011.11.23

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 19/00申请日:20110418|||公开
    IPC分类号: G01C19/00; G01P9/00 主分类号: G01C19/00
    申请人: 北京航空航天大学
    发明人: 张广军; 江洁; 魏新国; 金雁; 申娟; 樊巧云
    地址: 100083 北京市海淀区学院路37号
    优先权:
    专利代理机构: 北京派特恩知识产权代理事务所(普通合伙) 11270 代理人: 张颖玲;王黎延
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110097218.X

    授权公告号:

    102252664B||||||

    法律状态公告日:

    2013.01.23|||2012.02.22|||2011.11.23

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明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。

    权利要求书

    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。
    2.根据权利要求1所述的恒星陀螺,其特征在于,所述像增强器包括:光
    阴极、微通道板(MCP)、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。
    3.根据权利要求2所述的恒星陀螺,其特征在于,
    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。
    4.根据权利要求3所述的恒星陀螺,其特征在于,所述多碱阴极为S-25+。
    5.一种恒星陀螺的实现方法,其特征在于,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。
    6.根据权利要求根据权利要求5所述的方法,其特征在于,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+1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。
    7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,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。
    8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,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。

    说明书

    一种恒星陀螺及其实现方法

    技术领域

    本发明涉及航天器姿态测量技术,特别是指一种恒星陀螺及其实现方法。

    背景技术

    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。

    发明内容

    有鉴于此,本发明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,本发明的技术方案是这样实现的:

    本发明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+。

    本发明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+1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。

    本发明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??榈牟问?,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??榈母髦植问杏呕?br />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为本发明恒星陀螺的俯视结构示意图;

    图2为本发明像增强器的结构示意图;

    图3为本发明的恒星陀螺全链路数字仿真示意图;

    图4为本发明恒星陀螺的实现方法流程示意图;

    图5为本发明星跟踪的示意图;

    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为本发明进行断线修补后的星点轨迹示意图。

    具体实施方式

    下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

    本发明提供的恒星陀螺,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12的光谱响应特性、
    增益特性、以及时间响应特性都是根据观察者的眼睛的特性设计的,因此,并
    不适合于恒星陀螺的应用。所以,本发明通过对像增强器12的光谱响应特性、
    增益特性、以及时间响应特性进行分析,设计出适合应用于恒星陀螺的像增强
    器12,具体实现原理是这样的:

    第一,从光谱响应特性分析。所谓光谱响应特性是指:像增强器的响应能力
    与入射波长的对应关系,像增强器的光谱响应特性实际上是:光阴极的光谱响
    应特性,它决定了像增强器工作的光谱范围。另外,光谱响应特性还需要考虑
    光源与光阴极、光阴极与荧光屏、荧光屏与图像传感器之间在光谱上的匹配程
    度。其中,所述光源是指光学成像系统11形成的星体的光学图像。这里,首先
    分析光源与光阴极之间的光谱匹配,恒星陀螺的光源为恒星星光,恒星星光的
    特点是:信号弱,光谱范围为从紫外到近红外;其中,紫外恒星偏少,可以不
    作为光源考虑,可见光和近红外的恒星非常多,尤其是近红外的恒星,数目比
    可见光的恒星数目还多,非常适合作为恒星陀螺的探测目标,因此,要求光阴
    极121在可见光到近红外的光谱范围内,都要有好的光谱响应特性。光阴极的
    种类很多,常用的光阴极包括:银氧铯阴极、锑铯阴极、多碱阴极、负电子亲
    和势阴极、以及紫外阴极等,其中,多碱阴极不仅量子效率高,而且有宽带光
    谱响应范围,它的长波已扩展到0.9μm以上,所以,多碱阴极的光谱特性与恒
    星的光谱特性是最佳匹配,因此,本发明采用多碱阴极作为恒星陀螺的像增强
    器12中的光阴极121,进一步地,由于多碱阴极中的S-25+在常用的多碱阴极
    的基础上,增加了厚度,从而近一步增强了红光和红外光的光谱响应,因此,
    采用多碱阴极中的S-25+。

    作为像增强器12中的光阴极121,从光阴极121与荧光屏123、荧光屏123
    与图像传感器13之间的光谱匹配考虑:需要选择合适的荧光屏类型,使得荧光
    屏123能与光阴极121、以及图像传感器13能很好的匹配。目前,荧光屏的类
    型比较多,通常,荧光屏类型的表示方法由P和数字构成,本发明中采用P-22
    荧光屏,这是因为:P-22荧光屏的光谱特性与S-25+的光谱特性匹配系数值为
    0.8,光谱匹配的非常好,同时,P-22荧光屏的发光峰值波长为550nm,这与图
    像传感器13的光谱也非常地匹配。本发明采用的光阴极和荧光屏类型,可使恒
    星陀螺的图像传感器13获得高的整体响应度,从而能保证高灵敏度的恒星探
    测。

    第二,从增益特性分析。增益特性是像增强器非常重要的特性,正是因为
    像增强器具有增益特性,才使得整个恒星陀螺的探测灵敏度能极大提高,进而
    可以实现短时间曝光下的高灵敏度探测。像增强器的增益特性是通过MCP实
    现的,MCP是二维的电子图像倍增级。

    对于恒星陀螺的应用而言,只需要在高动态下、在一定的视场下能观测到
    一定的星等,比如:在5°/s,10°×10°的条件下,能观测到6Mv星,就可以利
    用视场内可敏感恒星数目实现星图识别,因此,对于恒星陀螺中的像增强器12,
    增益值不需要达到它的最大增益阈值。而且,像增强器的增益越大,背景噪声
    也就越大,会造成得到的星图图像信噪比较差。因此,对于高动态高更新率的
    恒星陀螺,必须要对像增强器12的增益特性进行分析,在设计增益大小时,可
    以同时优化图像传感器13的曝光参数,在适当设计像增强器12的增益大小和
    图像传感器13的曝光参数的基础上,还可以进一步优化光学成像系统11的设
    计,比如:可以减小光学系统的口径,增大光学系统的视场等,以使设计出的
    恒星陀螺具有最佳性能。

    图3示出恒星陀螺全链路数字仿真示意图,如图3所示,在进行分析时,
    需要根据恒星陀螺从成像到姿态输出的整个信号处理链路上的各处理??榉直?br />建立对应的数学模型。其中,光学成像模型采用现有的针孔成像模型,在分析
    时,需要考虑光学镜头的孔径、镜头透过率、以及点扩散函数等特性,像增强
    模型考虑光谱响应特性、增益特性、背景特性、以及成像特性;光电转换模型
    考虑积分时间、量子效率、填充因子、光谱响应、以及转换函数等因素的影响;
    像增强模型及光电转换模型如下式:

    B = λ 1 λ 2 L S ( λ ) t a ( λ ) t o ( λ ) R C ( λ ) R M η S ( λ ) R CCD ( λ ) ]]>

    其中,LS(λ)为星体光辐射亮度,ta(λ)为大气的光谱传输特性,to(λ)为成像光
    学系统的光谱透射率,RC(λ)为光阴极的光谱响应率,RM为MCP的增益,ηS(λ)为
    荧光屏的光谱量子效率,RCCD(λ)为CCD量子效率,λ1、λ2为光阴极的上下响应
    截至波长。

    星图处理、星图识别、以及姿态计算的模型均采用星敏感器现有的技术。
    通过对高动态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??榈母髦植问杏呕杓?,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,实现短曝光下高灵敏度的探测。这里,根
    据仿真实验结果,建议MCP?122的最大亮度增益为8000倍。

    第三,从时间响应特性分析。像增强器的荧光屏在成像过程中存在惰性环
    节,表现为余辉,产生时间响应的滞后,这是限制时间响应的主要环节,如此,
    会增加图像传感器13的成像周期,进而会直接影响到恒星陀螺的姿态更新率。
    本发明采用中短余辉的P-22荧光屏,该荧光屏转换效率高,余辉衰减到图像的
    10%,所需要的时间为1~5ms,如果本发明所设计的恒星陀螺的姿态更新率为
    25Hz,图像传感器13的成像周期为40ms,由于1~5ms远小于40ms,所以对
    姿态更新率的时间响应没有影响。

    图像传感器13与现有的星敏感器的图像传感器完全相同;所述图像传感器
    13可以为电荷耦合元件(CCD,Charge-Coupled?Device)图像传感器,也可以
    是互补金属氧化物半导体(CMOS,Complementary?Metal?Oxide?Semiconductor)
    图像传感器。

    基于上述恒星陀螺,本发明还提供了一种恒星陀螺的实现方法,如图4所
    示,该方法包括以下步骤:

    步骤401: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;

    这里,将得到的微弱光学信号星图进行像增强处理的具体处理过程可采用
    现有的像增强处理过程。

    将像增强处理后的光学信号星图转换成电学信号星图的具体处理过程可采
    用现有技术中将光学信号转换成电学信号的处理过程。

    步骤402:将电学信号星图进行高动态质心定位处理;

    这里,对电学信号星图进行高动态质心定位处理的具体处理过程详见申请
    号为201010165504.0、发明名称为“一种高动态条件下实现星体目标提取的方
    法和装置”的中国专利申请。

    步骤403: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,输出计算结果。

    这里,所述快速星预测跟踪处理是指:能使姿态更新率大于10Hz的星跟
    踪处理。

    本发明利用已知的姿态,跟踪视场中已识别出的恒星在视场内的移动,从
    而提高姿态的更新速率。在跟踪状态下,为了提高跟踪效率,缩短跟踪处理时
    间,发明将星点预测机制引入到恒星陀螺中使用,所述将已识别出的恒星进行
    快速星预测跟踪处理,具体为:

    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+1帧的位置,在估计出的位置范围内进行跟踪;

    同时,可利用虚拟视场对新进入视场的星点进行快速判断和识别。

    其中,星点预测机制估计出视场中已识别出的星点在k+1帧的位置后,能
    缩小跟踪窗口的范围,从而能实现快速准确的跟踪。

    本发明在恒星陀螺的使用中引入虚拟视场的概念,目的是为了避免跟踪的
    星点个数随跟踪时间的增加逐渐减少的情况,并且,为了对新进入视场的星进
    行快速判断和识别,虚拟视场设计为比恒星陀螺的图像传感器的视场稍大,这
    里,建议虚拟视场比图像传感器的视场大50个像素,如此,能更加快速而准确
    的对新进入视场的星点进行判断和识别。

    确定虚拟视场时,由已知的恒星陀螺姿态信息,计算出恒星陀螺当前的视
    轴指向,并得到在该视轴指向下某一定天区范围的星体信息,将该天区范围内
    星体的坐标从天球坐标系变换为图像坐标系的坐标,之后通过星点预测得到虚
    拟视场。

    对新进入视场的星点进行判断和识别的具体处理过程与现有的判断和识别
    的处理过程相同,这里不再赘述。

    图5为星预测跟踪的示意图,如图5所示,其中,实线框表示当前视场,
    虚线框表示虚拟视场,☆表示第k帧中已识别的星点,★表示第k+1帧观测到的
    星图中的星点。举个例子来说,利用星点预测机制得到星点4的跟踪窗口的半
    径为r,因此,星点4只需要在半径为r的范围内进行跟踪即可,星点3′与星点
    4之间的距离为d,d小于r,所以,可以根据星点3′与星点4的位置进行跟踪
    处理,如此,可以缩短跟踪处理的时间。从图5中还可以看出,对于星点1为
    新进入视场的星点,星点7′为从视场消失的星点。

    所述利用电学信号星图的图像数据进行角速度计算,具体为:

    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,之后根据球面三角形公式:计
    算出角速度;

    其中,Φ表示角速度,a表示星点轨迹的两个端点的角距,b表示两个端点
    中的一个端点与球心的角距,c表示两个端点中的另一个端点与球心的角距。

    上述计算角速度的方法由美国喷气动力实验室的C.C.Liebe提出,计算原
    理如图6所示,根据单星点在恒星陀螺成像面上扫过的轨迹,提取轨迹,得到
    轨迹点在成像面上的坐标(Xi,Yi),之后将这些坐标转换到恒星陀螺的坐标系
    下,得到坐标(xi,yi,zi),这些轨迹点坐标位于一个单位球上,单位球的球心A
    与O点的连线就是旋转轴,根据轨迹点到球心的距离相等的原则,先求出球心
    A的坐标,进而求出旋转轴OA,根据旋转轴OA,求出星点轨迹中两个端点之
    间的角距a、两个端点到恒星陀螺坐标系的球心的角距b及c,然后根据上述公
    式计算出角速度。

    图6所示计算角速度方法的优点为:只需要一幅单星点的轨迹图像即可计
    算出角速度,计算速度快,而且适用于角速度较大的情况。但是,这种方法得
    到的角速度精度受星点轨迹端点提取精度的影响非常大,因此,如何精确定位
    两个端点是非常重要的,另外现有的恒星陀螺的曝光时间长,会造成背景存在
    噪声,如图7所示,而且,提取轨迹的过程中常出现如图8所示的轨迹断裂的
    现象,因此,本发明在此基础上对轨迹进行精确提取,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,具体为:

    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。

    其中,进行星点轨迹分割及利用形态学主动生长的方法进行断线修补的具
    体处理过程详见申请号为201010165504.0、发明名称为“一种高动态条件下实
    现星体目标提取的方法和装置”的中国专利申请。

    由于采用自适应窗口进行星点轨迹分割,并利用形态学主动生长的方法进
    行断线修改,并对轨迹端点进行重新定位,如此,能精确提取轨迹。

    所述固定区域,建议采用10×10像素,如此,能更好地实现精确定位轨迹
    端点的目的。

    图9示出进行断线修补后的星点轨迹示意图,从图9中可以看出,进行修
    补后,提取的轨迹没有出现轨迹断裂的现象。

    利用上述提取方法,能实现轨迹端点的精确定位,从而能实现轨迹的精确
    提取。

    采用本发明的方案提供的恒星陀螺的样机可以达到如下指标:

    视轴指向精度(1σ):7.5″,即:(5°/s);视?。?0.1°×10.1°;数据更新率:
    25Hz;重量:2.2Kg(含遮光罩);功耗:7W;最大跟踪角速度:10°/s;角速
    度精度:0.01°。

    从这些指标可以看出,采用本发明提供的方案做出的恒星陀螺的样机具有
    高动态、高姿态更新率的优点,且具有陀螺的功能,能满足未来航天器姿态测
    量的需要。

    以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的?;し?br />围。

    关于本文
    本文标题:一种恒星陀螺及其实现方法.pdf
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