[发明专利]基于光学联合变换相关的星敏感器星跟踪方法

说明书

技术领域

本发明属于空间飞行器姿态测量技术，特别涉及星敏感器星跟踪方法。

背景技术

星敏感器通过探测恒星来确定空间飞行器的三轴姿态，是空间飞行器姿态测量最重要的敏感器之一。星敏感器通常有姿态捕获和星跟踪两种工作模式。前者通过识别当前拍摄的星图在全天星图中的位置，获得飞行器姿态；后者在已知前一时刻姿态条件下，通过跟踪星图的变化获得当前飞行器姿态。星敏感器大部分时间处于跟踪模式，星跟踪方法决定了星敏感器跟踪速度和跟踪精度。随着空间飞行器的发展，对姿态测量的精度和速度提出了更高的要求，因而星敏感器星跟踪方法也要有相应的提高，其具体要求如下：

(1)高精度，(2)抗干扰，(3)高速度

传统的星跟踪方法主要有跟踪窗方法和匹配识别方法，两种方法均已知前一时刻姿态条件下，利用前一时刻的姿态信息，通过对星敏感器当前拍摄星图中星点坐标的识别判定得到当前飞行器的姿态。以跟踪窗方法为例说明传统星跟踪方法的步骤。假设第K帧星图的识别结果已知，即已知该星图星点坐标及其对应的星敏感器姿态。首先提取当前帧(第K+1帧)星图上星点的位置坐标，然后在以第K帧星图上第n星点为中心，r为半径的窗口中搜索第K+1帧星图上的星点，搜到的最近星点为第n星；进行多个星点的搜索，可以判定出第K+1帧相对于第K帧的位移，从而根据K帧的姿态数据结合K+1帧的相对位移量得到当前时刻的姿态数据。如果前述过程中没有搜索到足够的星点，则需要进行局部或全天的星图匹配，详细过程见图1。匹配识别方法则通过第K帧姿态信息得到当前星图所处的局部的标准星图的星点位置坐标，K+1帧星图星点坐标提取后，通过与上述局部标准星图匹配，实现当前姿态信息的获取。

从上述步骤可以看到，传统方法存在以下不足，限制了其精度、速度和抗干扰性能。首先，上述方法均需要提取星图的星点坐标，提取星点坐标的精度很大程度上决定了最终姿态计算精度。但这个过程易受背景杂光、探测器噪声及载体的运动影响，使得精度和抗干扰能力下降。而且为了兼顾计算速度，往往只取部分星点，不能充分利用探测到的信息。其次，上述方法均不能避免星图匹配的步骤，即需要将拍摄的星图与局部星库数据进行匹配识别，而这个过程是非常耗时的，限制了计算速度的进一步提高。另外还存在星点的误识别问题。

光学联合变换相关原理(参见宋菲君，S.Jutanmulia.近代光学信息处理。北京大学出版社，1998年(第一版)，pp78-90)。光学联合变换相关器(JTC，Joint transfrom correlator)，最早是由Weaver和Goodman，及Rau提出，其基本结构如图3所示，可以实现目标图像与参考图像的相关运算。其基本原理为，目标图像f(x，y)和参考图像g(x，y)联合显示在输入面P0上，两图分别位于(0，a)，(0，-a)处，由准直激光束读出，经过傅立叶透镜L1，在L1后焦面P1上形成输入图像的联合傅立叶变换谱，在P1面转换为功率谱后，由另一束准直激光束经过分光镜(B.S)读出，经过傅立叶透镜L2，在L2焦平面P2上形成相关输出O。相关输出的表达式为(推导过程见参考文献)：

O＝O₁+O₂+O₃+O₄                (1)

其中：

O₁(ε，η)＝∫∫f(α，β)f^*(α-ε，β-η)dαdβ      (2)

为f(x，y)的自相关，

O₂(ε，η)＝∫∫f(α，β)g^*(α-ε，β-(η+2a))dαdβ    (3)

为f(x，y)和g(x，y)的互相关，在η轴上平移-2a，

O₃(ε，η)＝∫∫f^*(α-ε，β-(η-2a))g(α，β)dαdβ    (4)

为g(x，y)和f(x，y)的互相关，在η轴上平移2a，

O₄(ε，η)＝∫∫g(α，β)g^*(α-ε，β-η)dαdβ         (5)

为g(x，y)的自相关。

发明内容

1.本发明目的和总体特点