[发明专利]基于姿态关联图像叠加的全天时星敏感器星点提取方法

说明书

本发明公开了一种基于姿态关联图像叠加的全天时星敏感器星点提取方法，利用捷联惯导系统提供的高精度角度信息将动态条件下拍摄的连续图像统一还原到某一时刻，再进行星图叠加和星点提取，从而达到多帧星图动态叠加增强星图信噪比的效果。本发明通过姿态关联图像叠加，可以有效提高动态条件下全天时星敏感器的星点探测信噪比和提取精度；通过图像处理的方法提高星敏感器的暗弱星探测能力，降低了星敏感器对探测器性能的要求，可以降低全天时星敏感器的成本。

技术领域

本发明涉及惯性/天文组合导航领域中星敏感器的星点提取方法，具体地说是一种基于姿态关联图像叠加的全天时星敏感器星点提取方法。

背景技术

星敏感器作为一种高精度的姿态敏感器，有着误差不随时间积累、自主性和抗干扰能力强等优点，在航天器、飞机、导弹以及舰船等平台的导航系统中得到广泛应用。由于星敏感器是通过探测星光实现姿态测量，在近地面使用时，容易受到杂散光的影响，特别是在白天使用时，强烈的天空背景辐射和大气散射光将导致星光信息完全被背景噪声淹没。因此，为了拓展星敏感器的应用领域，减小其使用限制，实现其在近大气层及近地空间条件下的全天时应用，亟需解决白昼条件下星光探测的难题。

全天时星敏感器通常采用高性能短波红外探测阵列实现白昼星光探测，并通过减小视场以抑制天空背景辐射的影响。探测器的曝光时间也是影响星光探测能力的重要因素，增加曝光时间可以有效地提高星光探测的信噪比，然而，由于探测器阵列的满阱容量限制，过长的曝光时间将会使探测器饱和，从而导致测量数据失效。为从根本上提高星敏感器的信噪比，需要大幅度提高探测器的动态性能，一方面提高探测器的探测灵敏度，另一方面大幅度提高其满阱容量，但是其经济成本和技术难度极大。Mark O’Malley等人于1992年在Optical Engineering杂志第31卷第3期发表的论文《Charge-coupled devices:frameadding as an alternative to long integration times and cooling》中提出了采用多帧图像叠加的方法用于提高相机的信噪比，同时防止光电探测器饱和，取得了较好的效果。但在动态条件下，由于单帧图像信噪比极低，无法直接对星图进行提取和信号处理；且测量目标在图像上的位置将随时间发生变化，将多帧图像直接叠加将会导致图像模糊，使图像的信噪比降低，无法达到图像增强的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于姿态关联图像叠加的全天时星敏感器星点提取方法，解决动态条件下多帧星图相关叠加的问题，从而抑制背景噪声，提升强背景光条件下星敏感器的星光探测信噪比。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于姿态关联图像叠加的全天时星敏感器星点提取方法，包括以下步骤：

1)采用星敏感器连续拍摄多帧的星图；

2)利用捷联惯导提供的先验姿态信息和星惯安装矩阵预测星敏感器中在当前姿态下所能拍摄到的星点的天球坐标和图像坐标；

3)根据捷联惯导预测得到的星点在探测器上的天球坐标和图像坐标，选定每帧星图中的星点提取窗口；

4)利用捷联惯导提供的连续拍摄的多帧星图之间的帧间角度变化关系，对多星图中同一星点对应的提取窗口进行平移和旋转变换，将其关联到最后一帧星图中，并将关联后的星图进行叠加；

5)利用关联叠加后的星图进行星点提取。

步骤2)的具体实现过程包括：

1)在t_k时刻获取捷联惯导输出的姿态信息，并估计星敏感器的姿态，在星敏感器的第k个采样时刻同时获取捷联惯导的姿态输出数据，将在星敏感器t_k采样时刻捷联惯导输出的载体坐标系相对于惯性系的坐标变换矩阵记为利用计算星敏感器姿态矩阵的估计值