一种基于平均速度的卷帘曝光星敏感器星点位置校正方法与流程

本发明涉及卷帘曝光模式星敏感器星点位置校正的技术领域，尤其涉及一种基于平均速度的卷帘曝光星敏感器星点位置校正方法。

背景技术：

星敏感器是通过观测太空中恒星方位来实现航天器自主姿态测量的核心部件，是航天器姿态测量精度最高的传感器，目前最高可达1角秒。传统的星敏感器主要采用全局曝光模式，如今，卷帘曝光模式的星敏感器因其在提高动态性能和姿态更新率方面的优势，也逐渐应用于实际工程中。但卷帘曝光模式采用逐行曝光，行间存在时间间隔，导致成像后的星点位置与理论位置出现偏离，因此提高卷帘曝光模式星敏感器的星点位置精度成为星敏感器星图匹配、姿态解算的重要前提。

专利cn201610742873.9提出了一种基于卷帘门曝光星敏感器的动态补偿办法，利用角速度来进行星点位置的补偿。该方法中，在无陀螺的情况下，沿星图水平(x)和竖直(y)方向的角速度分量求解十分困难，同时，星图中每一颗星点的移动角速度不尽相同。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：提供一种基于平均速度的卷帘曝光星敏感器星点位置校正方法。该方法利用连续两帧星图求得星图中各导航星沿图像坐标的速度，然后获得导航星点的平均速度，根据平均速度和卷帘曝光行间隔时间建立星点位置校正量关系，同时根据导航星库中两两星点之间的理论角距验证校正后两两星点之间的实测角距的有效性。通过使用该校正方法，将星图中的所有导航星校正到同一行曝光时刻，解算该时刻星敏感器姿态，提高了在星点运动条件下的卷帘曝光星敏感器的姿态测量精度。

本发明技术方案如下：一种基于平均速度的卷帘曝光星敏感器星点位置校正方法，包括：

步骤(1)、利用连续两帧卷帘曝光星图(设为第q帧和第q+1帧)，解算图像中n个对应星点沿图像水平(x)和竖直(y)方向运动的平均速度

首先设置星敏感器为卷帘曝光模式，并获取卷帘曝光模式下的连续两帧(设为第q帧和第q+1帧)星图。其中已知星图宽为w列，高为h行。设置星敏感器卷帘曝光模式为：每行曝光时长为tr，图像每行曝光起始时刻间隔为δt，图像第k帧第h行曝光起始时刻与第k+1帧第1行曝光起始时刻间隔为δt。

提取在第q帧星图中n个星点的质心坐标集同时提取在第q+1帧图像中对应的n个星点质心坐标集

两帧星图中对应星点i在两帧星图间运动时间为(h-yi^q+yi^q+1)*δt，则第q+1帧星图中星点i的速度分别为：

其中，vxi、vyi分别表示第q+1帧星图中星点i沿着星图x、y方向的速度，δt为图像每行曝光起始时刻间隔。

则导航星点沿x，y方向的移动平均速度为：

其中，n为星点个数，vxi、vyi为星点i沿着星图x，y方向的速度；

步骤(2)、以第q+1帧图像第k行((0≤k≤h))起始曝光时刻为基准进行星点质心位置校正，则各星点沿x，y方向的校正量分别是：

则各星点在第k行曝光时刻的真实坐标为：

步骤(3)、验证校正后的星点质心坐标正确性。利用星图中校正的星点质心坐标获取两两星点间的角距实测值，同时根据导航星库中的赤经、赤纬信息，计算两两星点间角距理论值，根据角距实测值和理论值之间的误差，验证校正后星点坐标的正确性。

步骤(4)、根据校正后的星点质心坐标解算获取第q+1帧图像第k行曝光时刻对应的星敏感器姿态。

本发明与现有技术相比的优点在于：提供一种基于平均速度的卷帘曝光星敏感器星点位置校正方法。该方法使用连续两帧星图得到导航星的平均速度，利用卷帘快门成像原理建立平均速度与行间曝光间隔的校正关系，并根据导航星库中赤经、赤纬计算的两两星点理论角距与校正后两两星点的实测角距进行比较，验证校正后星点坐标的正确性。通过将星点校正到第k行曝光时刻，得到该时刻的星敏感器姿态信息，提高了星敏感器的姿态测量精度。该方法计算量小，简便易行，稳定性好。

附图说明

图1为本发明一种基于平均速度的卷帘曝光星敏感器星点位置校正方法具体流程图。

图2为本发明卷帘曝光原理示意图。

图3为卷帘快门从上往下逐行曝光，星敏感器视场向左移动，实线星点为卷帘成像后的实际位置，虚线星点为校正后的位置，图3(a)导航星点以第1行为基准时的校正原理示意图，图3(b)导航星点以中间行为基准时的校正原理示意图。

图4为图4(a)为天球坐标系下的星点间真实角距示意图；图4(b)为导航星探测器平面成像后的角距示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明方法进一步说明。

具体流程如图1所示。以xxx星敏感器产品为例，焦距为24.09mm，像元尺寸大小0.0055mm，视场为20°×20°，星图宽为1526列，高为1555行，设置曝光行与行之间的间隔时间是43.9μs，每行曝光时长为68ms。以星号1101(赤经87.2540169°，赤纬24.5673835°)，星号205(赤经84.411171°，赤纬21.1425082°)，星号165(赤经93.7193706°，赤纬22.5067614°)，星号37(赤经81.5729833°，赤纬28.6073971°)，星号543(赤经83.0532416°，赤纬24.57583°)作为导航星为例，进行进一步说明。

本发明的具体步骤如下：

步骤(1)、利用连续两帧卷帘曝光星图(设为第q帧和第q+1帧)，计算图像中n个对应星点沿图像水平(x)和竖直(y)方向运动的平均速度为：

式中yi^q分别为第q帧星图中第i颗星沿着x方向和y方向的坐标，h为探测器行数，δt为行间曝光间隔。

并求得各导航星点沿x，y方向的移动平均速度为：

步骤(2)、根据卷帘曝光原理，将步骤(1)中得到的星点质心坐标集以第q+1帧图像第k行(0≤k≤h)起始曝光时刻为基准进行星点质心位置校正，则各星点沿x，y方向的校正量分别是：

则各星点在第k行曝光时刻的真实坐标为：

步骤(3)、解算校正后的星点间的角距实测值，并与天球坐标系下角距理论值进行比较，根据角距误差验证步骤(2)校正后星点位置的正确性。所述步骤(3)具体为：

a、根据星库中的导航星点计算理论的各星点间的角距，如图4(a)所示。导航星i和导航星j的赤经、赤纬分别为(α1,β1)和(α2,β2)，则导航星i，j在天球坐标系下的角距为：

式中是第i颗星的方向矢量，是第j颗星的方向矢量。

b、计算卷帘成像星点校正后的实测角距，如图4(b)所示。卷帘成像校正后的导航星i和j坐标为(xti,yti)和(xtj,ytj)，则导航星i，j在星敏感器坐标系下的实测角距为：

式中是第i颗星的方向矢量，是第j颗星的方向矢量，(x0,y0)为星敏感器主轴中心在成像平面上的坐标。

将校正后星点的实测角距和天球坐标系下导航星点理论角距进行比较，根据角距误差验证该校正方法的正确性。在星点平均移动速度为x方向38pixel/s，y方向38pixel/s；在x方向380pixel/s，y方向380pixel/s时，天球坐标系下星点间理论角距、卷帘成像后的校正前、后角距、校正后与理论角距之间的误差如表1、表2、表3、表4所示。表1星点移动平均速度为x方向：38pixel/s，y方向38pixel/s，校正到第1行时的天球坐标系下星点间理论的角距、卷帘成像后的实际角距、校正后的角距、校正后与理论角距之间的误差以及第1行曝光时刻的星敏感器姿态。表2星点移动平均速度为x方向：38pixel/s，y方向38pixel/s，校正到中间行时的天球坐标系下星点间理论的角距、卷帘成像后的实际角距、校正后的角距、校正后与理论角距之间的误差以及中间行曝光时刻的星敏感器姿态。表3星点移动平均速度为x方向：380pixel/s，y方向380pixel/s，校正到第1行时的天球坐标系下星点间理论的角距、卷帘成像后的实际角距、校正后的角距、校正后与理论角距之间的误差以及第1行曝光时刻的星敏感器姿态。表4星点移动平均速度为x方向：380pixel/s，y方向380pixel/s，校正到中间行时的天球坐标系下星点间理论的角距、卷帘成像后的实际角距、校正后的角距、校正后与理论角距之间的误差以及中间行曝光时刻的星敏感器姿态。

步骤(4)、在验证步骤(2)方法的合理性后，以第1行曝光时刻，解算一次星敏感器姿态，如表1、表3所示，以中间行曝光时刻解算一次姿态，如表2、表4所示。

表1x方向：38pixel/s，y方向38pixel/s，校正到第1行

表2x方向：38pixel/s，y方向38pixel/s，校正到中间行

表3x方向：380pixel/s，y方向380pixel/s，校正到第1行

表4x方向：380pixel/s，y方向380pixel/s，校正到中间行

本发明未详述部分属于本技术领域的公知技术。以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。