一种编码成像星敏感器、动态测量精度提升方法和系统

本发明涉及星敏感器，具体涉及一种编码成像星敏感器、动态测量精度提升方法和系统。

背景技术：

1、星敏感器通过观测恒星来实现姿态测量。具体来说，星敏感器的姿态测量过程主要可以分为5个步骤：采样、检测、定位、识别与解算。采样：探测器对恒星曝光获得星图；检测：从星图中获取恒星连通域信息；定位：根据星点连通域图像计算图像坐标系中心坐标；识别：根据星点图像坐标识别星号；解算：结合星表中的恒星参考矢量解算姿态。星敏感器的姿态测量精度取决于恒星观测矢量精度，而恒星观测矢量精度又取决于星光的图像定位精度。(张广军著.星图识别[m].北京：国防工业出版社,2011)

2、在静态应用场景下，星光成像效果较好，因而图像定位精度较高，使得星敏感器成为航天领域中具有最高精度的自主姿态测量仪器。而随着近年来航天器向着更高动态方向不断发展，在高动态条件下，恒星在星敏感器中成像形成拖尾星条，动态下的星光图像定位精度大大下降。

3、为了解决该问题，现有研究者对检测、定位两个步骤展开了大量的研究。在检测方面，传统的阈值法及自适应阈值法直接利用给定阈值比较图像灰度级来确定星连通域。图像复原类方法、图像增强类方法与神经网络类方法则在更低的探测信噪比极限、更高检测率、更高连通域检测准确度上得到了发展，并在动态条件下取得了一定的效果。(吴州平.全天时星敏感器星图信噪比增强与星点提取研究[d].长沙:国防科技大学,2018；万晓伟.基于空时信息融合的星敏感器星点提取与质心定位方法研究[d].北京:北京航空航天大学,2021.)在定位方方面，质心类方法以连通域内各个像素灰度作为权值对图像坐标进行加权平均，从而得到星点的图像中心。拟合类方法通过建立星光点扩散函数并在星图中进行曲面拟合，从而得到星点的图像中心坐标。(贾辉.高精度星敏感器星点提取与星图识别研究[d].长沙:国防科学技术大学,2010；马晓蕾.星点高精度细分定位算法研究[d].北方工业大学,2017)与之相比，质心类方法在实时性、鲁棒性等方面仍然具有无可代替的优势，因而当前高动态星敏感器的星光定位方法仍以质心类方法为主。

4、事实上，星敏感器的采样步骤也是影响星光图像定位精度的关键因素。现有成像体制下的星图采样为常规曝光采样，图像探测器在一段连续时间内对恒星进行感光，得到动态拖尾星图。针对这种常规曝光采样方式的高动态星敏感器，文献在不同条件下分析了曝光时间对定位精度的影响，并给出了最优曝光时间。(闫劲云.高动态高更新率星敏感器技术研究[d].北京:北京航空航天大学,2017.)而随着图像探测器技术的发展，一种编码曝光技术已经在某些器件上实现。编码曝光将传统的一次曝光依据特定编码扩展为多重曝光再输出图像，可以使得图像保留一定的时间信息，已经成为解决日常场景图像的动态模糊问题的一种有效手段。(李响.时间编码曝光成像与图像复原研究[d].大连理工大学,2022)在高动态星敏感器中使用编码曝光技术拍摄星图，可以将长拖尾星条变为几个间断的短星条。

5、文献(江洁，于文波，张广军.一种像增强型星敏感器的多重曝光成像方法[p].中国专利：cn106197402b,2016.12.07)利用像增强器快门实现了类似效果，在一张星图中等间隔的拍摄了多个星点，将星图按曝光时间段拆分，单独处理并计算姿态，从而在一定程度上提高了星敏感器的更新率。但该文献并没有利用编码曝光技术来解决定位精度问题。

6、其实，编码曝光的星图采样需要在同一帧中多次控制快门的开闭，采样过程实质上为星图引入了时间信息。因此，如能合理利用这种信息，为星点定位增加时域约束，则有望进一步提高定位精度。从另一角度看，编码曝光的星图采样等效于多次常规采样。从这种意义上来讲，多次采样后的融合测量精度应该是优于单次测量的。但编码曝光对定位精度的影响仍然缺乏理论分析。

技术实现思路

1、本发明提供了一种编码成像星敏感器、动态测量精度提升方法和系统。首先，本发明提出了一种星敏感器编码成像的实现方式。在此基础上，本发明研究了编码星条的能量分布模型，进而建立了编码质心法定位误差模型，分析了误差来源与关键参数。根据上述模型，本发明提出了一种最优编码的计算方法，从而最小化动态星光定位误差，解决星敏感器的动态测量精度问题。

2、本发明的第一方面提供了一种编码成像星敏感器，包括：

3、编码生成器，用于生成最优编码；

4、所述编码生成器包括：通讯单元，用于读取前一帧的姿态测量值及其他必要信息，输出生成的编码；处理单元，根据姿态测量值及其他限定条件，计算得到最优编码；存储单元，用于存储所述方法的程序、数据及所述程序执行中所需存储的变量；

5、编码采样器，用于采集编码星图；

6、所述编码采样器包括：光学镜头，用于聚焦一定视场范围内的星光，使其成像于编码图像探测器表面；编码图像探测器，具有编码曝光功能，用于敏感星光能量并依据给定编码进行多次间断曝光；编码成像驱动器，用于根据编码生成器所生成最优编码发生图像探测器成像时序并采集图像探测器输出图像；

7、信息处理器，用于处理星图并计算姿态测量值；所述信息处理器包括：处理单元，用于执行所述方法的程序；存储单元，用于存储执行所述方法的程序、数据及所述程序执行中所需存储的变量；通讯单元，用于获取编码采样器的图像，并输出姿态测量值及其他信息。

8、本发明的第二方面提供了一种编码成像星敏感器动态测量精度提升方法，包括如下步骤：

9、步骤s100，建立编码星光定位误差模型，用于估计不同编码的定位误差，编码星光定位误差模型包括编码星光能量分布模型和定位误差模型；

10、步骤s200，最优编码计算，用于计算给定条件下的最优编码。

11、进一步的，所述步骤s100包括：

12、步骤s110，建立编码星光能量分布模型，根据星敏感器参数计算编码星光在图像探测器上的能量分布；

13、步骤s120，建立定位误差模型，根据给定编码及星光参数，计算定位误差的理论值。

14、进一步的，所述步骤s200包括：

15、精确最优编码计算，根据给定条件计算最优编码，最小化定位误差；

16、保守最优编码计算，根据给定条件计算最优编码，在最大化星点信噪比的前提下，最小化定位误差。

17、进一步的，步骤s120中，

18、当设置曝光编码使得编码星条图像的间隔距离不小于一定阈值时，星光编码段所对应连通域被完全分开,在这种条件下，基于灰度质心法的编码质心定位方法分为三步：

19、第一步，根据给定阈值对图像进行阈值处理并提取每个星光编码段的连通域，记第i个星光编码段的连通域为ci；

20、第二步，利用灰度质心法根据连通域提取结果分别独立计算每个星光编码段的图像中心坐标，记第i个星光编码段的中心坐标测量值为计算公式为：

21、

22、式中，ci为第i个星光编码段的星点连通域，i′(x,y)为图像灰度级，vth为灰度阈值；

23、对于任意像素，其灰度级可以看作是星光在该像素上的能量f(x,y)、图像偏置b与0均值高斯噪声n(x,y)～n(0,σ2)，即：

24、i′(x,y)＝f(x,y)+b+n(x,y)

25、对于动态拖尾星点，其能量分布函数f(x,y)可以计算为：

26、f(x,y)＝κtσ·flssf(x,y)

27、式中σ为图像噪声，κ为本发明定义的灰度功噪比(pnr)，即单位

28、时间内恒星在图像中的总灰度级与噪声的比值：

29、

30、式中ftotal为星光图像总灰度，t为曝光时间；

31、第三步，根据每个星光编码段的图像中心坐标计算编码星条总中心坐标计算公式为：

32、

33、式中ωi为权重系数，满足：

34、

35、进一步的，步骤s200中，

36、根据求得编码段数k条件与中心拖尾长度lh(k)条件下的定位误差，得到精确最优编码计算方法，根据给定条件计算最优编码，最小化定位误差：

37、

38、根据给定条件计算保守最优编码，在最大化星点信噪比的前提下，最小化定位误差：

39、

40、式中b(·)表示取不大于该值的最大整数。

41、本发明的第三方面提供了一种编码成像星敏感器动态测量精度提升系统，包括：

42、编码星光定位误差模型建立模块，用于估计不同编码的定位误差，编码星光定位误差模型包括编码星光能量分布模型和定位误差模型；

43、最优编码计算模块，用于计算给定条件下的最优编码。

44、进一步的，编码星光能量分布模型中，根据星敏感器参数计算编码星光在图像探测器上的能量分布；

45、定位误差模型中，根据给定编码及星光参数，计算定位误差的理论值。

46、进一步的，最优编码计算模块包括：

47、精确最优编码计算模块，根据给定条件计算最优编码，最小化定位误差；

48、保守最优编码计算模块，根据给定条件计算最优编码，在最大化星点信噪比的前提下，最小化定位误差。

49、本发明的技术方案能够实现如下有益的技术效果：

50、本发明实质上在采样过程为星图引入了时间信息，从而利用这种信息，为星点定位增加时域约束，从而提高定位精度。

51、由于本发明提高定位精度的原理与星点检测与定位算法无关，因而本发明可以在任意给定的星点检测与定位算法下，通过改变成像方式来提升星敏感器的动态测量精度，大幅改善星敏感器在动态条件下姿态精度低的问题。