一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法

提出一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法。该方法在提取恒星星像坐标过程中,不必利用当前图像下一列坐标的灰度值和当前列下一行坐标的灰度值,而仅仅采用当前图像当前行的上一列坐标的灰度值以及当前列的上一行坐标的灰度值,A/D转换成数字量后,把星图图像保存到SRAM和提取恒星星像坐标两个过程并行。实验结果表明,采用该方法不仅能够准确提取恒星星像坐标,而且能够进一步提高坐标提取的实时性,满足星敏感器并行流水工作模式的要求。     

一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法

为了提高星敏感器的数据更新率,必须减少星像坐标的提取时间。在提取星像坐标的过程中,现有基于FPGA的方法虽然避免了星图保存和读取过程,然而需要高性能的FPGA才能实现。为此提出了一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法,将逐个像素聚类的方式优化成像素队列聚类的方式,实现了对恒星星像坐标的实时提取,可以解决现有的实时提取星像坐标方法中像素输出时钟与处理时钟不匹配的问题,达到1个时钟周期处理完1个像素的目的,从而减少了星像坐标的提取时间,提高了星敏感器的实时性。最后把该方法嵌入到某星敏感器系统中,实验结果表明,与现有基于FPGA的实时提取星像坐标方法相比,在相同工作频率且不降低星像坐标提取精度的前提下,提取时间仅为现有方法的21.1%,数据更新率提高了近5倍。因此,该方法不但具有实时性,而且具有较好的鲁棒性。     

一种基于Sobel算子的星敏感器星图预处理方法

星敏感器在太空环境下工作时容易受到杂散光的干扰,对星图进行二值化后直接采用质心法难以从星图中提取恒星星像坐标.针对上述问题,提出了一种基于Sobel算子的星敏感器星图预处理方法,用于提取星像坐标.首先采用Sobel算子计算星图中所有像素的梯度,保留所有大于阈值的像素梯度作为新的星图,然后以新的星图作为样板通过质心法从原始星图中提取恒星星像.由于杂散光干扰信号在星图中表现为缓慢信号,这些信号计算的梯度很小,因此通过Sobel算子计算后新的星图只有恒星星像.该方法能够消除星图中的杂散光干扰信号,使星图中只保留恒星星像信息,提高恒星星像坐标提取精度,具有较好的鲁棒性.     

亮星辅助下基于坐标转换的快速星图识别方法

数字天顶仪作为一种地面使用的星敏感器，主要用于高精度定位。为提高仪器的工作效率需要对星图识别的快速性进行研究。通过对恒星像点理论坐标与图像坐标的分析，构建坐标转换模型。依据星表中恒星的分布及星等筛选出视场范围内的亮星，并构建导航星表。结合导航星表完成3颗亮星的准确识别，在识别亮星的基础上解算坐标转换模型的参数。通过构建的坐标转换模型对视场范围内的恒星进行坐标转换，将转换后的星点坐标与提取的星点图像坐标进行匹配完成星图的识别，这样能够提高星图识别的快速性。实验数据表明：在保证识别星点数量的基础上，采用亮星辅助下基于坐标转换的星图识别方法使时间缩短为改进三角形星图识别算法的五分之一。     

惯性平台中星敏感器安装误差标定方法研究

提出了一种基于星光/惯性平台系统中星敏感器安装误差的地面标定方法,利用高精度的星模拟器,模拟远处恒星,将星敏感器主光轴对准星光,通过测量恒星与平台台体六面体的位置坐标,经过坐标转换后,对比得到星敏感器在惯性平台中的安装误差.实验数据表明,该方法可准确测量出星敏感器在星光/惯性平台中的安装误差角,实现误差的精确标定.     

高轨目标掩星成像相位恢复技术研究

高轨目标掩星成像通过观测高轨卫星对恒星的遮掩过程,实现对高轨目标的成像.该方法采用望远镜线性阵列观测高轨目标遮掩恒星过程中恒星亮度变换,获得高轨目标在地面的投影,通过相位恢复方法可计算得到卫星轮廓图样,具有成像分辨力高,设备制造难度小等优点,在高轨目标成像领域具有较好应用前景.本文分析利用掩星成像方法对高轨目标成像的可行性,重点对掩星成像过程的相位恢复方法进行改进,根据掩星成像特点对输入输出算法进行优化,仿真结果表明：改进后的相位恢复方法可显著提高图像恢复质量和掩星成像方法的空间分辨力.     

白天大气层内星敏感器观星能力分析

利用星敏感器进行白天大气层内观星,首先要解决的问题是强天空背景的干扰。通过对白天天空背景和不同光谱恒星的特点进行分析,提出了光谱滤波和偏振成像加形态学滤波和多帧图像累加的技术路线,综合利用光学方法和图像处理方法提高观测对比度和信噪比。给出了白天观星的信噪比模型,并在不同天空背景偏振度条件下,得出了G、K、M光谱恒星的0至5等星的单帧图像信噪比和对应的使CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)接近饱和的极限曝光时间。结果表明:星等值越低,天空背景偏振度越大,则信噪比越高;同等条件下,信噪比由小到大依次为G、K、M光谱恒星;而对于低信噪比的图像,通过多帧累加后可满足观测的要求。     

一种小型化分体式星敏感器的设计

星敏感器是以恒星为参照系,以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置,提供准确的空间方位和基准,具有高精度、无漂移、工作寿命长等特点,可与惯性仪表组成复合导航.针对小体积、高精度的应用需求,重点概述了星敏感器小型化分体式结构设计、光学系统设计、星像提取和星图识别等关键技术,为小型化星敏感器研制提供了设计思路.     

一种面向对缝测量的双线结构光光条中心提取方法

针对双线结构光对缝测量系统中光条中心的提取问题,提出一种基于自适应阈值和傅里叶拟合的光条中心亚像素提取方法。该方法根据双线结构光光带截面灰度呈近似周期性分布的特点,先采用骨架细化法获得条纹中心初始位置,再通过均方灰度梯度求取骨架上每一点的法线方向,然后采用自适应阈值法提取出条纹各列法向宽度值,最后利用条纹法向宽度内的灰度值数据进行傅里叶拟合,求取拟合曲线的峰值,连接峰值点得到光条的中心线。试验结果表明,该方法提取的光条中心点到中心点拟合直线的平均距离为0.1182个像素和0.1428个像素,优于骨架细化法和高斯拟合法,并且该方法能够一次完成两根结构光光条中心的精确提取,对缝的测量精度能够达到0.04mm。     

一种改进的星图降噪算法研究

在星敏感器的使用过程中，由于外界环境的影响及传感器自身的限制，拍摄出来的星图不可避免地存在一些噪声，因此对星图进行去噪处理是一项非常重要的工作。针对传统高斯模板滤波存在的引入邻域噪声、无法自行根据星图特性修正等造成去噪效果不好的问题，提出了一种改进的星图降噪算法。该方法在滤波前先进行坏点剔除工作，并采用高斯低通滤波与高通滤波结合的方式对图像进行处理，在抑制噪声的同时有效地保留了星点信号。通过阐述星敏感器的工作原理，分析星图的噪声特性，对星图滤波去噪算法进行研究，并进行模拟星图影像提取星点坐标实验。结果表明：使用该算法进行滤波比传统的高斯滤波算法提取的质心坐标精确度更高，较传统方法横坐标提高0.00538个像素点，纵坐标提高0.0077个像素点，证实了图像处理算法的有效性。     

一种快速的星敏感器星跟踪方法研究

阐述了星敏感器中星跟踪方法的重要性,指出了目前国内外星跟踪方法的不足。针对这些不足,提出了一种全新的、快速的星跟踪方法。新的跟踪方法采用现场可编程门阵列(FPGA)实现了实时的星点定位;正是由于这种技术的采用,加快了星点位置信息的获取,摈弃了跟踪窗的跟踪方法,采用简单的匹配识别的跟踪方法;对于新星的识别,由于有初始姿态而采用匹配组的识别方法。最后给出了星跟踪过程的实验结果。     

星点图像的目标提取算法研究

对于星点灰度重心法等亚像素提取算法来说,需要提取星点区域内的每一个像素。基于扫描的边界搜索法只能获取目标的边界像素,文中对其进行了扩展,通过判断边界像素中最大最小行列数来确定目标区域的具体范围,从而提取目标区域内的每一个像素。针对大视场星点图像目标范围小、相互间距离远的特点,为减小计算量,提出了基于视框搜索的目标提取算法。通过实验证明,基于视框的算法在计算量上比基于边界搜索的算法减少3/4。     

基于卡尔曼滤波的星敏感器在轨校准方法

根据星敏感器光学镜头以径向畸变为主的特点,采用一阶径向畸变模型,利用摄像机标定中的径向排列约束(RAC),对其外部姿态和内参数进行在轨校准。以采集到的星点的图像坐标和对应导航星在天球坐标系下的赤经、赤纬信息作为滤波器的输入,外部姿态和内参数作为输出,构造相应的状态方程和观测方程,进行两次卡尔曼滤波迭代,结果作为校准参数的最优估计。仿真实验表明:本方法能消除内部参数与外部参数的耦合,校准过程不依赖外部姿态,且状态方程和观测方程均为线性方程,满足卡尔曼滤波迭代的最优条件,能够精确估计出星敏感器内外参数,在星点成像位置噪声标准差为0.05像素时,校准后x、y方向上的平均误差分别为0.044像素和0.049像素。     

Rapid Star Tracking Algorithm for Star Sensor

A rapid star tracking algorithm is proposed. In order to speed up the tracking, three techniques includng parallel star centroiding, sorting, and star catalogue partition are designed for three time-consuming portions in tracking algorithms. The parallel star centroiding is implemented with Field Programmable Gate Array (FPGA) which avoid image storage and transmission. Update rate of star sensor is improved. Sorting star coordinates in star image plane, and then matching, which avoid matching between stars with a long distance in image plane. Star catalogue partition divides the celestial sphere into many small partitions. In star mapping, guide stars are searched in the partitions near the direction of star sensor's boresight is not in the whole celestial sphere and therefore reduced the total number of searched guide stars. The software and hardware performance of tracking algorithms are simulated. Tracking robustness and the tracking speed comparison are tested in the software simulation. In hardware tests, the tracking time in every step is obtained.     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

基于帧间角距匹配的跟踪模式星图识别

为了提高星敏感器的跟踪匹配速率,提高星敏感器姿态更新率,本文提出了一种基于帧间角距匹配的跟踪模式星图识别方法.该方法充分利用上一时刻的角距匹配信息构建了一个实时跟踪星库,并把当前时刻的角距信息在实时跟踪星库中进行匹配识别,识别成功后利用识别时用到的信息对实时跟踪星库进行更新.仿真实验表明,该方法具有匹配时间短、匹配成功率高的优点.