一種提高aps星敏感器動態(tài)性能的方法
【專利摘要】一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，本發(fā)明步驟：(1)根據(jù)星光的光電轉(zhuǎn)換傳遞路徑，建立星敏感器基于恒星能量、通光孔徑、量子效率、運動角速度、信噪比等參數(shù)的動態(tài)性能分析模型，分析確定積分時間、靈敏度、視場中恒星探測概率等動態(tài)性能參數(shù)；(2)根據(jù)運動角速度、視場、圖像探測器分辨率、星點擴散函數(shù)等因素確定APS積分時間；(3)圖像探測器的卷簾式快門在大運動角速度情況下，對星圖恒星對角距有較大影響，針對APS特有的卷簾式快門積分方式，設計星點位置補償修正方法；(4)設計星敏感器雙幀星圖處理模式，根據(jù)兩幀星圖星點位置，在更高角速度情況下，對航天器角速度進行估計。本發(fā)明提高了APS星敏感器動態(tài)性能。
【專利說明】一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種提高APS (有源像元敏感器)星敏感器動態(tài)性能設計方法，適用于空間飛行器用恒星敏感器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著空間技術(shù)的發(fā)展，航天器的指向精度也有了越來越高的要求，姿態(tài)測量敏感器是衛(wèi)星高精度和高穩(wěn)定度的重要保證。星敏感器是衛(wèi)星控制系統(tǒng)中的重要姿態(tài)測量敏感器之一，應用范圍廣泛。它以天空中的恒星作為觀測基準，是現(xiàn)階段精度最高的姿態(tài)測量敏感器，其姿態(tài)的測量精度可達角秒級甚至更高。
[0003]星敏感器中，APS星敏感器是未來星敏感器的發(fā)展趨勢。星敏感器動態(tài)性能指其在動態(tài)條件下捕獲姿態(tài)的能力，即在某一正確識別率時，星敏感器能正常工作對應的飛行器最大角速度，動態(tài)性能是衡量星敏感器性能中的一項關(guān)鍵指標，星敏感器具有高動態(tài)性能可直接提升航天器的機動性和適應性，更好的滿足復雜空間環(huán)境下衛(wèi)星姿態(tài)控制的需求。
[0004]目前星敏感器存在動態(tài)性能較低的問題，大約為0.6° /s?1.0° /s，星敏感器動態(tài)性能與視場、積分時間、光學系統(tǒng)通光孔徑及星點擴散函數(shù)、探測器量子效率、星圖信噪t匕、星點提取定位算法及星圖匹配算法軟件等因素密切相關(guān)。目前有很多對星敏感器的研究，目前已經(jīng)有的成果:
[0005]李曉，趙宏，盧欣.動態(tài)情況下星敏感器探測靈敏度研究[J].空間控制技術(shù)與應用.2010 ； (01):37-41.[0006]郭賀，鄧年茂，羅長洲.動態(tài)因素對星敏感器測星影響的分析[J].航天控制.2008 ； (06):38-41+6.[0007]沈本劍，譚吉春，楊建坤，廖家莉.星敏感器曝光時間的優(yōu)化[J].光電工程.2009 ；(12):22-6
[0008]龔德鑄，武延鵬，盧欣.一種提高星敏感器動態(tài)性能的方法[J].空間控制技術(shù)與應用.2009 ； (06):19-23.[0009]李葆華，陳希軍，鄭循江，泮宏梁.星敏感器高動態(tài)下自主星跟蹤算法[J].紅外與激光工程.2012 ；(01):190-5.[0010]金雁，江潔，張廣軍.高動態(tài)星體目標提取方法[J].紅外與激光工程，2011，40(11)
[0011]蔣明，喻明艷，王進祥等.適用于高機動性星敏感器的星像坐標提取方法[J].微電子學與計算機，2009，26 (7)
[0012]但是以上的星敏感器動態(tài)性能研究成果都無法達到令人滿意的程度，均沒有建立APS星敏感器動態(tài)性能分析模型、沒有系統(tǒng)性對提高APS星敏感器動態(tài)性能和不同角速度下最佳積分時間進行分析從而提高APS星敏感器動態(tài)性能，因此需要研究一種全面有效地提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，實現(xiàn)了 APS星敏感器動態(tài)性能分析模型的建立、并在此模型的基礎(chǔ)上有效地分析提高APS星敏感器動態(tài)性能的因素及方法。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0015]一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，步驟如下:
[0016]建立星敏感器動態(tài)性能分析模型，并在此模型下根據(jù)不同角速度下的探測靈敏度、視場內(nèi)平均恒星數(shù)量、視場中恒星探測概率確定星敏感器動態(tài)性能范圍；根據(jù)星敏感器動態(tài)性能分析模型及動態(tài)性能范圍確定的以下任意一種方法或者任意方法的組合均能提高APS星敏感器動態(tài)性能:
[0017](I)根據(jù)角速度確定APS星敏感器的最佳積分時間,最佳積分時間確定方法如下:
[0018]采用散焦的方法使恒星星像在相鄰的像元上形成一個彌散斑，利用式(I)計算得到APS星敏感器的最佳積分時間:
【權(quán)利要求】
1.一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，其特征在于步驟如下: 建立星敏感器動態(tài)性能分析模型，并在此模型下根據(jù)不同角速度下的探測靈敏度、視場內(nèi)平均恒星數(shù)量、視場中恒星探測概率確定星敏感器動態(tài)性能范圍；根據(jù)星敏感器動態(tài)性能分析模型及動態(tài)性能范圍確定的以下任意一種方法或者任意方法的組合均能提高APS星敏感器動態(tài)性能: (1)根據(jù)角速度確定APS星敏感器的最佳積分時間，最佳積分時間確定方法如下: 采用散焦的方法使恒星星像在相鄰的像元上形成一個彌散斑，利用式(I)計算得到APS星敏感器的最佳積分時間:
其中，Θ為APS星敏感器視場；Naps為圖像探測器行列方向的像元分辨率，設定APS行列方向分辨率相同；AR為星敏感器光軸方向角速度； (2)對APS星敏感器星點位置坐標進行補償修正，在星圖識別之前，根據(jù)星敏感器角速度將提取的星圖星點位置相對于每幀曝光時間中心時刻位置進行修正，根據(jù)修正后的星點位置進行星圖識別和姿態(tài)確定； (3)對APS星敏感器雙幀星圖進行處理，通過降低兩幀星圖之間的時間間隔和星點位置偏移，然后根據(jù)兩幀星圖星點位置對星敏感器角速度進行估算完成雙幀星圖處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一`種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，其特征在于:所述的動態(tài)性能分析模型建立方法為:根據(jù)恒星星光的光電轉(zhuǎn)換傳遞路徑、恒星星等能量、光譜、光學系統(tǒng)通光孔徑、透過率、探測器光譜響應曲線、量子效率、星點擴散函數(shù)、角速度、探測器讀出噪聲及暗電流、信噪比建立動態(tài)性能分析模型: Spixel-k2 XSxel+^dsnu +^ead) =O(2)

N 其中，ε pixel為Mv星等的恒星星光在動態(tài)條件下，即AR XL X—21時，通過光學



Θ系統(tǒng)到達探測器像面，在每個像元上產(chǎn)生的光生電子數(shù):
πΟ2
^ θ Enixel =-— X QE X — X--( 3 ) —?χ?he AR X Naps 其中，k為星圖星點提取的臨界信噪比；ndaA為像素在一幀圖像積分時間內(nèi)的暗電流噪聲、ndsnu為APS星敏感器的暗電流不一致性噪聲、nread為讀出噪聲；HMv為動態(tài)條件下星等為Mv的恒星在地面的功率密度；D為光學系統(tǒng)的通光孔徑；η為光學系統(tǒng)的透過率；ΤΜ為APS圖像傳感器的積分時間；λ為恒星波長；QE為APS圖像傳感器的量子效率和填充因子乘積；h為普朗克常數(shù)；c為光速；1X1為星點擴散像素面積；ndsnu和riread可由APS手冊查詢，ndark的計算過程為: nJdaA XTM xWixel Χ?Ο-18dark^(4) 其中，1-k為APS星敏感器暗電流，單位為PA / mm2 ;C為單個電子的電量Npixel為星敏感器中圖像探測器像元陣列大?。? ε Μν0為星等Mv=O時的恒星星光在動態(tài)條件下，通過光學系統(tǒng)到達探測器像面，在每個像元上產(chǎn)生的光生電子數(shù):
其中，Hmvci為恒星MvO在地面的功率密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，其特征在于:所述不同角速度下的探測靈敏度、視場內(nèi)平均恒星數(shù)量、視場內(nèi)恒星探測概率的確定方法: (1)不同角速度下的探測靈敏度 由公式(3)計算出不同角速度下Mv星等恒星在地面的功率密度Hmv，進而由式(6)計算出不同角速度下的探測靈敏度，即為不同角速度下的可探測的最暗恒星星等Mv:
(2)不同角速度下的視場內(nèi)平均恒星數(shù)量 根據(jù)不同角速度下的可探測的最暗恒星星等Mv計算不同角速度條件下星敏感器視場內(nèi)平均恒星數(shù)量Nfw:

(3)不同角速度下的視場內(nèi)恒星探測概率 星敏感器通過至少三顆以上恒星星圖識別完成姿態(tài)確定，根據(jù)不同角速度條件下星敏感器的探測靈敏度對天區(qū)進行全天球遍歷掃描，得到一個固定角速度下星敏感器視場中探測到三顆恒星概率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，其特征在于:所述步驟(2)中星點中心位置坐標補償修正方法，根據(jù)星敏感器動態(tài)分析模型確定星敏感器的積分時間、像元分辨率和視場，星敏感器采用上述參數(shù)后進行星圖采集，對采集后的星圖的星點中心位置坐標補償修正方法如下: (a)按照星點位置未補償修正前的計算方法，計算星點的位置坐標； (b)設星點的位置坐標為(Ui,Vi)，能量為&對星點u方向位置坐標進行修正: 其中，VU、VV為APS星敏感器角速度分解為星敏感器光敏像面的行列方向的角速度，(U，Vi)為修正后的行列坐標。 (C)利用內(nèi)插算法按式(9)-(12)求星點的重心坐標:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，其特征在于:所述步驟(3)中的星敏感器雙幀星圖處理方法，根據(jù)星敏感器動態(tài)分析模型確定星敏感器的積分時間、像元分辨率和視場，星敏感器采用上述參數(shù)后進行星圖采集后對星敏感器雙幀星圖進行處理，具體步驟如下: (1)計算星點矢量 根據(jù)星點重心坐標(U，V)，得到入射星點矢量在星敏感器本體坐標系中的矢量(X，y,ζ):
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高APS星敏感器動態(tài)性能的方法，其特征在于:所述的彌散斑大小為3~5個 像素。
【文檔編號】G01C21/24GK103487058SQ201310403237
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】鐘紅軍, 楊君, 李曉, 王龍, 盧欣, 李玉明, 李春江, 程會艷, 高益軍 申請人:北京控制工程研究所