基于电注入星图的星敏感器功能测试方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于电注入星图的星敏感器功能测试方法，该方法包括：对卫星运动的轨道参数和姿态进行仿真计算，并模拟生成星敏感器所拍摄的星图图像；以星点为中心，将星图局部更新传输；将局部更新一一在星敏感器的星图背景叠加，并进行星点定位、星图识别及解算姿态；检验星敏感器的星图识别和姿态解算的结果是否正确。本发明还公开了相应的装置。本发明星图的更新率高，能模拟星敏感器的在轨状态，可以和整星系统一起进行地面仿真实验，且不依赖于其他外部设备，对使用环境无特别要求，通用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及星敏感器测试技术，特别是一种基于电注入星图的星敏感器功能测试方法及装置。

背景技术

星敏感器是一种利用恒星观测，为空间飞行器提供高精度姿态信息的航天测量仪器，其工作原理为：星敏感器前端摄像头单元利用电荷耦合器(CCD，Charge Coupled Device)或互补性氧化金属半导体(CMOS，Complementary MetalOxide Semiconductor)图像传感器拍摄得到星图图像，经过图像处理程序得到恒星像点的质心坐标和亮度的信息，之后星图识别程序利用获得的信息在导航星库中找到对应的恒星，最后计算出星敏感器的三轴姿态。

一般，在星敏感器投入使用前，必须进行一系列的地面功能测试，用以检验其各部分功能的有效性和可靠性。通常的地面功能测试方法主要有两种：一种方法是借助星场模拟器来进行功能测试，其基本方法是用星场模拟器模拟无穷远的星空，星敏感器通过观测模拟的星空图像进行识别和姿态计算。该方法的缺点在于星场模拟器价格昂贵，且星场模拟器必须与星敏感器相匹配，通用性不强。另一种比较常用的地面功能测试方法是外场观星测试，即在室外的实际星空下测试，该方法虽然不需要对星空进行模拟，比较简单易行，但是受天气等因素影响较大，无法保证随时测试的需求，也无法模拟星敏感器的在轨状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于电注入星图的星敏感器功能测试方法及装置，不仅测试简单易行、通用性强，且不受天气因素影响、随时可以进行测试、成本低。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于电注入星图的星敏感器功能测试方法，该方法包括：

A、对卫星运动的轨道参数和姿态进行仿真计算，并模拟生成星敏感器所拍摄的星图图像；

B、以星点为中心，将星图局部更新传输；

C、将局部更新一一在星敏感器的星图背景叠加，并进行星图识别及解算姿态；

D、检验星敏感器的星图识别和姿态解算的结果是否正确。

步骤A所述模拟生成星图图像进一步包括：

A1、根据卫星的轨道动力学方程计算当前时刻的卫星轨道参数；

A2、根据计算出的当前时刻的卫星轨道参数计算卫星质心轨道坐标系相对于地心惯性坐标系的方向余弦矩阵C_oi；

A3、根据卫星运动的角速度，计算出当前时刻星本体坐标系相对惯性坐标系的方向余弦矩阵C_si；

A4、根据星敏感器在卫星上的安装角，计算出当前时刻星敏感器坐标系相对于惯性坐标系的方向余弦矩阵C_mi；

A5、根据透视投影变换计算得到模拟星图；再根据模拟星图中的星点坐标和星等生成数字星图。

步骤C进一步包括：

C1、将接收到的局部星图数据与星敏感器星图存储区的星图背景相叠加，得到一帧包含背景和星点的完整的数字星图；

C2、对得到的星图图像进行预处理，提取星图图像内星点的质心坐标和星点的亮度信息；

C3、根据所述星点质心坐标和星点亮度信息进行星图识别和跟踪；

C4、根据所述星图识别和跟踪结果，解算星敏感器姿态。

所述局部更新具体为：

B1、设置星点中心的邻域像素大小、视场内选取的恒星颗数；

B2、每次只更新视场内选取各恒星周围邻域的图像数据，并传输至星敏感器。

一种基于电注入星图的星敏感器功能测试装置，该装置包括第一计算机、第二计算机和通讯线缆，其中，第一计算机、第二计算机分别通过通讯电缆连接星敏感器，

第一计算机，用于对卫星运动的轨道参数和姿态进行仿真，计算安装在卫星上的星敏感器的姿态，模拟生成相应姿态下星敏感器所拍摄的星图图像，并将星图图像传给星敏感器；

第二计算机，对根据星敏感器传送的识别结果和姿态信息对星敏感器的工作状态进行分析，验证星敏感器电子部件工作的有效性和可靠性。

所述第一计算机包括星图模拟模块、星图局部更新和传输模块、计时器，

星图模拟模块，用于根据卫星运动的轨道参数、星敏感器在卫星上的安装角、成像参数等，模拟数字星图，并发送到星图局部更新和传输模块；

星图局部更新和传输模块，将局部更新的星图传给星敏感器；

计时器，用于提供星图模拟的时间。

所述第二计算机包括结果分析与处理模块，用于对识别和姿态解算的结果进行分析，检验星敏感器星点定位、星图识别以及姿态计算各模块功能的有效性和可靠性。

本发明所提供的基于电注入星图的星敏感器功能测试方法及装置，采用软件仿真方式模拟星敏感器的在轨状态，以全幅星图作为测试信号源，可以对星敏感器电子部件的各部分功能进行全面测试，不依赖于其他外部设备。本发明具有如下优点：

1)采用电注入星图的方式，以全幅星图作为测试信号源，可以实现星敏感器星点定位、星图识别，姿态计算等各部分功能的全面测试。

2)采用局部星图更新的方式，星图的更新率可以达到20Hz。

3)本发明的测试方法能模拟星敏感器的在轨状态，接近星敏感器的真实工作状态，可以和整星系统一起进行地面仿真实验，比如和陀螺、飞轮、轨道动力学仿真计算机、姿态主控仿真计算机等一起配合，验证卫星姿态控制系统工作的有效性和可靠性。

4)本发明的测试不依赖于其他外部设备，只需要两台计算机和通讯线缆，连接星敏感器就可以进行测试，对地点、环境、天气没有特殊要求，测试方法简单易行。

5)整个测试过程受控，各项参数可以根据需要灵活设置，从而模拟不同的星场，以适应不同的星敏感器测试任务，通用性强。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为本发明装置内部模块示意图；

图3为本发明方法的流程图；

图4为卫星质心轨道坐标系和地心惯性坐标系的示意图；

图5为星图模拟的过程示意图；

图6为星图的局部更新示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是：采用电注入星图的方式给星敏感器提供测试信号源，通过分析其处理结果对星敏感器电子部件各部分的功能进行评估，从而为星敏感器的地面功能测试提供了一种新的测试手段。

这里，所谓电注入星图是指以电信号模拟生成的数字星图作为测试信号源。

星敏感器功能测试装置如图1所示，包括星图模拟计算机1、信息分析与处理计算机2、星敏感器3、以及通讯线缆4组成，其中，星图模拟计算机1通过通讯电缆4连接星敏感器3，星敏感器3通过通讯电缆4连接信息分析与处理计算机2。

在实际应用中，星图模拟计算机1对卫星运动的轨道参数和姿态进行仿真，计算安装在卫星上的星敏感器3的姿态，并模拟生成在此姿态情况下的星敏感器3所拍摄的星图图像；星图模拟计算机1通过串行口将星图图像传给星敏感器3，星图模拟计算机1中还包括计时器，用于提供星图模拟的时间；

星敏感器3对星图图像进行识别和姿态计算，并将结果通过串行口传递给信息分析与处理计算机2；

信息分析与处理计算机2对根据星敏感器传送的识别结果和姿态信息对星敏感器3的工作状态进行分析，以验证星敏感器3电子部件工作的有效性和可靠性。

这里，所述串行口可以是RS232接口。

该装置的内部模块由四部分构成，如图2所示，分别为：位于星图模拟计算机1中的星图模拟模块、星图局部更新与传输模块；位于星敏感器3中的星点定位星图识别姿态计算模块；以及位于信息分析与处理计算机2中的结果分析与处理模块。

其中，星图模拟模块，用于根据卫星运动的轨道参数、星敏感器在卫星上的安装角、成像参数等，模拟数字星图，并发送到星图局部更新和传输模块；

星图局部更新和传输模块，用于将局部更新的星图传给星敏感器3；

星点定位星图识别姿态计算模块，用于星敏感器工作的全过程，包括星点定位、星图识别、姿态计算；

结果分析与处理模块，用于对识别和姿态解算的结果进行分析，以检验星敏感器星点定位、星图识别以及姿态计算各模块功能的有效性和可靠性。

基于上述装置的星敏感器功能测试方法流程如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、对卫星运动的轨道参数和姿态进行仿真计算，并模拟生成星敏感器所拍摄的星图图像，具体星图模拟的过程如图5所示：

步骤101、根据卫星的轨道动力学方程计算当前时刻的卫星轨道参数；

卫星的轨道参数包括i，Ω，a，e，ω，τ；i为轨道倾角，Ω为升交点赤经，这两个角度确定了卫星轨道平面的位置；a为椭圆半长轴，e为椭圆偏心率，这两个参数确定了卫星轨道椭圆的大小和形状；ω为近地点幅角，确定了椭圆在轨道平面的方向；τ为卫星过近地点的时刻。设当前时刻为t，根据以上参数和空间计算公式可以确定t时刻卫星在空间的位置，时刻t由一个专门的计时器来提供。

步骤102、根据当前时刻的卫星轨道参数计算卫星质心轨道坐标系(简称轨道坐标系)Oo-XoYoZo相对于地心惯性坐标系(简称惯性坐标系)O-XYZ的方向余弦矩阵C_oi；

图4是卫星质心轨道坐标系和地心惯性坐标系的示意图，其中，惯性坐标系定义为：原点O位于地心，X轴指向春分点，Z轴指向天球北极，Y轴与其它两轴构成右手坐标系；轨道坐标系定义为：原点Oo位于卫星质心，Zo轴与卫星的矢径共线并指向地心，Xo轴位于轨道平面内，指向卫星的运动方向，Yo轴与Xo，Zo轴构成右手坐标系。

步骤103、根据卫星运动的角速度(₁，₂，₃)，计算出当前时刻t卫星本体坐标系相对于惯性坐标系的方向余弦矩阵C_si；

这里，₁，₂，₃表示卫星本体绕轨道坐标系的三个坐标轴旋转的角速度。卫星本体坐标系，在卫星没有任何旋转的情况下(₁＝₂＝₃＝0)等同于质心轨道坐标系，当卫星绕质心轨道坐标系的三个轴有旋转时，设其绕三个轴的旋转角度，分别为₁Δt，₂Δt，₃Δt，则C_si相当于C_oi乘以一个由(₁Δt，₂Δt，₃Δt)描述的旋转矩阵。

步骤104、根据星敏感器在卫星上的安装角(θ₁，θ₂，θ₃)，计算出当前时刻星敏感器坐标系相对于惯性坐标系的方向余弦矩阵C_mi；

这里，所述星敏感器坐标系定义为以光学系统的光轴为Z轴，以光轴和星敏感器图像传感器平面的交点为原点，以平行于图像传感器X方向为X轴，以平行于图像传感器Y方向为Y轴。设θ₁，θ₂，θ₃表示星敏感器在卫星本体上俯仰、偏航和滚转方向上的安装角，则C_mi相当于C_si乘以一个由(θ₁，θ₂，θ₃)描述的旋转矩阵。

步骤105、根据透视投影变换计算模拟的星图；记C_mi为：

$C_{\mathrm{mi}}=\left(\begin{array}{ccc}{a}_1& a_2& a_3\\ b_1& b_2& b_3\\ c_1& c_2& c_3\end{array}\right)$

设Star(i)为星表里的序号为i的恒星，其赤经赤纬分别为α_i和δ_i，其在惯性坐标系下的方向矢量为：

$\left(\begin{array}{c}{\bar{x}}_i\\ {\bar{y}}_i\\ {\bar{z}}_i\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\cos {\alpha }_i\cos {\delta }_i\\ \sin {\alpha }_i\cos {\delta }_i\\ \sin {\delta }_i\end{array}\right)$

恒星在星敏感器图像传感器上的成像模型可以用透视投影变换来表示。恒星Star(i)投影在图像传感器上坐标平面上的坐标为：

$X_i=f\frac{x_i}{z_i}=f\frac{a_1{\bar{x}}_i+b_1{\bar{y}}_i+c_1{\bar{z}}_i}{a_3{\bar{x}}_i+b_3{\bar{y}}_i+c_3{\bar{z}}_i}$

$Y_i=f\frac{y_i}{z_i}=f\frac{a_2{\bar{x}}_i+b_2{\bar{y}}_i+c_2{\bar{z}}_i}{a_3{\bar{x}}_i+b_3{\bar{y}}_i+c_2{\bar{z}}_i}---\left(1\right)$

设图像传感器像元尺寸为(dx，dy)，主点坐标为(X₀，Y₀)，图像分辨率为M×N；进一步计算可以得到恒星Star(i)所成星点的像素坐标为：

${\bar{X}}_i=X_0+X_i\mathrm{dx}$

${\bar{Y}}_i=Y_0+Y_i\mathrm{dy}---\left(2\right)$

恒星Star(i)能在图像传感器上成像的条件为：

$0<{\bar{X}}_i<M$

$0<{\bar{Y}}_i<N---\left(3\right)$

扫描星表里所有的恒星，能满足以上条件的恒星均能成像在图像传感器上，记录下其像素坐标和星等。

步骤106、根据星点坐标和星等生成数字星图。设定弥散圆直径、背景灰度及噪声方差等合成参数，根据步骤105所得到的星点坐标和星等信息生成模拟的数字星图。其中，星点的灰度分布由其星等决定。

步骤2、以星点为中心，将星图局部更新传输。

对于步骤1中产生的数字星图，需要通过RS232接口传给星敏感器。如果直接传输整幅星图，由于数据量太大，无法满足实时性的要求。因此，本发明采用一种局部星图更新的方式，如图6所示的星图局部更新，即每次只更新一张完整星图中以星点为中心的7×7像素大小的邻域，即图6所示的矩形方框区域，只传输该局部区域的图像数据。

在数据传输过程中，每一局部更新区域的星图数据格式为(X Y G1G2...G49)，X、Y为该更新区域星点中心坐标(整数值)，G1-G49为该更新区域所有像素的灰度值。坐标值和灰度值分别用2个字节和1个字节来表示，因此，每个局部更新区域的数据量为49+2×2＝53个字节。

为进一步减少数据量，将视场内星的最大数目限制为12颗，即当视场内星的个数多于12颗时只挑选最亮的12颗星进行处理。这种做法和星敏感器的实际工作模式是相一致的。通过计算可知，更新每一帧星图的所需要传输的数据量小于700个字节。当RS232串口的波特率设置为115200bps时，星图的更新率可以大于20Hz，完全可以满足星敏感器的功能测试要求。

步骤3、星敏感器将局部更新一一在自身的星图背景叠加，并进行星图识别解算姿态。

星敏感器接受到来自星图模拟计算机1发送的局部星图数据后对这些星图数据进行处理，处理步骤如下：

步骤301、将接收到的局部星图数据与存储在星图存储区的星图背景相叠加，得到一帧包含背景和星点的完整的数字星图；即将局部星图叠加到星敏感器原来存储的完整星图中；

步骤302、对星图图像进行预处理，提取星图图像内星点的质心坐标和星点的亮度信息；

步骤303、根据步骤302中得到的星点质心坐标和星点亮度信息进行星图识别和跟踪；

步骤304、根据步骤303中的星图识别和跟踪结果，解算姿态。

以上步骤302至304为星敏感器对每幅完整星图的一般工作流程，根据测试时间的选取，将每一幅完整星图都识别并解算姿态后，进入步骤4。

步骤4、检验星敏感器的星图识别和姿态解算的结果是否正确。

星敏感器完成对星图的处理后将识别和姿态解算结果通过RS232传给信息分析与处理计算机2。信息分析与处理计算机2比照星图模拟过程中的相关信息对识别和姿态解算的结果进行分析，即判断最后识别得到的姿态结果与步骤104中星敏感器坐标系相对于惯性坐标系的方向余弦矩阵C_mi是否一致，以检验星敏感器星点定位、星图识别以及姿态计算各模块功能的有效性和可靠性。

此外，步骤2中，每张星图的局部选取可以根据实际检测精度的要求而不同，如选择星点周围5×5或9×9等像素大小的邻域传输到星敏感器等等。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。