一種星敏感器動態(tài)星圖仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星姿態(tài)測量部件星敏感器的應(yīng)用領(lǐng)域，可以應(yīng)用于星敏感器件測試 驗證過程。
【背景技術(shù)】
[0002] APS高精度星敏感器是一種以恒星為姿態(tài)參考源、具有較高精度的光學(xué)姿態(tài)敏感 器，是衛(wèi)星A0CC分系統(tǒng)中重要姿態(tài)測量部件，與陀螺配合使用，共同構(gòu)成高精度姿態(tài)確定 系統(tǒng)。星敏感器在軌工作時，光學(xué)系統(tǒng)將恒星成像于APS感光器件上，由APS完成光電轉(zhuǎn)換 并將輸出視頻信號，經(jīng)處理電路放大及模-數(shù)轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字星圖輸入存儲器中。應(yīng)用軟 件對數(shù)字星圖進行處理，識別其中的恒星，再由被識別恒星在慣性坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即可確 定星敏感器在慣性系中的姿態(tài)。
[0003] APS高精度星敏感器應(yīng)用軟件屬于典型的圖像處理類軟件，軟件規(guī)模大、功能多、 算法異常復(fù)雜，原有調(diào)試一般采用"星敏產(chǎn)品+電子星模+MDS仿真器"的在線方式進行，或 者采用實際觀星方式進行，第一種方法基于硬件環(huán)境的調(diào)試手段有很大的弊端，嚴(yán)重影響 星敏軟件的測試驗證，主要表現(xiàn)在：
[0004] (1)星敏軟件算法復(fù)雜，涉及到圖像處理、星點遍歷提取、偽星判斷、模板計算、星 圖匹配識別、姿態(tài)計算等內(nèi)容，基于APS星敏的在線調(diào)試方式，受硬件條件的限制，電子星 模只能生成相對固定的星點，擴展性不強，無法實現(xiàn)各種圖像狀態(tài)的生成，也無法驗證軟件 全部的算法功能；
[0005] (2)電子星模在圖像生成過程，采用的是典型的靜態(tài)映射方式，生成星點不具備動 態(tài)特性，也無法驗證星敏感器的動態(tài)性能；
[0006] 第二種方法基于實際觀星測試，受天氣條件影響較大，觀星轉(zhuǎn)臺也無法實現(xiàn)全天 區(qū)的覆蓋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：擺脫了星敏感器調(diào)試過程對硬件條件的依賴，提供了 一種可生成動態(tài)星圖的星敏感器動態(tài)星圖方針方法，提高了星敏感器動態(tài)性能的驗證能 力。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種星敏感器動態(tài)星圖仿真方法，包括步驟如下：
[0009] (1)設(shè)置星敏感器在慣性坐標(biāo)系下的三軸指向、三軸角速度、曝光周期；所述的慣 性坐標(biāo)系的原點為地心，X軸方向指向J2000春分點，z軸指向北極，y軸與x、z成右手系；
[0010] (2)根據(jù)星敏感器三軸指向，檢索導(dǎo)航星表，得到在該三軸指向下能夠進入成像相 面范圍的各個導(dǎo)航星及其星號，然后將各個導(dǎo)航星向星敏感器的成像相面投影，得到各個 導(dǎo)航星在成像相面范圍的投影中心坐標(biāo)（Xl，yi)，iG(1，n)，其中i為正整數(shù)，n為能夠進入 成像相面范圍的導(dǎo)航星數(shù)量；
[0011] (3)根據(jù)各個導(dǎo)航星的星號，獲取星等，由此確定各個導(dǎo)航星星點擴散能量分布半 徑；所述的擴散能量分布半徑與星等成反比；
[0012] (4)以各個導(dǎo)航星在星敏感器成像相面的投影中心坐標(biāo)為中心，調(diào)用高斯擴散公 式，得到各個導(dǎo)航星星點擴散能暈分布范圍內(nèi)各個像素的能暈：所述高斯擴散公式是：
[0013]
[0014] 其中：A表示單位時間內(nèi)投射到圖像敏感器上的能量，與星等成反比，（x，y)表示 星點擴散分布范圍內(nèi)像素點的坐標(biāo)，^表示各個導(dǎo)航星的星點擴散能量分布半徑，t表示 曝光周期，[wx，Wy，wJ表示星敏感器的三軸角速度，N表示星敏感器視場，單位為度，M表示 星敏感器像面大小，單位為像元；所述星點擴散能量分布范圍是以導(dǎo)航星的投影中心坐標(biāo) 為中心，以星點擴散能量分布半徑為半徑的圓形區(qū)域；
[0015] (5)根據(jù)步驟（4)計算得到的各個導(dǎo)航星星點擴散能量分布范圍內(nèi)各個像素的能 量，依據(jù)像素能量越大對應(yīng)坐標(biāo)越亮，能量越小對應(yīng)坐標(biāo)越暗的方法，繪制動態(tài)星圖。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0017] (1)本發(fā)明方法生成的靜態(tài)和動態(tài)星圖，可作為APS星敏感器測試環(huán)境的直接輸 入，配合測試環(huán)境完成了對軟件功能的全面覆蓋性測試，大大提升了星敏感器動態(tài)性能的 驗證能力；
[0018] (2)本發(fā)明方法與現(xiàn)有的"星敏產(chǎn)品+電子星模+MDS仿真器"方法相比，星敏軟件 算法簡單，受硬件條件限制少，擴展性強，并能夠驗證星敏感器的動態(tài)性能；
[0019] (3)本發(fā)明方法與現(xiàn)有的實際觀星方式相比，受天氣條件影響小，能夠?qū)嵢靺^(qū)覆 蓋。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明方法靜態(tài)情況下生成的星點圖像，圖像大小依據(jù)星等變化；
[0022] 圖3為本發(fā)明方法動態(tài)情況下生成的星點圖像，四幅圖對應(yīng)同一星點，角速度逐 漸增大，圖像出現(xiàn)動態(tài)拖尾現(xiàn)象。
【具體實施方式】
[0023] 本發(fā)明提出一種星敏感器動態(tài)星圖仿真方法，首先設(shè)置星敏感器的三軸指向、三 軸角速度、曝光周期，檢索導(dǎo)航星表得到該三軸指向下能夠進入成像相面范圍的各個導(dǎo)航 星及其星號，將導(dǎo)航星投影得到其在成像相面范圍的投影中心坐標(biāo)，并根據(jù)導(dǎo)航星星號獲 取其星等，給定其擴散能量分布半徑，然后以各個導(dǎo)航星的投影中心坐標(biāo)為中心，計算各自 星點擴散能量分布范圍內(nèi)各個像素的能量，最后根據(jù)各導(dǎo)航星星點擴散能量分布范圍內(nèi)各 個像素的能量，得到動態(tài)星圖。
[0024] 一、動態(tài)星圖星點能量計算模型
[0025] 靜態(tài)條件下，圖像敏感器生成的星圖星點能量分布特征符合二維高斯分布，常用 如下計算公式：
[0026]
[0027] 其中：(x。，y。）表示高斯擴散的中心點，即模擬生成星點的中心坐標(biāo)點。〇表示高 斯半徑，即星點擴散的能量分布范圍。A表示單位時間內(nèi)投射到圖像敏感器上的能量，該值 與星點的星等（殼度）相關(guān)。
[0028] 星圖的動態(tài)模擬與靜態(tài)模擬過程類似，同樣采用高斯擴散的方式。不同的是，靜態(tài) 星圖模擬是對固定坐標(biāo)位置處像元灰度值的重復(fù)積分，星點擴散近似于圓形；而動態(tài)星圖 模擬過程要考慮星敏感器角速度的影響，擴散過程是對一定范圍內(nèi)（該范圍由星敏感器角 速度大小和曝光周期決定）的像元灰度的連續(xù)積分。相比靜態(tài)星圖，動態(tài)星圖的星點會因 角速度的原因被拉長。
[0029] 本發(fā)明方法的動態(tài)模擬過程近似為多個靜態(tài)模擬過程的組合。假設(shè)星敏感器視場 為N(視場即星敏感器鏡頭的張角，單