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        慣性信息輔助的星像點(diǎn)質(zhì)心提取方法*

        2015-04-04 01:45:56呂漢峰王鼎杰
        關(guān)鍵詞:質(zhì)心恒星慣性

        呂漢峰,張 良,王鼎杰,吳 杰

        (國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長沙 410073)

        星敏感器是提供天文導(dǎo)航信息的重要設(shè)備。在星敏感器技術(shù)中,星像點(diǎn)質(zhì)心提取是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的技術(shù),它是星敏感器能提供有效地導(dǎo)航信息的前提,而且質(zhì)心的提取精度對星敏感器的后續(xù)工作如星圖識別等影響重大,同時(shí)它也在很大程度上決定了星敏感器最終的導(dǎo)航信息精度[1-3]。星敏感器在測量過程中,由于曝光時(shí)間、載體角運(yùn)動及噪聲等因素的存在,星體在星敏感器像平面上的成像不再是獨(dú)立的點(diǎn)而是一片區(qū)域,星像點(diǎn)質(zhì)心提取就是要從這片區(qū)域中找到最優(yōu)的星像點(diǎn)質(zhì)心位置。

        目前的星像點(diǎn)質(zhì)心提取算法[1-6]研究多以星敏感器的靜態(tài)成像為前提,不考慮其在曝光過程中可能存在振動等情形,在此假定下這些算法的質(zhì)心提取精度一般可達(dá)到亞像素級。但在星敏感器的實(shí)際工作過程中,角振動環(huán)境不可避免地存在,如果忽略這些情況則會產(chǎn)生較大的質(zhì)心提取誤差[7]。另外星敏感器通常與慣性設(shè)備一起使用,也就是說星敏感器工作過程中的角振動信息可以被慣性設(shè)備測量到。如果在提取星像點(diǎn)質(zhì)心的過程中充分利用這些測量到的角振動信息,則應(yīng)該可以較大程度地降低振動對星敏感器測量的影響,減小質(zhì)心提取誤差。本文正是基于這一思路提出了慣性信息輔助的星像點(diǎn)質(zhì)心提取方法。

        1 慣性信息輔助像點(diǎn)質(zhì)心提取模型

        1.1 恒星在星敏感器中的成像模型

        圖1 恒星投影模型Fig.1 Star imagingmodel

        這里的成像模型由兩個(gè)部分構(gòu)成:恒星的點(diǎn)投影模型和投影點(diǎn)的能量分布模型。目前恒星的投影模型均采用小孔成像模型,如圖1所示。假定恒星方向矢量在星敏感器體系s中表示為es,星敏感器的視場為γ,像面的像素為N×N,則恒星在像面的投影點(diǎn)坐標(biāo)可表示為:

        式(1)表明,只需知道恒星在星敏感器體系中的單位矢量就可以計(jì)算出它在像面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)。

        實(shí)際成像過程中恒星的投影并不是一個(gè)點(diǎn)而是像面上的一片區(qū)域。像點(diǎn)質(zhì)心的提取正是利用這片區(qū)域的灰度值進(jìn)行的,區(qū)域中每個(gè)像素的灰度值大小就表征了其所接受的恒星的能量大小。常用的能量密度分布模型是以投影點(diǎn)為中心的二維高斯分布函數(shù),如式(2)所示。

        式(2)中,[x,y]表示恒星在像面的投影點(diǎn),I(xi,yi)表示像面上[xi,yi]處的能量密度,σ 表示能量密度集中指數(shù)。圖2是單維的能量密度分布示意圖。

        圖2 單維能量密度分布示意圖Fig.2 Sketch map of power density distribution

        則可知第k個(gè)像素區(qū)域Ωk的能量密度Pk為:

        假定曝光時(shí)間為Δt且在整個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)像素區(qū)域接受的能量未飽和,則第k個(gè)像素的灰度值Gk與其能量密度之間的線性關(guān)系可表示為:

        其中,c為能量與灰度值之間的轉(zhuǎn)換常數(shù)。式(4)表明第k個(gè)像素的灰度值與恒星在像面的投影點(diǎn)[x,y]有關(guān)。

        1.2 慣性信息輔助模型

        假定星敏感器體系相對于載體系b的固聯(lián)安裝矩陣為Csb,星敏感器體系相對于慣性系的角速度為ωis,載體系相對于慣性系的角速度為ωib,則易知對于τ1和τ2時(shí)刻,假定它們的間隔δτ較小,則這兩個(gè)時(shí)刻的星敏感器體系相對于慣性系的姿態(tài)矩陣Csi有如下關(guān)系:

        式(5)中,[(·)×]表示由矢量(·)生成的叉乘矩陣。

        假定恒星在慣性系中的方向矢量為ei,則τ1和τ2時(shí)刻該恒星在星敏感器體系中的單位矢量可表示為:

        式(5)和式(6)結(jié)合可得:

        假定在δτ時(shí)間內(nèi)慣性設(shè)備對載體角增量的敏感度為αb,則式(7)可改寫為

        結(jié)合式(1)和式(8)可知,若τ1時(shí)刻恒星在像面的投影點(diǎn)已知,則根據(jù)慣性設(shè)備在δτ時(shí)間內(nèi)的測量信息可以計(jì)算出τ2時(shí)刻該恒星在像面的投影點(diǎn)。

        1.3 星像點(diǎn)質(zhì)心提取算法

        若星敏感器在曝光過程中載體存在振動,則恒星的投影點(diǎn)在像面上就呈現(xiàn)出一條軌跡。若慣性設(shè)備可以測得振動信息,則這條軌跡就可知。

        若已知曝光初始時(shí)刻的恒星投影點(diǎn),則根據(jù)式(1)、式(8)和曝光時(shí)間內(nèi)的角增量即可計(jì)算出投影點(diǎn)的軌跡,然后利用式(2)、式(3)和式(4)即可計(jì)算出曝光后恒星投影區(qū)域內(nèi)各像素的灰度值,則易知這些灰度值都是初始投影點(diǎn)[x,y]的函數(shù),記為)。

        另外,曝光后通過圖像處理的方法得到的投影區(qū)域內(nèi)各像素的灰度值記為。根據(jù)能量守恒則式(10)成立。

        其中,N為投影區(qū)域所包含像素的個(gè)數(shù)。

        如果初始投影點(diǎn)選擇合適,則必然有式(11)成立。

        若記:

        則由式(11)可知:

        由式(12)即可計(jì)算出初始投影點(diǎn)的坐標(biāo)。但由式(1)和式(2)可知式(12)是較強(qiáng)的非線性函數(shù),因此通常采用線性化的方式進(jìn)行計(jì)算,而初始投影點(diǎn)的初值可選為投影區(qū)域的灰度加權(quán)中心。

        由式(12)計(jì)算的初始投影點(diǎn)理論上講是最優(yōu)的,但這個(gè)過程中需要計(jì)算復(fù)雜的偏導(dǎo)函數(shù)及線性化,計(jì)算量比較大。從另外一個(gè)角度看,如果式(11)成立,則由計(jì)算的灰度加權(quán)中心應(yīng)該和計(jì)算的相同。如果不同,則兩個(gè)中心的差異可認(rèn)為是初始投影點(diǎn)不準(zhǔn)確所致。利用這個(gè)差異對初始投影點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償,然后重新計(jì)算和灰度加權(quán)中心,如此重復(fù)直至兩個(gè)中心重合。這個(gè)過程相對來講計(jì)算量比較小,并且應(yīng)該也可以得到較準(zhǔn)確的初始投影點(diǎn)。在得到初始投影點(diǎn)之后便可計(jì)算得到曝光結(jié)束時(shí)刻的恒星像點(diǎn)質(zhì)心。

        綜上分析,慣性信息輔助的星像點(diǎn)質(zhì)心提取算法的框圖大致如圖3所示。

        2 仿真驗(yàn)證

        為比較本文提出的慣性信息輔助算法與傳統(tǒng)算法在振動環(huán)境下的星像點(diǎn)質(zhì)心提取精度及本文算法的適用性,現(xiàn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)主要分成兩部分,第一部分用來比較本文算法與傳統(tǒng)算法的質(zhì)心提取精度;第二部分用來分析算法的適用性,即相關(guān)因素對本文算法質(zhì)心提取精度的影響。

        圖3 慣性信息輔助星像點(diǎn)質(zhì)心提取算法流程圖Fig.3 Flow chart of the star spot centroidingmethod with inertialmeasurement information

        2.1 仿真條件

        仿真過程中采用Tycho2星表,設(shè)置星敏感器視場為8°×8°,像素為512×512,能量密度集中指數(shù)為0.45像素,曝光時(shí)間為25ms,慣性設(shè)備的零漂為0.1°/h,角增量輸出頻率為200Hz,并假定振動角速率最大值不超過3°/s。為便于計(jì)算假定星敏感器體系與載體系重合。在全天球范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生1000組姿態(tài)作為星敏感器曝光時(shí)刻的姿態(tài),然后在曝光過程中產(chǎn)生振動。利用星像點(diǎn)質(zhì)心提取算法處理曝光得到的圖像并統(tǒng)計(jì)相關(guān)算法的星像點(diǎn)質(zhì)心提取精度。采用文獻(xiàn)[1]中的算法作為參考,在靜態(tài)條件下該算法的提取精度優(yōu)于0.1像素。圖4是某次振動條件下星敏感器曝光后得到的圖像。

        圖4 振動條件下星敏感器曝光后的圖像Fig.4 Camera image after the exposure of star sensor in vibration environment

        2.2 算法提取精度比較

        利用本文算法和傳統(tǒng)算法處理圖4得到星像點(diǎn)質(zhì)心如圖5所示,各質(zhì)心坐標(biāo)如表1所示。

        圖5 兩種算法提取的星像點(diǎn)質(zhì)心比較Fig.5 Comparison of the centroids of the twomethods

        由圖5可知,傳統(tǒng)算法計(jì)算得到的各星像點(diǎn)質(zhì)心偏離理論質(zhì)心較遠(yuǎn),而利用慣性信息輔助的算法得到的質(zhì)心則比較靠近理論質(zhì)心。表1中的數(shù)據(jù)更直觀地表明了這一結(jié)果。表1中的算法誤差是指算法得到的質(zhì)心至理論質(zhì)心的距離。由表1可知,針對圖4所示的情況,傳統(tǒng)算法得到的質(zhì)心偏離理論質(zhì)心1.7像素左右,而輔助算法得到的質(zhì)心誤差則在0.1像素以下。

        表1 各星像點(diǎn)質(zhì)心及算法誤差Tab.1 Theoretical centroids and errors

        通過對1000幅振動條件下星敏感器曝光圖像的處理,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得到,在振動角速率小于3°/s的情況下,傳統(tǒng)算法的提取精度為0.691像素,輔助算法的提取精度為0.011像素。這充分表明了慣性信息輔助星像點(diǎn)質(zhì)心提取算法在振動條件下依然可以獲得亞像素級的質(zhì)心精度。另外這種輔助算法的計(jì)算量比傳統(tǒng)算法略大,但計(jì)算耗費(fèi)的時(shí)間也同樣可以忽略不計(jì)。

        2.3 算法適用性分析

        由式(2)和式(8)可知,影響本文算法質(zhì)心提取精度的主要因素有能量密度分布模型的準(zhǔn)確性和角增量的測量精度,這兩者主要取決于能量密度集中指數(shù)σ和慣性設(shè)備的零漂。在仿真過程中設(shè)置能量密度集中指數(shù)σ的變化范圍為0.1~1.5 像素,零漂的變化范圍為 0.01 ~10°/h,它們對輔助算法提取精度的影響如圖6和圖7所示。由圖6可知隨著能量密度集中指數(shù)σ的增大,輔助算法的質(zhì)心提取精度逐步提升至0.01像素左右。而且在整個(gè)變化過程中,質(zhì)心提取精度基本都在亞像素級。由圖7可知隨著零漂的增大,輔助算法的質(zhì)心提取精度稍微變差,但仍然在0.01像素左右。

        圖6 σ對輔助算法質(zhì)心提取精度的影響Fig.6 Effect ofσ on the centroid precision

        圖7 零漂對輔助算法質(zhì)心提取精度的影響Fig.7 Effect of the drift on the centroid precision

        以上仿真分析表明,本文提出的慣性信息輔助星像點(diǎn)質(zhì)心提取算法在振動條件下依然可以有效準(zhǔn)確地提取出各星像點(diǎn)的質(zhì)心。

        3 結(jié)論

        本文研究了振動條件下恒星在星敏感器中的成像過程,提出了慣性信息輔助的星像點(diǎn)質(zhì)心提取模型,并建立了慣性輔助質(zhì)心提取算法。仿真結(jié)果表明:當(dāng)振動角速率小于3°/s時(shí),輔助算法的質(zhì)心提取精度在0.01像素左右,而且星敏感器的能量密度分布模型的準(zhǔn)確性和慣性設(shè)備的角增量測量精度在一定范圍內(nèi)對提取精度的影響較小。

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