一種用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法，該方法是在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上進行的改進，避免了計算圓心位置的中間步驟，直接計算圓環(huán)法向量，采用間隔向量積與t?Location?Scale分布置信區(qū)間均值結(jié)合的方法，避免了傳統(tǒng)方法中霍夫變換的大量計算，使得計算量大幅下降，同時可進一步提高靜態(tài)紅外地球敏感器的精度和效率，定姿精度可提高50％，定姿速度可提高87％，提升了衛(wèi)星的姿態(tài)確定性能。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法
本專利技術(shù)屬于衛(wèi)星定姿
，涉及一種微納衛(wèi)星定姿方法，尤其涉及一種用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法，該方法用于提高靜態(tài)紅外地球敏感器的測量精度和效率。
技術(shù)介紹
近年來，微納衛(wèi)星技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。它有著質(zhì)量輕、體積小、功耗小的特點，在航天應(yīng)用領(lǐng)域極具潛力。目前，微納衛(wèi)星所執(zhí)行的任務(wù)種類和難度在不斷增加，例如要求微納衛(wèi)星實現(xiàn)大角度快速機動、編隊飛行、雙目視覺等。而提升微納衛(wèi)星的機動能力是實現(xiàn)高難度任務(wù)的基礎(chǔ)。微納衛(wèi)星的機動能力取決于姿態(tài)敏感器和姿態(tài)控制器的性能。衛(wèi)星姿態(tài)敏感器，包括地球敏感器、太陽敏感器、星敏感器,陀螺儀等。在實際應(yīng)用中，往往需要多種敏感器的協(xié)調(diào)配合，才能準確地確定衛(wèi)星的姿態(tài)。其中靜態(tài)紅外地球敏感器是針對微納衛(wèi)星較為常用且可靠的定姿敏感器。靜態(tài)紅外地球敏感器對地球凝視拍攝，通過計算成像矢量的方向確定地球質(zhì)心相對于敏感器的角度，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換，最終確定衛(wèi)星相對于地球的方位。它相較于動態(tài)掃描式紅外地球敏感器而言，具有速度快，功耗小，壽命長，體積小等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的靜態(tài)紅外地球敏感器的姿態(tài)確定算法是將最小二乘法與霍夫變換結(jié)合，可以使定姿精度達到0.1度。為了提高微納衛(wèi)星確定姿態(tài)的精度，本專利技術(shù)提出了一種基于靜態(tài)紅外地球敏感器的微納衛(wèi)星定姿方法。該方法采用間隔向量積與tLocation-Scale分布置信區(qū)間均值結(jié)合的算法，定姿精度提高50％，定姿速度提高87％，提升了衛(wèi)星的姿態(tài)確定性能。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法，靜態(tài)紅外地球敏感器是微小衛(wèi)星的姿態(tài)探測部件，其傳統(tǒng)的姿態(tài)確定算法為霍夫變換與最小二乘法結(jié)合的算法，精度可以達到0.1度。本專利技術(shù)方法在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上做出改進，提出間隔向量積與tLocation-Scale分布置信區(qū)間均值結(jié)合的算法，可以進一步提高靜態(tài)紅外地球敏感器的精度和效率。靜態(tài)紅外地球敏感器(簡稱敏感器)的測量目標如圖1所示。敏感器的成像中心為OM，成像視角為2θ，入射光與地球相切于點A和B。則地球上以AB為直徑的圓面(定義為E面)為敏感器可以探測到的紅外地球成像面，該成像面的圓心為OE。以敏感器OM為原點，成像軸為Z軸，建立空間直角坐標系，則OCOE為地心矢量，OCOE與Z軸的夾角β為地心矢量的俯仰角，即待測定的目標角。敏感器采用全景式魚眼紅外鏡頭，其成像規(guī)律為：y＝f·θ.(1)式中：y為入射光線所成像素點與成像中心的距離，f為焦距，θ為入射光線與鏡頭法線夾角。紅外敏感器的成像與θ正相關(guān)，故無論敏感器轉(zhuǎn)到什么方向，地球成像面的均為E面。將E面投射到光學(xué)系統(tǒng)成像面，如圖2所示。光學(xué)系統(tǒng)成像平面上的成像點的坐標為(X，Y)，系統(tǒng)算法的目的是通過成像邊緣點坐標值(X，Y)得到β值。靜態(tài)紅外地球敏感器姿態(tài)確定的傳統(tǒng)算法如圖3所示，包括：1)邊緣提取：通過圖像增強、邊沿檢測和腐蝕得到成像點(X，Y)；2)解畸變：將成像點(X，Y)映射至半徑為R的球面上，得到的邊沿點(x,y,z)構(gòu)成一個截面圓環(huán)；3)霍夫變換：給定截面圓心與成像球中心的距離r,利用霍夫變換處理(x,y,z)，得到粗略的β值；4)去除干擾點：根據(jù)得到的β值，計算截面圓的圓心(xo,yo,zo)，比較邊沿點到圓心的距離，排除干擾點；5)最小二乘：利用去干擾點后的邊緣點進行最小二乘，計算的得到新質(zhì)心矢量(xo,yo,zo)，輸出角度β。可以看出，傳統(tǒng)方式在得到截面圓環(huán)后，其思路是通過圓環(huán)上的點計算圓心，之后再通過圓心坐標計算姿態(tài)角。本專利技術(shù)提出了一種直接計算截面圓環(huán)法向量的方法，省去了計算圓心坐標的中間步驟，同時避免了霍夫變換的大量計算。本專利技術(shù)方法具體如圖4，包括：1)成像點預(yù)處理由于地球紅外成像是一個圓面，后續(xù)計算是基于成像邊緣進行的，故首先要進行邊緣提取操作。1.1邊緣腐蝕提取這里采用Sobel算子強邊沿檢測和腐蝕結(jié)合的方式。具體而言，Sobel算子圖像領(lǐng)域為式中：z1,z2,z3,…,z9為該位置像素點的灰度值.計算梯度如下：式中：為中心位置處灰度值梯度.這里需要得到強邊緣忽略弱邊緣，故指定一個閾值T，并認為處是邊緣像素。之后對于二值圖像A，利用結(jié)構(gòu)元素數(shù)組B進行二值圖像腐蝕。由于圖像邊緣為環(huán)形，故選擇結(jié)構(gòu)元素數(shù)組為二值圖像腐蝕即對圖像A采用向量減法運算式中：B(X,Y)為位于(X，Y)的結(jié)構(gòu)元素像素區(qū)域，當其與相應(yīng)位置處A一致時，該像素點保留。1.2解畸變基于全景魚眼紅外鏡頭的成像特性，將成像點(X，Y)映射至半徑為R的球面上，得到的邊沿點(x,y,z)構(gòu)成一個截面圓環(huán)D。成像解畸變的過程如圖5所示。根據(jù)鏡頭成像公式(1)有根據(jù)物理成像關(guān)系，可以得到成像位置坐標與紅外成像三維方向之間的關(guān)系。z＝Rcos(θ).(9)式中：R為映射球面半徑，點(x,y,z)為光學(xué)成像點(X，Y)到球面的映射，映射的像素點構(gòu)成一個空間截面圓環(huán)D。2)目標角計算本專利技術(shù)提出直接計算圓環(huán)法向量的方法，避免了計算圓心位置的中間步驟。具體而言，采用間隔向量積與tLocation-Scale分布置信區(qū)間均值結(jié)合的方法，使得計算量下降，同時滿足紅外地球敏感器的精度要求。2.1間隔向量積經(jīng)過解畸變處理后，光學(xué)系統(tǒng)成像平面上的像素點被投影到空間球面上，構(gòu)成截面圓環(huán)D,如圖6所示。圓環(huán)D上每個像素點有一個三維坐標(x,y,z)。然而由于邊緣提取的誤差問題，有些像素點可能不在截面圓上，它們被稱為干擾點。任意選取截面圓環(huán)D上三點a，b和c，可以構(gòu)成兩個向量Vba和Vbc。由向量定理可知，兩向量Vba和Vbc矢積得到的向量Vβ與原兩向量所在平面D垂直。則有Vβ與截面圓環(huán)D的圓心矢量r平行，顯然Vβ與Z軸所成夾角即為目標值β。具體而言，若將a,b,c三點選取的距離較近，那么其構(gòu)成的兩向量趨向于共線，矢積所得的垂向量趨向于0，不便于后續(xù)計算，所以應(yīng)間隔選取像點。將空間圓環(huán)D分為A、B和C段，表示為三個集合A＝{a1,a2,a3,...,an},B＝{b1,b2,b3,...,bn}和C＝{c1,c2,c3,...,cn}.每個部分包含n個像點。如圖7所示。從這三個集合中選取三個點ak、bk和ck，得到兩個向量Vbak和Vbck，稱為空間向量對。順序取點，至少可以構(gòu)成n個空間矢量對，它們在同一空間圓環(huán)D上。由于向量Vbak和Vbck分布在同一個平面上，并且它們不在一條直線上。根據(jù)向量理論，可以得到Vβ＝{Vβk|Vβk＝Vabk×Vack,k＝1,2,3...n}.(10)式中：Vβk為向量積結(jié)果，Vβ是由n個Vβk向量構(gòu)成的集合。Vβ中向量Vβk彼此平行，且垂直于空間圓環(huán)D。計算β角有式中：Bt為單張紅外成像得到的β角集合。由于干擾點的存在，有些像點并不分布在同一個平面D上，導(dǎo)致了Bt集合當中角度βk的差異。2.2tLocation-Scale分布擬合由于干擾點的存在，Bt集合中元素存在差異，其典型的概率密度分布如圖8所示。根據(jù)圖6可知，β的分布存在偏度，即存在較重尾部。tLocationScale分布相較于正態(tài)分布，能夠更好地模擬尾部較重的(更易出現(xiàn)異常值)數(shù)據(jù)分布。tLocationScale分布的概率密本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法，其特征在于，包括如下步驟：1)邊緣提?。和ㄟ^圖像增強、邊沿檢測和腐蝕得到成像點(X，Y)；2)解畸變：將成像點(X，Y)映射至半徑為R的球面上，得到的邊沿點(x,y,z)構(gòu)成一個截面圓環(huán)D；3)間隔向量積：間隔選取截面圓環(huán)D上三點，構(gòu)成兩個向量即一組空間向量對，獲得截面圓環(huán)的所有空間向量對，計算得到目標角β的集合；4)t?Location?Scale分布擬合：計算目標角β的集合在t?Location?Scale分布的均值及方差；5)置信區(qū)間均值：選取1σ置信區(qū)間內(nèi)的樣本均值進行估計，得到目標角β的估計值。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法，其特征在于，包括如下步驟：1)邊緣提?。和ㄟ^圖像增強、邊沿檢測和腐蝕得到成像點(X，Y)；2)解畸變：將成像點(X，Y)映射至半徑為R的球面上，得到的邊沿點(x,y,z)構(gòu)成一個截面圓環(huán)D；3)間隔向量積：間隔選取截面圓環(huán)D上三點，構(gòu)成兩個向量即一組空間向量對，獲得截面圓環(huán)的所有空間向量對，計算得到目標角β的集合；4)tLocation-Scale分布擬合：計算目標角β的集合在tLocation-Scale分布的均值及方差；5)置信區(qū)間均值：選取1σ置信區(qū)間內(nèi)的樣本均值進行估計，得到目標角β的估計值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微納衛(wèi)星定姿的靜態(tài)紅外地球敏感器目標角確定方法，其特征在于，所述的步驟3)具體為：不斷間隔選取截面圓環(huán)D上三點a，b和c，將空間圓環(huán)D分為A、B和C段，表示為三個集合A＝{a1,a2,a3,…,an},B＝{b1,b2,b3,...,bn}和C＝{c1,c2,c3,…,cn}；每個部分包含n個像點；三個集合中選取三個點ak、bk和ck，得到兩個向量Vbak和Vbck，稱為空間向量對；順序取點，至少可以構(gòu)成n個空間矢量對，它們在同一空間圓環(huán)D上；可以得到Vβ＝{Vβk|Vβk＝Vabk×Vack,k＝1,2,3...n}.(1)式中：Vβk為向量積結(jié)果，Vβ是由n個Vβk向量構(gòu)成的集合；Vβ中向量Vβk彼此平行，且垂直于空間圓環(huán)D，則β角有式中：B...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳璐，王昊，王本冬，沙鑫寬，金仲和，
申請(專利權(quán))人：浙江大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江,33