卫星星敏感器数据处理与应用-谢俊峰 (2)

研究意义
对于资源三号卫星500km左右的卫星高度，1角秒的定姿误 差可以引起卫星影像定位2.5米的误差； 利用星敏感器定姿在卫星自主定姿方法中精度最高。国外高 分辨率卫星一般采用星敏感器定姿，其影像直接定位精度可 达到10m级；
资源三号卫星以前的国内水平与国外相比，存在较大的差距，
最高直接定位精度为300m；姿态获取的可靠性也较差，成
完成时间：2006 年3 月 公司：Microcosm/USA 系统：DayStar SED20 Star tracker 性能：白天观测7.1 等恒星
星敏感器在卫星定姿领域
卫星姿态应用：
遥感影像直接定位[spot image，2005] 卫星飞行控制[王旭东，1999] ……
遥感影像直接定位对于测绘领域尤为重要， 高定位精度必然要求高姿态精度。
影响可靠性的因素

导航星选取 识别算法 …… 星像点提取精度 恒星相机检校精度 视场内恒星的数量 姿态确定算法 ……
导航星选取技术
星图识别技术 质心提取技术
相机检校技术 姿态解算技术 事后处理：
1、无实时输出要求； 2、可多次重复计算，保证可靠性； 3、硬件资源充足
影响姿态精度的因素
定姿精度—星敏相机检校
基于星对角距夹角的检校方法
z
基于夹角相等建立检校模型：
vi
cos ij wi w j vi A Av j vi v j
T T T T
wi y
x
N G( x0 , y0, f , k1 , k2 ) V i V j D1 D2
T
恒星成像示意图
vi
image point position error(pixel)
250 200 150 100 50 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 image point position error(pixel) 0.5
Linear-ω
nonlinear-ω
Linear-κ
nonlinear-κ
资源三号卫星星图处理试验
恒星定姿的关键技术
控制点问题：星图识别 精度问题：恒星相机检校 ……
内部星表
?
γ
天赤道
星图
星图处理流程
相机 参数 基本 星表
导航星位 置改正及 选取
导航星 库建立 提取像 点坐标
相机
检校
星图 识别
恒星 影像
姿态
解算
进入跟踪模式
星敏感器定姿关键技术及ZY3卫星应用
影响姿态精度和可靠性因素分析
以在轨国产测绘卫星实验数 据进行测试：下传星图频率2Hz， 见右图所示。星敏陀螺数据输出 频率4Hz，已研制软件件下图所示， 单轨数据（10分钟左右）实验结 果如右下方所示
原始星图数据
导航星选取图
星图识别结果
高精度星图处理界面 星敏后处理定姿结果
定姿应用成果
精密定姿总体框架
原始星图
星敏定姿 P
GC
deviation value ()unit:arcsecond
14
10 6 2 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
The deviation after calibration
Sample point
检校前后星对角距偏差精度对比（450幅） 星对角距统计偏差：8.456 角秒->7.105角秒
XCCD Xs Star S1 Star S2
O
Zs Star S3
O’
YCCD
f
Ys
恒星相机的空间后方交会
a1 ( X X S ) b1 (Y YS ) c1 ( Z Z S ) xf a3 ( X X S ) b3 (Y YS ) c3 ( Z Z S ) a2 ( X X S ) b2 (Y YS ) c2 ( Z Z S ) yf a3 ( X X S ) b3 (Y YS ) c3 ( Z Z S )
功率甚至只有50%。
国内多家单位都在争相研制星敏感器：
航天部研制成功的星敏感器已经于2000年通过空间飞行试验， 可以进入实用阶段，精度为几十角秒量级 ； 成都光电所研制出星敏感器的地面试验样机; 北京天文台研制的小型一体化星敏感器的精度已达十几个角 秒，为国内相关研究的最高精度。
与国外先进水平相比，国内还存在较大差距，主要体现在 两个方面： 定姿精度 可靠性
检校前后星对角距精度对比（ 31328对） 三轴综合姿态误差：23.1角秒->21.35角秒
初步结论：检校后星对角距统计偏差精度提升1.35角秒，三轴姿态精度综合提高 1.75角秒
定姿精度—改进姿态确定方法
attitude accuracy(arcsecond)
attitude accuracy(arcsecond)
卫星星敏感器定姿原理
星敏感器简介
星敏感器组成：
• • • • • 遮光罩 光学镜头 CCD及支持电路 数据处理器计算机 ……
洛克西德-马丁公司AST-301自主星 跟踪器
星敏感器定姿原理
以恒星为参照物，利用CCD 相机实拍到的 星图，经过星像点质心提取、星图识别和姿 态估算等一系列计算，确定出星敏感器视轴 在惯性参考空间的瞬时指向，从而确定飞行 器的姿态。
x x0 x f y y y f 0
a1 cos cos b1 sin cos c1 sin a3 cos cos b3 sin cos c3 sin a2 cos cos b2 sin cos c2 sin a3 cos cos b3 sin cos c3 sin
长周期误差探 测与模型构建
长周期姿态 变化模型
星敏/陀螺 标定
星地相机一体化 检校
常值偏差
精密定姿总体框架
原始星图
星敏定姿 P
GC
星敏姿态输出 原始陀螺角速度输出 原始角位移敏感器输出
联合定姿 （高通滤波）
随机噪声 抑制
多光谱/全色影像
影像匹配 视差统计 频谱分析
原始姿态
短周期误差建 模与校太阳敏感器
磁强计
ADS姿态敏感器
光纤陀螺
星敏感器
姿态敏感器应用介绍
Astro-1 Observatory aboard STS-35 带磁强计的飞行器
伽利略飞行器
星敏感器是当前绝对定姿精度最高的定姿仪器，定姿 模式也最为复杂。
星敏在其他应用领域——军事导弹
完成时间：2005 公司： SODERN 星敏感器：SED20 用途：法国M51 弹道导弹(计划 于2010 年取代M4)
汇报人：谢俊峰
1 2
研究背景 星敏感器定姿原理
3
4 5
星敏感器定姿关键技术及ZY3应用 定姿应用成果 总结与展望
研究背景
研究背景
姿态测量手段



以地球为基准方位：地球敏感器（红外地平仪） 等； 以天体为基准方位：太阳敏感器、星敏感器等 以惯性空间为基准方位：陀螺仪等 以地面站为基准方位：射频敏感器等 以地貌为基准方位：陆标敏感器等 以地球磁场为基准方位：磁强计等 以GPS测姿等 …
Gi f


f
Gi x0

x0

Gi y0

y0

Gi k1

k1

Gi k2

k2 (Gi G( f , x0 , y0 , k1 , k2 ))

星敏感器在轨检校
原始星图（2012-2-3-11-7-51.264513）
恒星相机
参数 设计参数 标定结果 标定精度 f(p) 2886.667 2885.037 1.63 x0(p) 0 1.640 1.640 y0(p) 0 -4.58 -4.58
C
O θ D E A S S’ C F B
O
星等与恒星数量之间的关系
D
A
B
可靠性—基于角度格网的导航星选取
表3-3
常见星图识别算法比较
缺点 以三角形为基元，公共边重复存贮， 导航星表容量大且易冗余匹配 需CCD视场内有较多恒星，对视场和 星等灵敏度有严格要求 算法复杂，在识别过程中所需的运算 量和存储容量都比较大
基于遗传的算法
基于神经网络的算 法
可靠性：最长匹配链算法
1861,… 2048,… 1857,… 2041
2047,…
1858,…
2047
• 2047 • 1835
2049,…
2048
• 2048 • 1854 • 1860
1861
• • • • 1861 1844 1845 1861
1857
• 1857 • 1854 • 2046 • 2048
星敏姿态输出 原始陀螺角速度输出 原始角位移敏感器输出
联合定姿 （高通滤波）
随机噪声 抑制
多光谱/全色影像
影像匹配 视差统计 频谱分析
原始姿态
短周期误差建 模与校正
短周期误 差模型
精密 姿态 输出 姿态 系统 误差 校正 综合 模型
三线阵全色 地面控制 全弧段姿态 原始星图 全弧段姿态
基于地面控制 姿态反算
sumz1=sumz1+(xy1[i]-z_x[kk])*data[xy2[i]*step+xy1[i]*2]; sumz2=sumz2+(xy2[i]-z_y[kk])*data[xy2[i]*step+xy1[i]*2]; sumz3=sumz3+data[xy2[i]*step+xy1[i]*2]; i=[1，2……（选用点 数）] 第kk个星斑的质心点 xz[kk]=sum1/sum3+z_x[kk]; yz[kk]=sum2/sum3+z_y[kk];
星对角距差值计算：
ij =arcos(viT v j )
ij ' =arcos(wiT w j )
ij ij ij '
18
The deviation of angular distance before and after calibration
The deviation before calibration

星上处理：
1、实时性要求 2、可靠稳定性要求 3、硬件计算资源限制
可靠性-导航星-几个基本概念
星等 按亮度对恒星等级的划分 星对角距 两颗恒星与观测中心的夹角 它们是星图识别的两个重要特征。
导航星表
?
内部星表
γ
天赤道
星图
可靠性—基于角度格网的导航星选取
基 于 格 网 划 分 的 导 航 星 选 取
25 20 15 10 5 0 0 0.1 0.2
Linear-φ
25 20 15 10 5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 image point position error(pixel)
0.3 0.4 0.5
nonlinear-φ 300
attitude accuracy(arcsecond)
k1 (p-2) 0 1.24e-8 1.24e-8
k2 (p-4) 0 2.61e-14 2.61e-14
星敏参数检校结果表
固定误差——星敏感器在轨检校
星对角距统计偏差计算：
N N 1 2 r (arccos(wi w j ) arccos(vi v j ))2 N N ( N 1) i 1 j 1
1858
• • • • • 1858 1855 1844 2043 2051
2049
• 2049 • 2047
2047
• 2047 • 2046
可靠性：最长匹配链算法
定姿精度—质心提取灰度加权法
质心坐标计算公式如下：
0 00 10 20 30 40 y 01 11 21 31 41 02 12 22 32 42 03 04 13 14 23 24 33 34 43 44 x
精密 姿态 输出 姿态 系统 误差 校正 综合 模型
三线阵全色 地面控制 全弧段姿态 原始星图 全弧段姿态
星模式识别算法 三角形匹配法 栅格法 匹配组 匹配简单
优点
导航星容量小，识别率高 识别准确率可接近100%
基于奇异值分解的 算法
模式识别特别快：模式识 别与姿态估计可同时完成； 算法原理抽象，不易理解；识别特征 产生最优姿态估计；导航 不变量不同于星模式，差别甚微，判 星标相对较小 别门限不易选取 （<=500KB） 需要预先训练，稳健性好； 每次使用都要进行一次最优化，精度 存储量要求较小 和速度易收到优化参数的影响 一旦训练完好，能很快完 成模式识别 训练需要较大计算强度；要求很大的 训练集合，以完成多种模式识别；精 度易受到训练集合大小和训练时间长 短的影响；潜在地需要较大存储量来