動態星圖拖尾星像的數值模擬方法
【專利摘要】本發明提供一種動態星圖拖尾星像的數值模擬方法。實現步驟如下：(1)確定龍哥庫塔積分步長，應用龍格庫塔方法解算基于四元數的星敏感器姿態四元數運動學方程，得到曝光時間內的星敏感器姿態四元數序列；(2)基于星敏感器姿態四元數序列求解視場內所有模擬導航星在星敏感器本體系下的星光矢量序列；(3)依據光學系統模型，將星光矢量序列映射到星敏感器成像陣列面上，得到視場中每顆星的映射位置點序列；(4)以各位置點序列為中心建立二維高斯灰度點擴散函數，所有高斯點擴散函數作疊加，即可模擬出任一星的一條動態拖尾星像。本發明方法符合星光拖尾成像的物理過程，解決了星模擬器動態星圖模擬的關鍵問題，用以實現動態星圖模擬。
【專利說明】動態星圖拖尾星像的數值模擬方法
(—)

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種動態拖尾星像的數值模擬方法，屬于圖像分析領域，是一項動態星圖模擬的關鍵技術。
(二)

【背景技術】
[0002]作為飛行器主要的姿態測量裝置之一，星敏感器定姿精度最高，誤差不隨時間積累，應用越來越廣泛。星敏感器工程應用最大的瓶頸性制約因素是載體機動導致的動態成像拖尾，星敏感器成像需要一定的曝光時間，在曝光時間內，如果捷聯載體存在姿態機動，星光不再單純成像為能量聚集的單個星像點。而是一條能量沿拖尾軌跡延展、峰值灰度顯著下降、信噪比衰減的星像，稱為拖尾星像。星模擬器是星敏感器的試驗測試裝置，星敏感器動態圖像的處理能力的檢驗測試，需要星模擬器生成具有拖尾特征的動態星圖，星像動態拖尾已嚴重影響到星敏感器的功能，不可以再利用靜態星圖序列檢驗捷聯星敏感器算法的動態適應能力。
[0003]當星敏感器相對慣性系絕對靜止時，靜態星像呈近似圓形，能量也近似為二維高斯分布，如圖1所示。如果捷聯載體相對慣性系存在姿態機動，則在星敏感器本體產生相應的三軸角速率，導致動態成像拖尾，如圖2所示，圖中星k相對星敏感器本體具有相對角運動。理想拖尾星像覆蓋范圍內任一像素的能量，是幅值衰減的高斯點擴散函數沿拖尾軌跡的線積分。但程序中做線積分時間長，難以保障實時性，需要探索高實時性的拖尾星像數值模擬方法。
(三)


【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種動態拖尾星像的數值模擬方法。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]鑒于飛行器與星敏感器的捷聯安裝方式，利用安裝矩陣可以實現飛行器本體和星敏感器本體姿態的相互轉換。利用安裝矩陣，將飛行器本體的三軸角速率轉換為星敏感器本體的三軸角速率，進而可以得到星敏感器的姿態四元數運動學方程。
[0007](I)確定龍格庫塔積分步長及姿態四元數序列解算。星像點二維高斯灰度分布的均方差作為星敏感器的一個內參數，定義為星像點的高斯半徑。根據高斯半徑確定出時間步長。基于星敏感器的姿態四元數運動學方程并利用星敏感器四元數初值，進行龍格庫塔數值積分解算，依次解出在時段內的星敏感器姿態四元數序列。
[0008](2)基于四元數序列求解視場內所有星在星敏感器本體系下的星光矢量序列。
[0009](3)依據光學系統模型，將星光矢量序列映射到星敏感器成像陣列面上，依次得到視場中每顆星的映射位置點序列，作為動態拖尾星像中心軌跡的離散點，參看圖2動態拖尾成像機理及數值模擬方法示意圖。
[0010](4)以各映射位置點序列為中心，建立二維高斯灰度點擴散函數，對不同位置點處的高斯點擴散函數作疊加，即可模擬出每顆星的動態拖尾星像。圖3為一條動態拖尾星像的仿真圖。
(四)

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為靜態星像的灰度二維高斯分布仿真圖；
[0012]圖2為動態拖尾成像機理及數值模擬方法示意圖；
[0013]圖3為一條動態拖尾星像的仿真圖。
[0014]圖4為應用本發明方法模擬動態拖尾星像的實施方式流程圖。
(五)

【具體實施方式】
[0015]下面以視場內某顆星k為例，其赤經赤緯為(ak，δ,)，結合附圖對本發明方法作進一步的描述和說明:
[0016](I)星敏感器姿態四元數定義為:Q = q0+q1i+q2j+q3k, (i，j，k分別為單位矢量，q。為標量)，亦可表示為向量Q = Iiqtl, q” q2, q3]T。基于四元數Q的星敏感器姿態四元數運動學方程如下:

【權利要求】
1.一種動態星圖拖尾星像的數值模擬方法，其特征是所述方法包括如下步驟: (1)確定龍哥庫塔積分步長，應用龍格庫塔方法解算基于四元數的星敏感器姿態四元數運動學方程，得到曝光時間內的星敏感姿態四元數序列； (2)基于星敏感姿態四元數序列求解視場內所有模擬導航星在星敏感器本體系下的星光矢量序列； (3)依據光學系統模型將星光矢量序列映射到星敏感器成像陣列面上，得到視場中每顆星的映射位置點序列； (4)以各位置點序列為中心建立二維高斯灰度點擴散函數，所有高斯點擴散函數作疊力口，即可模擬出任一星的一條動態拖尾星像。
2.根據權利要求1所述的動態星圖拖尾星像的數值模擬方法，其特征是:對基于四元數的星敏感器姿態運動學方程進行數值積分，解算得到曝光時間內星敏感器本體的姿態四元數序列。
3.根據權利要求1所述的動態星圖拖尾星像的數值模擬方法，其特征是:依據光學系統模型將光積分時段內的星光矢量序列映射到星敏感器成像陣列面上，得到映射位置點序列，作為成像陣列面上的動態拖尾星像中心軌跡的離散點。
4.根據權利要求1和3所述的動態星圖拖尾星像的數值模擬方法，其特征是:以所有離散位置點為中心，建立二維高斯灰度點擴散函數，對所有高斯點擴散函數作疊加，即可模擬出一條動態拖尾星像。
【文檔編號】G01C21/02GK104132661SQ201410393788
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】王海涌, 宋振飛, 李鎮 申請人:北京航空航天大學