[發明專利]一種基于模糊星圖提取光流信息的航天器角速度估計方法

有效

• 申請號: 201711456224.3
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN107942090B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 寧曉琳;陳萍萍;丁宗合
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;鄧治平

本發明涉及一種基于模糊星圖提取光流信息的航天器角速度估計方法。選擇以航天器角速度與角加速度為狀態量的Singer加速度概率模型作為狀態模型，對多幀模糊星圖進行圖像處理，提取光流信息作為量測量，依據星點光流與航天器角速度間的關系建立量測模型，最后通過卡爾曼濾波即可估計出航天器三個軸的角速度。本發明針對航天器高動態條件下的無陀螺姿態估計問題，在航天器高速旋轉，星敏感器成像模糊時，實現了直接利用模糊星圖而不依靠星圖識別過程的姿態角速度估計。

技術領域

本發明屬于航天器姿態確定領域，涉及一種基于模糊星圖光流信息的航天器角速度估計方法。

背景技術

對于在執行飛行任務時的航天器而言，其指向、旋轉角度和角速度等姿態運動參數都要求精確。航天器姿態運動參數確定的精度直接決定了姿態控制的精度，并最終決定了整個航天任務的功能實現。

現有角速度估計方法通常是依靠陀螺輸出航天器姿態和角速度信息，但是其成本較高，且存在漂移及噪聲等問題，因此近些年來提出許多無陀螺角速度估計方法以解決這些問題以及用來預防陀螺失效。無陀螺角速度估計方法大多是基于敏感器件獲取量測量，例如星敏感器，磁強計等。當進行深空探測等任務時，需要實現精確三軸控制的航天器通常會依靠安裝的星敏感器進行姿態確定。現有的基于星敏感器的無陀螺角速度估計方法是當航天器低速運動或者曝光時間較短時，星敏感器可以獲得較為清晰的圖像，通過對星圖預處理，質心提取及匹配識別后求解航天器的姿態參數。當航天器高速運動或曝光時間較長時，會使星敏感器進行星點成像時從一個像素點移動到另一個像素點，也就是一個星點對應多個像素，軌跡呈條帶狀，獲取的為模糊星圖。此時星點質心計算精度會降低，對星敏感器的應用造成了限制。

針對獲取圖像為模糊星圖的情況，現有方法是將其去模糊，通過圖像復原方法后，對清晰圖像進行質心提取，星圖識別及匹配后進行姿態求解，但是直接利用模糊星圖獲得量測信息進行姿態角速度估計的方法幾乎沒有。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：在獲取的星圖為模糊星圖時，不進行去模糊過程，直接利用模糊星圖提取光流信息，在區域匹配法和近似星點位移的光流計算方法都不適用的情況下，設計一種針對較長或非線性星點模糊軌跡的計算方法，對每幀星圖進行圖像處理后提取光流信息作為量測量，進而對航天器角速度進行估計。

本發明提出一種基于模糊星圖提取光流信息的航天器角速度估計方法，通過選擇以航天器角速度與角加速度作為狀態量的Singer加速度概率模型作為狀態模型，對m幀，m＞2，模糊星圖進行圖像處理，并將提取的光流信息作為量測量，依據星點光流與三軸穩定航天器角速度間的關系建立量測模型，最后通過卡爾曼濾波估計航天器的三個軸的角速度。具體包括以下步驟：

1.系統狀態模型的建立；

首先，選擇狀態量為航天器的角速度和角加速度，即：

式中，ω₁(k)，ω₂(k)和ω₃(k)分別是第k幀(1≤k≤m)星圖時航天器在攝像機坐標系下繞x軸，y軸和z軸的角速度，和分別為第k幀星圖時航天器在三個軸的角加速度。狀態模型選擇Singer加速度概率模型，狀態方程如下：

X(k)＝Φ(T)X(k-1)+W(k-1) (2)

式中，T為濾波周期，Λ＝diag{1/τ₁,1/τ₂,1/τ₃}，其中τ_i(i＝1,2,3)，代表航天器機體相應x軸，y軸和z軸的加速度時間常數，具體參數值在卡爾曼濾波過程中設定，I為單位矩陣；W(k-1)為第k幀星圖時刻的被估計狀態X(k)所受系統噪聲序列，W(k-1)的方差陣表示為Q(k-1)，其各元素表示為：