本发明公开了一种基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，所述方法包括：步骤1)获取一幅参考星点像，计算参考星点像的质心；步骤2)采用sinc函数对参考星点像进行插值得到有效点扩散函数，从而得到任意位置的星点像的重采样；步骤3)对于一幅目标星点像后，以星点像峰值所在像素为中心选择一个正方形的计算区域，然后将目标星点像计算区域内的部分和步骤2)中得到的重采样星点像进行最小二乘拟合，对目标星点像相对于参考星点像的质心偏移进行估计；步骤4)将步骤1)得到的参考星点像的质心和步骤3)得到的目标星点像相对于参考星点像的质心偏移的估计以及目标星点像的计算区域左上角坐标进行求和，就可以得到目标星点像的质心。
1.一种基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，所述方法包括：步骤1)获取一幅参考星点像，计算参考星点像的质心；
步骤2)采用sinc函数对参考星点像进行插值得到有效点扩散函数，从而得到任意位置的星点像的重采样；
步骤3)对于一幅目标星点像后，以星点像峰值所在像素为中心选择一个正方形的计算区域，然后将目标星点像计算区域内的部分和步骤2)中得到的重采样星点像进行最小二乘拟合，对目标星点像相对于参考星点像的质心偏移进行估计；
步骤4)将步骤1)得到的参考星点像的质心和步骤3)得到的目标星点像相对于参考星点像的质心偏移的估计以及目标星点像的计算区域左上角坐标进行求和，就可以得到目标星点像的质心；
步骤1-1)利用高精度转台让星敏感器点扩散函数在阵列探测器表面沿x轴和y轴以移动步长a/M进行移动，在每个移动后的位置上采集多帧星点像进行平均得到每个位置的星点数据；a为像素尺寸，M为沿x轴和y轴两个方向的移动步数，共计移动M×M个位置；
步骤1-2)对步骤1-1)中获得的每个位置的星点数据进行预处理，所述预处理包括暗场标定和平场标定，获得预处理之后的星点像；
步骤1-3)在每个预处理之后的星点像中，找到星点像峰值所在的像素，并以星点像峰值所在像素为中心选择一个正方形的计算区域；
步骤1-4)对每个位置的星点像在步骤1-3)选择的计算区域内的部分进行重新组合，得到一幅参考星点像；
其中， 是点扩散函数沿x轴移动i步、沿y轴移动j步时的星点像在计算区域内的第m行第n列像素的值，1≤m≤n_roi，1≤n≤n_roi，n_roi是正方形的计算区域的边长，m和n为正整数；
其中， 为参考星点像的质心， 是重新组合得到的参考星点像的第p行第q列像素的值，参考星点像的像素采样间隔是a/M，1≤p≤M×nroi，1≤q≤M×nroi，p、q为正整数。
2.根据权利要求1所述的基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，其特征在于，所述M的取值范围为：4～10。
3.根据权利要求1或2所述的基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，其特征在于，所述正方形的计算区域的边长n_roi为5或7。
4.根据权利要求3所述的基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，其特征在于，所述步骤2)的重采样为：其中， 是质心相对于参考星点像偏移了(Δxc,Δyc)的重采样星点像。
5.根据权利要求4所述的基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，其特征在于，所述步骤3)中的质心偏移估计为：其中， 是目标星点像以星点像峰值所在像素为中心的正方形的计算区域内的第m行第n列像素的值， 是目标星点像和参考星点像之间质心偏移的估计值。
6.根据权利要求5所述的基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，其特征在于，所述步骤4)中目标星点像的质心估计为：其中， 是目标星点像以星点像峰值所在像素为中心的正方形的计算区域的左上角像素的坐标值， 是目标星点像的质心估计。
一种基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航天器姿态测量领域，尤其涉及基于星图开展姿态测量的星敏感器技术，具体涉及一种基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法。
背景技术
[0002] 星敏感器是一种以恒星为参照物进行姿态测量的设备，具有精度高、无累计误差的优势，广泛应用于航空航天领域。近些年来，随着对地观测、空间科学等领域的快速发展，对航天姿态控制和姿态测量的精度要求越来越高。因此提高星敏感器的测量精度一直是空间技术领域的持续追求。
[0003] 提高星点像的质心定位精度是决定姿态测量精度的关键因素。传统质心法有着算法简单、计算速度快、鲁棒性强的优点，是目前在星敏感器领域中最为常见的星点像质心定位方法。传统质心法的一个缺陷是它的系统误差较大，虽然可以用二维高斯点扩散函数对系统误差进行分析并补偿可以在一定程度上降低系统误差，但是一般星敏感器采用的离焦光学系统的点扩散函数和二维高斯点扩散函数的形状差异较大，尤其是在光学系统像差较大时补偿效果不明显。另外，质心窗边缘的像素探测到的光子数量非常少，传统质心法却给予它们更高的权重，这导致传统质心法的抗噪声能力比较差。基于点扩散函数拟合则不存在上述两个问题，这类方法面临的最大挑战是光学系统的点扩散函数很难精确获悉，目前在星敏感器领域还没有一种基于点扩散函数拟合的质心定位方法。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服常规的星敏感器质心定位方法测量精度低、受光学像差影响大、抗噪声能力差的缺陷。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提出了一种基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法，所述方法包括：
[0006] 步骤1)获取一幅参考星点像，计算参考星点像的质心；
[0007] 步骤2)采用sinc函数对参考星点像进行插值得到有效点扩散函数，从而得到任意位置的星点像的重采样；
[0008] 步骤3)对于一幅目标星点像后，以星点像峰值所在像素为中心选择一个正方形的计算区域，然后将目标星点像计算区域内的部分和步骤2)中得到的重采样星点像进行最小二乘拟合，对目标星点像相对于参考星点像的质心偏移进行估计；
[0009] 步骤4)将步骤1)得到的参考星点像的质心和步骤3)得到的目标星点像相对于参考星点像的质心偏移的估计以及目标星点像的计算区域左上角坐标进行求和，就可以得到目标星点像的质心。
[0010] 作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：
[0011] 步骤1-1)利用高精度转台让星敏感器点扩散函数在阵列探测器表面沿x轴和y 轴以移动步长a/M进行移动，在每个移动后的位置上采集多帧星点像进行平均得到每个位置的星点数据；a为像素尺寸，M为沿x轴和y轴两个方向的移动步数，共计移动M×M个位置；
[0012] 步骤1-2)对步骤1-1)中获得的每个位置的星点数据进行预处理，所述预处理包括暗场标定和平场标定，获得预处理之后的星点像；
[0013] 步骤1-3)在每个预处理之后的星点像中，找到星点像峰值所在的像素，并以星点像峰值所在像素为中心选择一个正方形的计算区域；
[0014] 步骤1-4)对每个位置的星点像在步骤1-3)选择的计算区域内的部分进行重新组合，得到一幅参考星点像；
[0015]
[0016] 其中， 是点扩散函数沿x轴移动i步、沿y轴移动j步时的星点像在计算区域内的第m行第n列像素的值，1≤m≤n_roi，1≤n≤n_roi，n_roi是正方形的计算区域的边长，m和n为正整数；
[0017] 步骤1-5)计算参考星点像的质心：
[0018]
[0019] 其中， 为参考星点像的质心， 是重新组合得到的参考星点像的第p 行第q列像素的值，参考星点像的像素采样间隔是a/M，1≤p≤M×nroi，1≤q≤ M×nroi，p、q为正整数。
[0020] 作为上述方法的一种改进，所述M的取值范围为：4～10。
[0021] 作为上述方法的一种改进，所述正方形的计算区域的边长n_roi为5或7。
[0022] 作为上述方法的一种改进，所述步骤2)的重采样为：
[0023]
[0024]
[0025] 其中， 是质心相对于参考星点像偏移了(Δxc,Δyc)的重采样星点像。
[0026] 作为上述方法的一种改进，所述步骤3)中的质心偏移估计为：
[0027]
[0028] 其中， 是目标星点像以星点像峰值所在像素为中心的正方形的计算区域内的第m行第n列像素的值， 是目标星点像和参考星点像之间质心偏移的估计值。
[0029] 作为上述方法的一种改进，所述步骤4)中目标星点像的质心估计为：
[0030]
[0031] 其中， 是目标星点像以星点像峰值所在像素为中心的正方形的计算区域的左上角像素的坐标值， 是目标星点像的质心估计。
[0032] 本发明的优点在于：
[0033] 结合星敏感器光学系统的调制传递函数和图像传感器像素频率响应特性，本发明提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位方法；该方法不仅质心定位精度高，而且受光学系统像差影响小，可以在不增加现有星敏感器资源需求的情况下，能够有效提高星敏感器的测量精度。
附图说明
[0034] 图1是本发明的基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法的流程图。
具体实施方式
[0035] 现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0036] 参考图1，本发明的基于点扩散函数拟合的星敏感器质心定位方法包括以下步骤：
[0037] 步骤1)、在实验室中利用高精度转台让星敏感器点扩散函数在阵列探测器(CCD 或者APS)表面沿x轴和y轴以一定步长进行移动，使移动范围覆盖1个像素，在每个位置采集多帧星点像进行平均。
[0038] 步骤2)、对步骤1)中获得的每个位置的星点数据进行预处理，所述预处理包括暗场标定和平场标定，获得预处理之后的星点像。
[0039] 步骤3)、在步骤2)获得的初始位置的预处理之后的星点像中，找到星点像峰值所在的像素，并以星点像峰值所在像素为中心选择一个正方形的计算区域。
[0040] 步骤4)、对步骤2)中获得的每个位置的星点像在步骤3)得到的计算区域内的部分进行重新组合，得到一幅像素采样间隔很低的参考星点像。
[0041] 步骤5)、利用传统质心法计算步骤4)中得到的参考星点像的质心。
[0042] 步骤6)、利用步骤4)中得到的参考星点像，采用sinc函数进行插值得到精确的有效点扩散函数，从而可以得到任意位置的星点像的重采样。
[0043] 步骤7)、得到一幅目标星点像后，同样以星点像峰值所在像素为中心选择一个正方形的计算区域，然后将目标星点像计算区域内的部分和步骤6)中得到的重采样星点像进行最小二乘拟合，对目标星点像相对于参考星点像的质心偏移进行估计。
[0044] 步骤8)、将步骤5)中得到的参考星点像的质心和步骤7)中得到的目标星点像相对于参考星点像的质心偏移的估计以及目标星点像的计算区域左上角坐标进行求和，就可以得到目标星点像的质心。
[0045] 下面对本发明方法中的各个步骤做进一步的说明。
[0046] 在步骤1)中，沿x轴和y轴两个方向的移动步数均为M，移动步长为a/M，其中a为像素尺寸，共计移动M×M个位置。M的选择与镜头F数、离焦量的大小有关，为了保证点扩散函数重构精度，减少运算量，一般取4～10。
[0047] 在步骤1)中，在每个位置采集星点像的帧数与探测器噪声、背景噪声水平等有关，为了减少噪声的影响，一般帧数应大于10。
[0048] 在步骤3)中，正方形计算区域的大小根据星点像大小确定，可以是5×5、7×7 等。窗口大小的选择，如果过大会影响计算速度；而如果过小，则会由于信号截断产生误差。
[0049] 在步骤4)中，具体的星点像重新组合的方式如下式(1)：
[0050]
[0051] 其中 是点扩散函数沿x轴移动i步、沿y轴移动j步时的星点像在计算区域内的第m行第n列像素的值，m、n的取值范围是从1到n_roi，n_roi是计算区域的大小；
[0052] 在步骤5)中，利用传统质心法计算参考星点像质心的具体方法是：
[0053]
[0054] 其中 是计算得到的参考星点像的质心， 是重新组合得到的参考星点像的第p行第q列像素的值，参考星点像的像素采样间隔是a/M，p、q的取值范围是从1到M*n_roi。
[0055] 由于经过步骤1)中的多帧星点像平均，参考星点像的噪声很低，所以参考星点像质心计算结果的随机误差很小。另外由于参考星点像的像素采样间隔很低，计算结果的系统误差也会很低。
[0056] 在步骤6)中，有效点扩散函数是光学系统点扩散函数和像素响应函数的卷积，星点像是有效点扩散函数的采样，采样间隔为像素尺寸a。
[0057] 在步骤6)中，仿真和实验结果表明有效点扩散函数的高频分量非常低。因此，虽然参考星点像的采样间隔a/M一般不能满足采样定理的要求，用sinc函数插值重构有效点扩散函数的精度可以满足要求。
[0058] 在步骤6)中，具体的通过插值得到任意位置星点像的重采样的方法如下式(3)：
[0059]
[0060] 式中 是质心相对于参考星点像偏移了(Δxc,Δyc)的重采样星点像。
[0061] 在步骤7)中，计算区域的大小形状与步骤3)中的保持一致。
[0062] 在步骤7)中具体的质心偏移估计方法如下式(4)：
[0063]
[0064] 式中 是目标星点像在计算区域内的第m行第n列像素的值， 是目标星点像和参考星点像之间质心偏移的估计值。
[0065] 在步骤8)中，具体的计算目标星点像的质心的方法如下：
[0066]
[0067] 式中 是步骤7)中选择的计算区域左上角像素的坐标值，是目标星点像的质心估计。
[0068] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
