一种用于星敏感器姿态测量的超分辨率成像方法
阅读说明：本技术 一种用于星敏感器姿态测量的超分辨率成像方法 (Super-resolution imaging method for star sensor attitude measurement ) 是由 王子寒 李玉明 郑然� 程会艳 武延鹏 王立 王苗苗 严微 曹哲 刘山山 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：本专利一种用于星敏感器姿态测量的超分辨率成像方法,方法包括：基于传统的超分辨率成像理论,建立星敏感器超分辨率成像模型,通过分时连续采集的原分辨率图像进行图像配准,建立二维像素点云,利用图像重建方法实现超分辨率图像复原；基于星敏感器超分辨率成像模型,结合星敏感器的工作方式,提出利用超分辨率成像方法进行星敏感器姿态识别的实现方法。(The patent relates to a super-resolution imaging method for star sensor attitude measurement, which comprises the following steps: based on the traditional super-resolution imaging theory, a star sensor super-resolution imaging model is established, image registration is carried out through an original resolution image which is continuously acquired in a time-sharing mode, two-dimensional pixel point cloud is established, and super-resolution image restoration is realized by using an image reconstruction method; based on a super-resolution imaging model of the star sensor, a realization method for recognizing the attitude of the planet sensor by using a super-resolution imaging method is provided by combining the working mode of the star sensor.)
技术领域
本专利涉及超分辨率成像和星敏感器领域，特别涉及一种用于星敏感器姿态测量的超分辨率成像方法。
背景技术
如图1所示，星敏感器作为卫星平台重要定姿设备，其工作原理为对空间恒星成像，获得恒星观测矢量，采用星图匹配的方法确定星敏感器三轴在惯性空间的指向，利用敏感器本体坐标系和卫星本体坐标系的转换关系，确定卫星在惯性空间的姿态。星敏感器的星点定位精度是决定星敏感器姿态测量精度的关键因素，图像传感器的分辨率是星敏感器星点定位精度的核心指标。与低分辨率图像传感器相比，高分辨率图像传感器可以还原真实场景的更多细节信息，如星点的边缘轮廓。
当前，成熟的星敏感器分辨率已达2K。更高分辨率的图像传感器(4K， 5K等)仍在研制和验证，与此同时也带来了更高的物质、人力成本和研发周期。此外，高分辨率图像传感器的研制面临大面阵难以获取、高成本和高功耗等问题。
超分辨率成像方法可将具有亚像素位移的多帧低分辨率图像融合成一帧高分辨率图像。对于一类成像系统，即光学系统的空间分辨能力强(衍射极限小) 而图像传感器分辨能力弱(像素尺寸大，空间采样率低)的成像系统，超分辨率成像的效果等同于减小图像传感器的像素尺寸，提高空间采样频率，同时不影响图像传感器的灵敏度。
成像系统可看做光学信息的低通滤波器。对于星敏感器而言，典型的星点图像具有数十个像素，而星点边缘颗粒感强，损失了星点图像边缘的高频信息。超分辨率成像方法提高了成像分辨率，是一种有效的图像复原方法，可恢复图像边缘的高频信息。已有的关于星敏感器星点定位精度的研究大多集中于软件算法，如点扩散函数标定、像素标定等，对于超分辨率成像方法的研究主要面对自然场景、医学等领域，尚未有研究成果将超分辨率成像方法应用于星敏感器姿态测量。
发明内容
本专利的目的在于：提供一种星敏感器星图预处理的新方法，利用超分辨率成像技术提高成像分辨率，实现高分辨率图像复原，进而提高星点定位精度和姿态测量精度。该方法主要在于改进已有软件算法，适用于大部分星敏感器。
本专利的技术方案是：一种星敏感器的超分辨率成像方法，包括以下步骤：
(1)利用预报的星点坐标和单帧星图姿态解算方法，计算当前帧图像的姿态；
(2)计算前M-1帧相对于当前帧图像的相对姿态；
(3)将前M-1帧星点窗口图像像素映射到当前帧图像坐标系，需通过判断导航星号，对星点图像进行分别处理；
(4)计算得到重构的高分辨率图像；
(5)利用星图处理算法，计算重构的高分辨率图像的姿态；
(6)判断当前姿态是否满足迭代终止条件；满足则进行下一步，否则更新当前帧图像的姿态，回到步骤(2)；
(7)更新历史星图，输出当前姿态。
所述步骤(2)计算前M-1帧相对于当前帧图像的相对姿态的具体过程为：
星敏感器随着卫星进行低角速度旋转运动，认为当前帧图像与前M-1帧图像具有相同的视场和观测星，且相邻图像之间存在亚像素位移；计算第i帧与当前帧图像的相对姿态矩阵，计算公式如下：
其中，A0为当前帧的姿态矩阵，Ai为第i帧的姿态矩阵。
所述步骤(3)通过下述方法实现前M-1帧星点图像到当前帧图像坐标系的转换：
利用计算的相对姿态矩阵，并通过识别的观测星序号，将同一星点的图像映射到当前帧图像坐标系中；第i帧像素坐标到当前帧图像坐标系的转换公式如下：
[ui0，vi0]＝F(ui，vi)＝C(x，y，z)Ai0K(ui，vi) (2)
其中，[x，y，z]＝K(u，v)为像素坐标(u，v)到入射光空间三维向量(x，y，z)的转换函数，[u，v]＝C(x，y，z)为入射光空间三维向量(x，y，z)到像素坐标(u，v)的转换函数，K(u，v)和C(x，y，z)由星敏感器标定参数确定。
所述步骤(4)中利用网格法和插值法，得到重构的高分辨率图像。
所述迭代终止条件包括两个，条件1为迭代次数达到阈值限定的次数，条件2为姿态质量参数TASTE小于校验值TASAMP。
本专利与现有技术相比的优点在于：
本方法提供了一种通用性强、灵活性高，适用于各种型号、尺寸和类型的成像敏感器的超分辨率成像方法和新颖的星敏感器星点提取和姿态计算方法。本专利首次将超分辨率成像技术用于星敏感器，融合了对恒星多次成像获取的空间信息，在成像层面上提高星点定位精度，与现有技术相比，具有实质性特点和进步。本方法提出的超分辨率成像方法设计灵活、扩展性强，可根据不同产品的需求(如精度或分辨率需求)，以及星敏感器的计算能力对算法参数进行灵活配置。本方法可作为功能模块直接嵌入到现有星敏感器的算法中，便于现有产品的软件升级和在研产品的研究测试。此外，传统的超分辨率成像技术需进行图像配准，运算量大，而星敏感器利用特有的恒星识别技术，可实现快速且精确的星图坐标映射，无需图像配准，实用性强。本方法易于软件仿真和硬件实现，对星敏感器的硬件配置要求不高，实用性强，相对于使用更高分辨率的图像传感器，该发明可大大节省人力、物质和时间成本，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是超分辨率成像原理图；
图2是亚像素位移成像原理图；
图3是星敏感器姿态识别流程图，3a为传统星敏感器星图处理流程，3b 为利用超分辨率成像方法的星敏感器星图处理流程。
具体实施方式
以下结合附图3和具体实施例对本专利进行详细说明。
步骤1：利用预报的星点坐标和单帧星图姿态解算方法，计算当前帧图像的姿态
首先利用预报的星点坐标信息进行星点窗口图像提取，得到星点坐标，然后利用标定系数，计算观测星角距，然后通过三角形/四边形匹配法进行星点匹配识别，然后进行姿态解算。
本专利实例中，以图3所示星图处理流程为例，其它基于超分辨率图像重构的星图处理流程，本专利仍然适用。
步骤2：计算前M-1帧相对于当前帧图像的相对姿态
不同于传统的超分辨率成像技术，星敏感器通过对恒星的匹配、识别可计算出精确的星敏空间姿态，其精度优于亚像素级，同时优于传统的图像配准算法精度，利用星敏感器的姿态信息可计算出不同时刻图像间的相对姿态，即实现高精度图像配准。
星敏感器随着卫星进行低角速度旋转运动，可认为当前帧图像与前M-1帧图像具有相同的视场和观测星，且相邻图像之间存在亚像素位移，如图2所示。分别计算第i帧与当前帧图像的相对姿态矩阵，计算公式如下：
其中，A0为当前帧的姿态矩阵，Ai为第i帧的姿态矩阵。
步骤3：将前M-1帧星点窗口图像像素映射到当前帧图像坐标系
利用计算的相对姿态矩阵，并通过识别的观测星序号，将同一星点的图像映射到当前帧图像坐标系中。第i帧像素坐标当前帧图像坐标系的转换公式如下：
[ui0，vi0]＝F(ui，vi)＝C(x，y，z)Ai0K(ui，vi) (2)
其中，[x，y，z]＝K(u，v)为像素坐标(u，v)到入射光空间三维向量(x，y，z)的转换函数，[u，v]＝C(x，y，z)为入射光空间三维向量(x，y，z)到像素坐标(u，v)的转换函数，K(u，v)和C(x，y，z)由星敏感器标定参数确定。
步骤4：利用网格法和插值法，得到重构的高分辨率图像
以单个星点图像窗口分辨率为16＊16为例，对4帧(M＝4)图像进行超分辨率图像重构，则在构建二维点云后，建立32＊32细分网格进行像素区域划分，进而对每个像素节点利用相邻像素值进行插值运算，求取最终图像的像素值，进而得到高分辨率星点窗口图像。
本专利实例中，星点图像窗口分辨率为16＊16，对4帧(M＝4)图像进行超分辨率图像重构，对于其它窗口大小和处理的图像帧数，本专利仍然适用。
步骤5：利用星图处理算法，计算重构的高分辨率图像的姿态
处理方法同步骤1。
步骤6：判断当前姿态是否满足迭代终止条件
满足迭代终止条件则进行下一步，否则更新当前帧图像的姿态，回到第2 步。迭代终止条件1为迭代次数达到阈值限定的次数，条件2为姿态质量参数 TASTE小于校验值TASAMP。
步骤7：更新历史星图，输出当前姿态
将当前帧星点窗口图像和相应姿态存入历史星图库，并删除时刻最早的一帧图像和姿态数据。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本专利的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。
本专利未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。