一种星敏感器高能粒子干扰抑制方法

摘要

一种星敏感器高能粒子干扰抑制方法，该方法结合星敏感器的工作模式，分为全天球捕获模式和窗口跟踪模式两种。全天球捕获模式高能粒子干扰抑制方法和窗口跟踪模式高能粒子干扰抑制方法，均包括星点初选和初选星点验证。本发明有效地抑制了带电粒子干扰，在各种空间辐射环境下，星敏感器跟踪性能和识别成功率都得到提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种星敏感器高能粒子干扰抑制方法。 

背景技术

空间辐射环境是诱发航天器故障和异常的主要因素之一，随着航天器寿命的不断增长和集成电子元器件的广泛应用，空间辐射诱发故障的可能性也在增加。对有着高安全性、高可靠性要求的航天器来说，研究空间辐射环境对航天工程的影响从而制定相应的防护对策是十分重要的。 

国内外大量资料表明，星敏感器在太空工作一段时间经辐照后，会产生诸如信噪比变小，热像素增多，暗电流不均匀性扩大等工作性能下降现象；采用星敏感器进行姿态确定的卫星在经过南大西洋异常区(SAA)时屡屡发生姿态异常行为，星敏感器因为有伪信号存在在数分钟内不能正确确定姿态，或发生姿态迷失现象；在太阳质子暴发期间，光电探测器件会产生大量的噪声和伪星点目标，甚至使星敏感器“致盲”而长时间（数天或者更长时间内）不能正常工作。研究空间环境辐射对星敏感器的影响并制定相应的防护对策是十分重要的。 

作为重要的姿态测量设备，当前星敏感器广泛采用光电成像器件和数字集成电子器件，对空间辐射较为敏感，因此受空间辐射影响而出现工作异常的现象屡屡发生。对此，国外做了大量的实验并进行了较为深入的研究，一些星敏感器生产商根据各自星敏感器的特点针对空间辐射效应进行了相应的硬件和软件改进加固处理，这些措施或多或少地缓解了空间辐射对星敏感器工作性能的影响；国内星敏感器研制单位对星敏感器辐射效应也有一定认识， 但主要集中在总剂量效应分析和防护上面，对引起星敏感器工作异常的瞬态效应尚未进行深入研究分析和制定相应的对策。 

总而言之，国内外对星敏感器剂量效应的研究已较为深入，相应的防护加固技术和理论已相当成熟，所以剂量效应已不再是影响星敏感器发展的重要因素。当前情况，对星敏感器工作影响最为严重的是光电探测器件的瞬态效应，这是使星敏感器出现工作异常的主要因素，也是当前星敏感器空间辐射效应研究的关注点。 

带电粒子入射到靶物质中时，与其路径上的靶物质的电子发生为库仑相互作用，把一部分动能传给靶物质的电子从而使一部分电子脱离原子的束缚成为自由电子。此部分辐射产生的载流子（自由电子）可以向光子产生的电子一样收集起来当作有用信号读出，由于它们一个周期读出完毕对下一个周期没有影响，所以称之为瞬态效应。 

航天器结构材料主要是铝合金，以及其它一些复合材料。用SRIM软件仿真即可看出十多兆电子伏的粒子即可穿过几毫米厚的铝防护层。对高能粒子来说，一般的屏蔽防护不起作用，且高能粒子在穿过屏蔽材料的过程中，会与屏蔽材料相互作用产生较多的二次粒子，对FPA(Focal Plane Array)的影响更为恶劣。对当前所用的成像器件来说，在硅中电离产生一对电子空穴对只需要约3.62eV。所以一个较低能量的粒子入射到成像器件上就会产生较大的噪声信号。由前面的分析可知，采取增加屏蔽厚度抑制瞬态伪星点的形成收效甚微，应当设计粒子抑制算法，有效地剔除伪星点。 

国外各主要星敏感器生产商关于星敏感器的辐射效应已有较为深入的认识，大都在其设计制造过程中考虑到了空间辐射影响这一因素，并在工艺或 软件算法等方面做了一定的抗辐射处理。同时，各相关研究单位对星敏感器所用的对辐射敏感部件也做了较多的实验分析工作，建立相关模型，并在此基础上提出了一些抗辐射干扰处理算法。 

为保证星敏感器在各种空间辐射环境下正常工作，美国的JPL实验室对星敏感器所用的各种光电探测器件的辐射效应做了大量的实验，比较分析了它们受辐射影响后的性能，建立了相应的模型和仿真算法，并较早的完成了有较好抗辐射能力的基于CMOS APS(Active Pixel Sensor)星敏感器架构，如文献1（Liebe C C,Alkalai L,Domingo G,et al.Micro APS based star tracker[C].Aerospace Conference Proceedings,IEEE,March 2002）所述，但对星敏感受空间辐射效应的后期处理研究相对较少。 

在文献2（Miller K B,Connor T O.Radiation effects on Stellar Reference Sensors[J].AAS,2005）中，美国的Ball宇航科技公司(Ball Aerospace&Technologies Corp.)对公司的产品进行了系统级的辐射实验分析，并对如何消除空间辐射对星敏感器产品的影响提出了一些设想，但主要集中的硬件电路和制造工艺的改进设计方面，不易实现。 

美国HDOS(Hughes Danbury Optical Systems)公司在文献3中（Flynn D J,Fowski W J,Kia T.Flight Performance of TOPEX/POSEIDON Star Trackers[J].SPIE,Space Guidance,Control,and Tracking,1993,1949:149～163）提到从1992年生产的HD系列星敏感器具有空间碎片和空间辐射粒子产生的伪星点识别抑制能力，可以在每帧150次瞬态效应时，星敏感器仍可正常的捕获跟踪，在SAA区可以保持正常工作，未发生性能退化和异常现象。文献4（Garrish J,Bostock C.Star Trackers for Space Station  Freedom[J].SPIE Space Guidance,Control and Tracking,1993,1949:118～126）与文献5（Cassidy L W.Mininature Star Tracker[J].SPIE Space Guidance,Control and Tracking,1993,1949:110～117）指出从HD-1002开始采用地面模拟器仿真质子辐照成像干扰试验，经过元器件抗辐射性能的筛选和其它改进后的微型星敏感器HD-1003可以在较高密度质子流情况下保持精度和长寿命，并未提到对软件做任何改进。 

在文献6[Hopkinson G R.Proton-Induced Changes in CTE for N-Channel CCDs and the Effect on Star Tracker Performance[J].IEEE Transactions on Nuclear Science,47(6):2460～2465,2000]、文献7[Hopkinson G R,Dale C J,and Marshall P W.Proton Effects in Charge-Coupled Devices[J].IEEE Transaction on Nuclear Science,43(2):614～627,1996]和文献8[Hopkinson G R,Mohammadzadeh A,and Harboe-Sorensen R.Proton Effects on a Radiation-Tolerant CMOS Active Pixeel Sensor[J].IEEE Transaction on Nuclear Science,51(5):2753～2762,2004]中，英国的星敏感器生产设计人员也对星敏感器尤其是成像器件的辐射效应影响给予了较多关注，Sira光电技术公司的Hopkinson等人对星敏感器成像器件CCD和APS的受空间辐射后的星敏感器的性能变化情况做了大量的实验，指出空间辐射会降低光电探测器件的性能同时还会产生瞬态效应，但对空间辐射防护和抗干扰算法的研究较少。 

国内星敏感器起步较晚，且较长时间内集中在第一代和第二代星敏感器产品设计开发，空间辐射影响的问题并不是非常突出。随着国内星敏感器技术的不断进步，光电探测器件和集成电子元器件得到广泛应用，同时因长寿命高精 度高可靠性的要求，空间辐射效应已成为影响星敏感器工作的性能的重要因素，对此国内星敏感器研制单位也进行了一些相关的研究工作。 

文献9[李承东.基于CMOS器件的嵌入式星敏感器设计[D].2004,北京航空航天大学硕士论文]指出APS比CCD器件有更好的抗辐射性能，进行了基于有较强抗辐射能力的APS和RISC(Reduced Instruction Set Computer，简化指令计算机)的架构的星敏感器的研制工作。 

文献10[孙才红.轻小型星敏感器研制方法和研制技术[D].2002,中科院国家天文台博士论文]对空间辐射环境下的星敏感器的单粒子事件和成像器件的位移损伤和总剂量效应做了一些实验研究工作，但较多地停留在定性的分析上面。文献11[李春艳.高精度轻小型星敏感器系统设计与技术研究[D].2006,中科院天文台博士论文]指出了光电探测器件空间辐射粒子成像与星点成像具有差异性，但并没有给出定量的分析和相应的处理算法。 

从查询到的资料来看，虽然国内一些单位对敏感器的成像器件做过一些辐照实验工作，也对空间辐射引起的伪星点现象有一定的认识，但系统的分析空间辐射对星敏感器的影响情况，还尚未有公开文献记录。为了提高星敏感器的可靠性和鲁棒性，分析空间辐射对星敏感器的影响，从而制定相应的防护对策已成为星敏感器设计人员的迫切需要。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种星敏感器高能粒子干扰抑制方法，该方法识别出高能粒子产生的大量伪星点并予以剔除，从而抑制了高能粒子干扰，该方法实现简单，时间复杂度低。 

本发明的技术解决方案是：一种星敏感器高能粒子干扰抑制方法，所述 星敏感器包括全天球捕获模式和窗口跟踪模式两种工作方式，当星敏感器工作在全天球捕获模式时，所述星敏感器高能粒子干扰抑制的方法包括如下步骤： 

（1）根据所述星敏感器捕获的星图进行星点提取； 

（2）对所述提取出的星点进行验证，去除伪星点，得到真星点，从而实现高能粒子干扰抑制； 

当星敏感器工作在窗口跟踪模式时，所述星敏感器高能粒子干扰抑制的方法包括如下步骤： 

（a）根据星敏感器进入窗口跟踪模式时的预估姿态确定星点的预估位置，进而确定窗口位置； 

（b）对所述提取出的星点进行验证，去除伪星点，得到真星点，从而实现高能粒子干扰抑制。 

所述步骤（1）中根据所述星敏感器捕获的星图进行星点提取具体为： 

（2.1）建立提取区域，即将所述捕获到的星图分等为多个正方形窗口； 

（2.2）在每个窗口内提取星点，剔除伪星点，包括： 

（2.2.1）星点提取过程中，记录像素灰度≥2^b-1的像素个数，如果个数≥sat_pixels，则视为伪星点，b为星敏感器的有效位数，sat_pixels为预设值，为正整数； 

（2.2.2）只有1行或1列的像素块，视为伪星点； 

（2.2.3）行数仅有2行的像素块，若其列数≤9，且两行中像素数相差≤2，则为真星，否则为伪星； 

（2.2.4）对于列数仅有2列的像素块，若其行数≤9，且两列中像素数 相差≤2，则为真星，否则为伪星； 

（2.2.5）如果像素行数或者列数≥row_col_max，则为伪星；row_col_max为预设值，且为正整数； 

（2.2.6）如果像素行数×像素列数/像素数≥area_ratio，判为伪星；area_ratio为预设值，且为正整数； 

（2.3）如果剔除伪星点之后的剩余星点的个数大于等于30个，则对所述剩余星点进行能量从高到低的排序，保留前30个星点，否则全部保留； 

（2.4）在单幅星图提取完成之后，如果该星图为第一拍星图，则跳转至（2.6），如为第二拍星图，则与前一拍星图的提取星点进行能量和位置比对，剔除满足以下任何一个条件的星点：能量比值≥E_ratio，像素距离≥pixel_dist1，之后进入步骤（2.5）； 

（2.5）剔除距离过近的星点，即剔除同时满足以下条件的星点，之后进入步骤（2.6）： 

（2.5.1）存在与另一星点的像素距离≤Dist；Dist=ceil(V_width×1.414)+2；V_width为所述步骤（2.1）中窗口的边长，ceil(x)输出大于x的最小整数； 

（2.5.2）该星点与步骤（2.5.1）中所述另一星点相比，能量较低； 

（2.6）将剩余星点作为初选星点输出。 

所述步骤（2）中对所述提取出的星点进行验证，去除伪星点，得到真星点，从而实现高能粒子干扰抑制具体为: 

（3.1）根据初选星点位置，开辟相应窗口，窗口大小为V_width×V_width，在窗口内提取星点，最大提取星数为10颗，然后进行星点剔除； 

（3.2）根据验证帧序号确定验证距离阈值，方法如下： 

验证帧序号＝1，验证距离阈值=pixel_dist2 

验证帧序号>1，验证距离阈值=pixel_dist3 

（3.3）针对每个窗口内的所有提取星，按如下条件选择一个合格星点： 

能量与初选能量比值<E_ratio并且与初选星点位置距离小于验证距离阈值；如不存在上述星点或存在多个合格星点，则该初选星点被删除； 

（3.4）将（3.3）中选出的所有窗口内的合格星点汇总，作为本帧验证的合格星点； 

（3.5）按照步骤（3.1）～（3.4）遍历所有帧的星图，得到所有的合格星点。 

所述（a）根据星敏感器进入窗口跟踪模式时的预估姿态确定星点的预估位置，进而确定窗口位置，进行星点提取具体为： 

（4.1）根据当前帧的角速度及前一帧的姿态得到当前帧的预估姿态； 

（4.2）根据预估姿态，在导航星表中检索可能出现在视场中的导航星； 

（4.3）将所述可能出现在视场中的导航星在惯性坐标系中的坐标转换到像面坐标系中，得到的坐标位置即为预估位置，以预估位置为窗口中心，确定窗口位置，窗口大小为V_width×V_width。 

所述步骤（b）对所述提取出的星点进行验证，去除伪星点，得到真星点，从而实现高能粒子干扰抑制具体为： 

（5.1）在每个窗口内提取星点，剔除伪星点； 

（5.2）将步骤（5.1）中剩余星点的能量与前一拍对影星点的能量进行对比，如果能量比值≥E_ratio，则视为伪星点； 

（5.3）将步骤（5.2）中剩余星点的位置与所述预估位置对比，如果所述剩余星点的位置与所述预估位置之间的距离≥w_pixel_dist，则视为伪星点； 

（5.4）经过步骤（5.3）处理之后得到的剩余的星点即为真星点。 

本发明与现有技术相比的有益效果是： 

（1）本方法从空间高能粒子和恒星成像的特征出发，在软件上实现伪星点的剔除，简单易行； 

（2）本方法不局限于CCD或APS成像器件，具有普遍适用性； 

（3）本方法不对图像成像机理及时序做任何限制，易于实现。 

附图说明

图1为本发明流程图； 

图2是本发明全天球捕获模式执行过程示意图。 

具体实施方式

如图2所示，本发明提供了一种星敏感器高能粒子干扰抑制方法，所述星敏感器包括全天球捕获模式和窗口跟踪模式两种工作方式，当星敏感器工作在全天球捕获模式时，所述星敏感器高能粒子干扰抑制的方法包括如下步骤： 

（1）根据所述星敏感器捕获的星图进行星点提取；具体为： 

（1.1）建立提取区域，即将所述捕获到的星图分等为多个正方形窗口。假设星敏感器的像面分辨率为M×N,将像面划分成若干V_width×V_width大小的窗口，如此星图被等分成floor（M/V_width）×floor（N/V_width）个正方形窗口，其中floor(x)输出小于x的最大整数；M，N为预设值，正整数，本 发明中M=512,N=512。V_width为预设值，正整数，本发明中V_width=7。 

（1.2）在每个窗口内提取星点，剔除伪星点，包括： 

（1.2.1）星点提取过程中，记录像素灰度≥2^b-1的像素个数，如果个数≥sat_pixels，则视为伪星点，b为星敏感器的有效位数，sat_pixels为预设值，为正整数，本发明中sat_pixels=2； 

（1.2.2）只有1行或1列的像素块，视为伪星点； 

（1.2.3）行数仅有2行的像素块，若其列数≤9，且两行中像素数相差≤2，则为真星，否则为伪星； 

（1.2.4）对于列数仅有2列的像素块，若其行数≤9，且两列中像素数相差≤2，则为真星，否则为伪星； 

（1.2.5）如果像素行数或者列数≥row_col_max，则为伪星；row_col_max为预设值，且为正整数；本发明中row_col_max=10； 

（1.2.6）如果像素行数×像素列数/像素数≥area_ratio，判为伪星；area_ratio为预设值，且为正整数；本发明中area_ratio=2； 

（1.3）如果剔除伪星点之后的剩余星点的个数大于等于30个，则对所述剩余星点进行能量从高到低的排序，保留前30个星点，否则全部保留； 

（1.4）在单幅星图提取完成之后，如果该星图为第一拍星图，则跳转至（1.6），如为第二拍星图，则与前一拍星图的提取星点进行能量和位置比对，剔除满足以下任何一个条件的星点：能量比值≥E_ratio，预设值，E_ratio=1.5，像素距离≥pixel_dist1，预设值，pixel_dist1=6，之后进入步骤（1.5）； 

（1.5）剔除距离过近的星点，即剔除同时满足以下条件的星点，之后进 入步骤（1.6）： 

（1.5.1）存在与另一星点的像素距离≤Dist；Dist=ceil(V_width×1.414)+2；V_width为所述步骤（1.1）中窗口的边长，ceil(x)输出大于x的最小整数； 

（1.5.2）该星点与步骤（1.5.1）中所述另一星点相比，能量较低； 

（1.6）将剩余星点作为初选星点输出。 

（2）对所述提取出的星点进行验证，去除伪星点，得到真星点，从而实现高能粒子干扰抑制； 

具体为: 

（2.1）根据初选星点位置，开辟相应窗口，窗口大小为V_width×V_width，在窗口内提取星点，最大提取星数为10颗，然后进行星点剔除； 

（2.2）根据验证帧序号确定验证距离阈值，方法如下： 

验证帧序号＝1，验证距离阈值=pixel_dist2，为预设值，本发明中pixel_dist2=6； 

验证帧序号>1，验证距离阈值=pixel_dist3，为预设值，本发明中pixel_dist3=2 

（2.3）针对每个窗口内的所有提取星，按如下条件选择一个合格星点： 

能量与初选能量比值<E_ratio并且与初选星点位置距离小于验证距离阈值；如不存在上述星点或存在多个合格星点，则该初选星点被删除； 

（2.4）将（2.3）中选出的所有窗口内的合格星点汇总，作为本帧验证的合格星点； 

（2.5）按照步骤（2.1）～（2.4）遍历所有帧的星图，得到所有的合格 星点。 

当星敏感器工作在窗口跟踪模式时，所述星敏感器高能粒子干扰抑制的方法包括如下步骤： 

（a）根据星敏感器进入窗口跟踪模式时的预估姿态确定星点的预估位置，进而确定窗口位置，具体为： 

（a.1）根据当前帧的角速度ω_t及前一帧的姿态Q_t1，计算当前帧的预估姿态Q_t。假设当前时刻为t，前一时刻为t₁，则中心时刻旋转矢量[p₁,p₂,p₃]=ω_t×(t-t₁)/2，从t₁到_t时刻星敏感器的旋转角度为φ=‖ω‖×(t-t₁),则旋转矢量d₄=sin(φ/2)，星敏感器在t时刻的姿态 $Q_t=\left(\begin{array}{cccc}{d}_4& d_3& -d_2& d_1\\ -d_3& d_4& d_1& d_2\\ d_2& -d_1& d_4& d_3\\ -d_1& -d_2& -d_3& d_4\end{array}\right)\times Q_{t1}.$

（a.2）根据上述预估姿态Q_t，在导航星表中检索可能出现在视场中的导航星； 

（a.3）将所述可能出现在视场中的导航星在惯性坐标系中的坐标转换到像面坐标系中，得到的坐标位置即为预估位置，以预估位置为窗口中心，确定窗口位置，窗口大小为V_width×V_width； 

（b）对所述提取出的星点进行验证，去除伪星点，得到真星点，从而实现高能粒子干扰抑制。 

（b.1）在每个窗口内提取星点，剔除伪星点； 

（b.2）将步骤（b.1）中剩余星点的能量与前一拍对影星点的能量进行对比，如果能量比值≥E_ratio，则视为伪星点； 

（b.3）将步骤（b.2）中剩余星点的位置与所述预估位置对比，如果所述剩余星点的位置与所述预估位置之间的距离≥w_pixel_dist，为预设值，本发明中w_pixel_dist=2，则视为伪星点； 

（b.4）经过步骤（b.3）处理之后得到的剩余的星点即为真星点。 

实施例1 

（1）首先拍摄星图如图2（A）所示，将星图划分成若干个71×71的小窗口。 

（2）在每个窗口内开展星点提取。 

（3）根据星点判定规则，候选星点2只有一列，视为伪星点，剔除。 

（4）候选星点4、5位于同一个窗口内，只保留亮度最高的一颗，剔除星点5，得到候选星点1，3，4，6，7，8，9，如图2（B）所示。 

（5）对于下一幅星图如图2（C）所示，采取上述步骤处理，得到候选星点1，3，4，5，6，7，8，9，如图2（D）所示。 

（6）将图2（D）中提取的星点与图2（B）中提取的星点比较验证，由于星点3，7距离较远超过阈值，予以剔除；同时星点5在图2（B）中无对应的星点，予以剔除。 

（7）提取星点1，4，6，8即为合格星点，予以输出。