图像处理技术在航天器中的应用
1.概述
航天器在太空中飞行，导航系统是航天器必不可少的重要设备，在航天器的飞行中具有 非常重要的作用。导航的主要任务即是在预先规定好飞行路线的条件下，以要求的精度，在指定的时间内将航天器引导至目的地。因此，导航系统在飞行过程中必须提供精确的导航参数：方位（姿态及航向）、速度、位置等。 常见的导航系统主要有无线电导航系统、惯性导航系统、GPS导航系统和天文导航系统等。
天文导航是基于已知天体的坐标位置和运动规律，应用观测天体的天文坐标值来确定航天器的导航参数。相比较其它的导航系统，天文导航是一种自主式导航，不需要地面设备，不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外界辐射能量，隐蔽性好；且定姿、定向、定位精度高，定位误差与时间无关，具有很好的应用前景。 单细胞生物2.天文导航概述
天文导航是利用天体测量敏感器测量得到的天体信息而进行导航，其前提是需要已知这些天体的特征信息和运动规律。目前常用的天体导航测量设备是星敏感器，星敏感器主要是通过获取天空中恒星的分布图像，通过对恒星相对位置的识别进而获取航天器的导航信息。 2.1.恒星的特性
天文导航以天体为观测对象，而恒星是用于天文导航最重要的一类天体。因此必须首先研究恒星的特性。
恒星的特性可以简要归纳如下：
股份制商业银行（1）恒星的距离
恒星离地球非常遥远，除去太阳，离地球最近的恒星是半人马座，其距离是4.22光年。因此，对于天文导航而言，可以吧恒星看成是距离无穷远的天体。
常熟市义庄小学（2）恒星的速度
波速测试仪 恒星顾名思义是位置恒定不变的星体。其实，恒星在宇宙空间是运动着的，而且运动速度很快。恒星的运动速度可以分解为视向速度和切向速度。前者是沿着观测者视线方向的分量；后者是同视向速度相垂直的分量，它表现为恒星在天球上的位移，常称为自行。我们一般只关心恒星的自行。恒星自行速度一般都小于0.1mpeg编码’’/年，迄今为止只发现有400余颗恒星的自行速度超过1’’/年。
（3）恒星的亮度
恒星能自行发光，这是它的本质特征。恒星的亮度是指从地球上所观测到的视亮度，它不仅与恒星的发光本领有关，还取决于恒星的距离。在天文学上，恒星的亮度用星等来表示，星等越低表示亮度越高。星等相差1等，亮度相差2.512倍，1等星的亮度为6等星亮度的100倍。天文上的星等基准起先是以毕宿五与牛郎星这两颗星为Mv=1.0的标准星，后来改以织女星为Mv=0.0的标准星来定义其他恒星的星等。人眼的裸视所能观测的极限星等约为6.0，天文望远镜所能观测的极限星等一般为10.0以上，例如哈勃太空望远镜所能观测的极限星等可达30.0。
（4）恒星的大小
虽然恒星本身的实际大小差别很大，但从地球上观察它们的张角都远远小于1’’，因此可以把恒星看作是一个理想的点光源。
综合上述恒星的特性，对于天文导航而言，恒星可以看成是无穷远的、近似静止不动的，具有一定光谱特性的电光源。
2.2.天球
为描述恒星的方位，必须建立一个坐标系用坐标值表示恒星在某一时刻的位置信息，这个坐标系即为天球坐标系。
（1）天球
森高社 天文学上为了与人们的直观感觉相适应，把天空假想成一个巨大的球面，即为天球。天球是以地球的球心为中心，半径无穷大的假想球面。
（2）天轴和天极
过天球中心作一条和地球自转轴平行的直线，这条直线称为天轴。天轴与天球的交点称
为天极。
（3）天赤道和天赤道面
过天球中心且与天轴垂直的平面与天球的交线称为天赤道，天赤道所在的平面称为天赤道面。
2.3.星表
将星空中的恒星的数据，按不同的需求编制而成的表册，称为星表。在星表中通常列有恒星的位置、自行、亮度、颜和距离等丰富的信息。星表是作为星图识别的依据，也是航天器飞行姿态确定的基础。
对于天文导航而言，我们感兴趣的信息只包括恒星的位置和亮度。恒星在天球球面上的投影点称为恒星的位置。恒星的位置分为平位置、真位置和视位置。标准星表中存储的恒星位置为恒星在标准历元（J2000）中的平位置。标准历元平位置加上由标准历元到当年年中的岁差和自行即得到当天的平位置，在当天的平位置加上章动则得到真位置。由太阳质心转换到地球质心，即加入光行差，则得到视位置，即为观测时刻恒星在赤经坐标系下
的坐标。为简单起见，我们一般直接采用标准星表中赤经和赤纬坐标，即标准历年平位置，这样参照坐标系可以看成是标准历年的平坐标系。因此，所计算的姿态可以理解为相对于标准历年平坐标系的姿态。
2.4.天文导航的系统组成
在航天器天文导航中，通常利用天体敏感器来实现对自然天体的观测，根据所观测到的天体的方位信息进行自主定姿定位导航。按照敏感天体的不同，天体敏感器可分为：恒星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器等。恒星敏感器（通常简称星敏感器）是当前广泛应用的天体敏感器，它以恒星矢量作为参考矢量，可以实现高精度的姿态测量。
基于星敏感器的天文导航系统通常由星敏感器、计算机、信息处理器等组成。其中星敏感器是其中的主要设备。
以下将主要介绍星敏感器，重点介绍星敏感器中的星图识别技术。
3.星敏感器的原理及结构
星敏感器的工作原理为：图像传感器（CCD或者CMOS）拍摄视轴指向星空的图像，图像经过信号处理电路提取出星点的位置（和亮度）信息，通过星图识别算法在导航星库中到观测星的对应匹配，最后利用这些匹配星的方向矢量信息计算出星敏感器的三轴姿态，从而确定航天器的空间姿态。典型的星敏感器工作原理框图如下所示：
图1.星敏感器工作原理框图
星敏感器是集光学、机械、电子、图像处理、嵌入式计算等技术于一体的仪器。其主要包括：遮光罩、镜头、图像传感器及其电路板、信号处理电路、机壳等部件构成。
其中遮光罩的作用是消除进入星敏感器图像传感器的外部杂散光，降低所获取星图的背景噪声。杂散光主要包括太阳光、地球反照光等，它们会对星敏感器的星点定位和星图识别程序产生很大的干扰。
镜头实现对恒星的成像，将无穷远的恒星成像到星敏感器的图像传感器焦平面上。
图像传感器是星敏感器的核心部件，实现光信号到电信号的转换。常用的图像传感器有CCD和CMOS两大类。后续的信号处理电路完成图像传感器的成像驱动、时序控制、星点定位、星图识别等各部分功能，并最终输出三轴姿态。
4.星图识别
星图识别是将星敏感器当前视场中的恒星与导航星库中的参考星进行对应匹配，以完成视场中恒星的识别，是准确确定航天器的空间姿态和位置的重要前提。
通常，将星对角距和星体亮度信息作为星图的基本特征信息，尤其是角距信息在星图识别中具有重要作用。
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