近地条件下基于FPGA的星敏感器星点提取算法研究

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星敏感器是目前常用来为飞机、导弹、航天器等装备提供姿态信息的一种用于进行高精度姿态测量的设备。星敏感器由星图获取、星点提取、星图识别和姿态计算四部分组成。其中星点提取目的是从星图中提取出有效星点质心坐标,星点提取的精确度将会影响后续姿态解算精确度。实际星图中存在诸多干扰因素,比如暗星、月光以及传感器噪声等,这些并不是星点像素,却消耗了大量缓存资源并且降低了星点提取算法实时性,多种异形星点光斑也会导致星点提取算法出现星点误检测。本文针对在近地复杂夜空背景下星点提取的应用需求,以在硬件平台上实现星点提取为重点,围绕复杂背景高下精准度星点提取问题展开研究,具体内容如下:(1)为了提高复杂背景条件下星图星点分割能力,提出一种基于双重梯度阈值的星点分割算法,这是一种采用交叉一维梯度结构元素来处理二维星图的星点分割算法。此方法一共分为两步,首先,在二维尺度上对星图进行梯度计算与统计并最终确定相应的全局梯度阈值和自适应梯度阈值矩阵;其次,利用上一步梯度阈值限制结果,进行同维度下星点窗口梯度二次判定偏移以获取更完整星点信息。与其他方法相比,该方案具有更强的抗背景干扰能力和更好的鲁棒性。(2)提出一种基于FPGA硬件平台的低资源占用下星点提取算法,该算法具有动态结构,相比于传统连通域分割方法,该方法可快速整合等效性成分,提高分支迭代更新速度,减少模块内部分支数目,降低硬件资源消耗,并且该方案只需要扫描星图一次。相比于其他基于硬件平台的星点提取算法,此算法可在低内存和逻辑消耗下达到相同星点提取精度。(3)改进了硬件平台中传感器在多通道模式下的星点提取方案,采用多通道星图拼接解决由于多通道传输产生星点误识别,利用连续四像素传输方案代替原有硬件平台的分离四通道像素传输方案,针对近地星图中的杂散光噪声、传感器噪声及暗电流噪声等问题,提出相应的窗口噪点去除方案、四联通邻域筛选方案等,可提高星图信噪比,有效提高星点提取精准度并减小星点误识别的几率。
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