星敏感器星圖數據質量的研究與應用

中圖分類號：E919 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.04.012

引用格式：，.星敏感器星圖數據質量的研究與應用[J].指揮控制與仿真，2025，47（4）：80-86.SHENYT，ZHANGC.

Researchandapplyofthequalityofstarimageforstar tracker[J].CommandControlamp;Simulation，2O25，47（4）：80-86.

Research and apply of the quality of star image for star tracker

SHEN Yuteng，ZHANG Chi

（Shanghai Instituteof Spaceflight Control Technology，Shanghai 2O11O8，China）

Abstract：Inrecentyears，withthedevelopmentofcommercialspaceflight，therequirementsof theproductionqualityfor startracker incommercialsatelitebecome higherandhigher.Inthispaper，“SevenParameter ImageQuantitative Evaluation Standard\"is developed，which makesuseof the massive starimage dataaccumulated inthe productionofstar trackerand throughdata modeling theoryresearch.Theadjustmentofoptical machinefor Pistar trackerusethisstandard，andthe final measurementaccuracyof theproductforPistartracker wasverifiedbystargazing test，which prove thestandard is efectively and can improve the consistency of measurement accuracy of the product for Pi star tracker.

Key Words：commercial satellite；pi star tracker；star image data；consistency of measurement accuracy

星敏感器是航天器實現姿態感知、自主控制的重要儀器，具有精度高、可靠性高等特點，星敏感器的核心構成包含用于星點成像的光學系統、用于定點提取的圖像傳感器電路、星圖識別與姿態解算數據處理電路[1-3]。傳統的總裝質量檢測包括光機組件裝調標定、整機合蓋前后的光星模測試等，其中光機組件裝調標定是星敏感器研產過程中裝配操作最復雜、裝配精度最高、安全風險最大的操作環節，同時也是不同工序設備使用沖突最嚴重的環節。

在當前商業航天加速發展的背景下，星敏感器在橫向市場的需求量突增，為了達成高質高效產出，批量化服務商業衛星應用[45]，本文開發一套基于星點圖像數據的“7參數圖像量化評價標準”，通過對星點圖像數據應用分析預估光機組件標定精度情況，為提高大批量研產星敏感器測量精度一致性夯實基礎，繼而為商業衛星發展提供強有力的支撐[6

1 星圖數據的研究

在“天體-像照-電信號-位姿信息”的轉換中，天體成像是核心環節，因此星圖測試是評估星敏感器產品質量性能的關鍵手段之一，在總裝生產、外場觀星等過程中多次依靠星圖數據來判別星敏感器產品的質量性能[7]。利用星圖測試方法，能診斷恒星輻射能量波動、光學系統像差、光學系統結構熱穩定性、視場雜散光干擾、星圖視場能量分布極度不均、大視場成像角分辨率低等故障問題；外場觀星星圖數據基本“反映”產品的使用性能，如圖1所示，暗室的模擬觀星星圖數據是對星敏感器產品性能的全面檢驗。星圖數據與總裝生產過程的工藝參數密切相關，其隱含著豐富的產品質量信息和生產質量信息。

盡管星敏感器產品裝調中的星圖數據蘊含著豐富的產品質量信息和生產質量信息，但之前缺乏對星圖數據的系統研究，沒有形成量化的評價產品光機組件裝調生產質量的方法，只能依賴操作人員的裝調經驗對星圖圖像的對稱性、清晰度進行判讀，其人為評價誤差導致光機組件裝調反復操作。而星敏感器產品測量精度一致性只能依靠后續外場觀星測試環節確定結果，在外場觀星階段發現精度不達標往往會導致耗費大量人力物力進行光機組件的重復裝調與標定，其評判結果一致性較差。因此，急需對星圖數據進行研究，得出評價星圖質量的量化指標。

圖1星圖數據示意圖Fig.1The schematic diagram of star image data

1.1星點圖像建模

星點圖像是恒星輻射信息經光學系統傳遞，在像面輸出灰度信息的能量轉換過程[8]。因此星點圖上的灰度信息既可以表征星點分布特征，又可以反映星點能量特征。考慮星點圖的實際特征，構建的特征模型如下：

（1）像斑大小（pxs_size）：像斑大小即為星點圖中每一個星點所占的像元數目。

（2）平均灰度（average_gray）：平均灰度表示星點的灰度平均值，即星點占據像元的灰度值之和與星點占據的像元數的比值。

（3）灰度集中度（gray_con）：灰度集中度表示星點內某一確定大小的同心像元區域的灰度和占星點灰度總和的百分比。

（4）信噪比（snr）：信噪比為星圖中星點目標的信號峰值與均方根誤差的比值。

基于灰度特征分析的星圖數字特征建模過程如圖2所示，利用像斑大小、平均灰度值、灰度集中度、信噪比這4個參數描述一個像圖，再對圖1的產品星圖測試結果進行產品質量特征建模，中心軸對稱型星敏感器產品的質量特征參數主要包括：

（1）中心點灰度極值;

（2）中心點灰度集中值；

（3）周對稱系數場。

圖2星點圖像灰度特征提取

Fig.2The gray feature extraction of star image

1.2星點特征數據觀測

作者分別以三個指標為軸繪制散點圖，如圖3所示，能夠看出各產品不同視場的星點圖指標數據具有一定的聚集性，相比標定數據也有更好的分辨力。

1.3視場中心星點圖灰度峰值與理論中心點的偏差建模

如圖4所示，根據視場中心星點圖的灰度峰值與理論中心點的偏差建模，其中偏差值計算公式為： a= 圖像偏差值越小，則星圖質量越好。

1.4左、右星圖與上、下星圖對稱性建模

如圖5所示，基于左、右星圖與上、下星圖對稱性建模，因為4項指標特征表征星點分布特征和能量特征，與具體的位置無關，則對稱性比較可以轉換為相似性比較。

左、上指標向量： a₁= （像斑大小，平均灰度，灰度集中度，信噪比） Φ=（x₁，y₁，z₁，u₁） 2

右、下指標向量： a₂= （像斑大小，平均灰度，灰度集中度，信噪比） Φ=（x₂，y₂，z₂，u₂） （20

圖3散點圖Fig.3The scatter diagram

2 星圖數據的應用

2.1 圖像量化評價標準確立

根據星點圖像建模與產品裝調質量參數的大數據對比，以及綜合考慮星點能量特征的量化標準[90]，本文提出全視場點目標像斑圖像的灰度和的均方差graystd、全視場點目標像斑圖像灰度值的能量一致性graybias、全視場點目標像斑圖像集中度grayconcent、灰度均值graymean、最大灰度值 gray_max 、最小灰度值gray_min 和對稱性graybalance共計7個指標參數作為評價星敏感器光機組件調試質量的判據。7個指標參數的具體含義、計算方法如下：

（1）全視場點目標像斑圖像的灰度和的均方差graystd，表示圖像 M₁～M₄ 和 M₆～M₉ 中星點能量的方差，計算方法為

（2）全視場點目標像斑圖像灰度值的能量一致性graybias，表示圖像 M_r～M_s 中星點能量分別與灰度均值graymean的偏差，圖像 M_i 中星點的能量一致性graybias，計算方法為

圖7向量內積相似性計算的指標值

Fig.7The index value of inner product similarity in vectors

圖8結構相似性計算的指標值Fig.8The index value of structural similarity

（3）全視場點目標像斑圖像集中度grayconcent，表示星點能量的聚集程度。理論的星點大小應為 3*3 ，因此以提取到的質心 S_i 為中心，開一個 3*3 大小的窗口，計算 3*3 窗口內的灰度和，為表征圖像 M_i 中理論星點的能量。能量集中度是分別計算圖像 M₁～M₉ 中理論星點的能量占實際星點能量的比值，該值越接近1，說明星點能量越聚集。圖像 M_i 中星點的能量集中度grayconcent計算方法為

（4）灰度均值graymean表示圖像 M_i～M₄ 和 M₆ ～ M₉ 中星點能量的灰度均值，計算方法為

（5）最大灰度值 gray_max 表示圖像 M₁～M₄ 和M₆～M₉ 中星點能量的最大值。

（6）最小灰度值 表示圖像 M₁～M₄ 和 M₆ ～M₉ 中星點能量的最小值。

（7）對稱性graybalance表示九宮圖中，左-右，上-下，左上-右下，右上-左下這4組圖像中星點能量的對稱性，計算方法為每組圖像中2個星點能量的比值。

本文研究基于以往大批量星敏感器裝調數據分析和星圖數據建模研究的基礎上，提出了“7參數圖像量化評價標準”的指標約束條件，其具體的約束條件如表1所示，若星點圖像同時滿足下述指標約束條件，則認為該產品光機組件標定結果滿足產品最終測量精度要求。

表1“7參數圖像量化評價標準”的指標約束條件Tab.1The indexconstraintof“Seven ParameterImageQuantitativeEvaluationStandard\"

2.2圖像量化評價標準在皮型星敏感器產品的應用

本文選擇了商業衛星型譜產品-皮型星敏感器（以下簡稱皮星敏）的產品1和產品2使用“7參數圖像量化評價標準”進行光機組件調試和標定，產品的量化指標如表2所示。

表2皮星敏產品“7參數圖像量化評價標準”指標

Tab.2The index constraint of “Seven Parameter Image Quantitative Evaluation Standard\"

本文對皮星敏產品1和產品2進行外場觀星測試，外場觀星測試如圖9所示，測試所得產品精度如圖10和圖11所示。由圖10和圖11可知，皮星敏產品1三軸總誤差分別為 x=4.84^′′，y=4.50^′′，z=39.81^′′ ;產品2三軸總誤差分別為 x=4.63^′′，y=4.79^′′，z=37.02^′′ 。該2臺產品均滿足測量精度要求 X 軸 ?^Y 軸 5^′′，Z 軸 50^′′ 的指標要求。

圖9商業衛星用皮星敏批量外場觀星測試照片 Fig.9The outfield stargazing photosof Pi StarTrackerincommercialsatellite

圖10皮星敏產品1精度圖

Fig.10Theprecision ofPi Star Tracker1

圖11皮星敏產品2精度圖

Fig.11 TheprecisionofPiStarTracker2

3 結束語

為了提升星敏感器生產制造中測量精度一致性，提高星敏感器研產水平，本文利用星敏感器研產中星點圖像的大數據分析和建模手段，提出了“7參數圖像量化評價標準”。作者按照這個標準對皮星敏產品光機組件裝調進行應用，通過后續外場觀星測試驗證滿足產品的測量精度要求，為提高后續產品研產的測量精度一致性夯實基礎。

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（責任編輯：胡前進）