專利名稱：一種基于dmd的動態多星星圖模擬器及其模擬方法
技術領域：
本發明涉及空間技術，具體說就是一種基于DMD的動態多星星圖模擬器及其模擬方法。
背景技術：
多星模擬器(動態多星模擬)模擬一定視場的無窮遠平行光圖像。結合多星模擬軟件，主要用于檢測星敏感器成像、星圖識別、星跟蹤、姿態計算等功能指標是否正常，可模擬空間恒星的相對星等和星間角距，構成檢測用星圖。配備軟件可具備動態閉環功能，用于系統半物理模擬試驗及裝星閉環處理。星模擬器的主要任務是在實驗室里建立星敏感器地面標定和系統聯試所用的模擬星輻射源。同模擬其它天體一樣，使用者總是希望能在實驗室內有一臺真實反映天體輻射特性的裝置。原民德蔡司聯合體研制的多光管式星模擬器， 這套系統采用4個準直光管，在各自焦面上放置一定大小的針孔，光源照明后可產生16個模擬星像，用以驗證敏感器參數穩定性和設計的合理性。星模擬器是固定放置的，采用微調機構達到在每個光管焦面場內小范圍移動星點位置的目的。美國伊思曼柯達公司為NASA 研制的星模擬器。它是用三根布置成等腰三角形的光纖將色溫各異的光引到準直光管焦面上，模擬三個星點像，每個光路中可加各種不同的濾光片，模擬星等為2-8等，三個星點分別具有三種典型色溫恒星的光譜分布，三只星點放置在一個用激光干涉儀定位的精密工作臺上(精度0. Ιμπι，分辨率Ο.ΟΙμπι)。通過移動工作臺，改變星點在視場內的位置，可完成部分星場模擬，以對星敏感器進行功能檢測。以上兩個系統主要對星敏感器進行靜態測試， 其體積龐大，且不能實時閉環工作。美國休斯公司研制了一種星場模擬器。它采用了先進的液晶光閥技術，由計算機給出的模擬星圖實時地送到高分辨率液晶顯示屏上，照明系統照亮液晶屏產生模擬星點，再由光管送到星敏感器以完成其上星圖位置的比較測量，從而達到校正飛行器姿態的目的。國內從七十年代末開始在星模擬器方面進行探索性研究，在八十年代主要集中于單星模擬器方面的研制，即以像點質量、光譜型、絕對光度等技術參數作為研制對象。在進入九十年代后隨著我國星敏感器研究的發展和日益完善，加之圖形顯示器件產品的發展也日益成熟，開始在星場模擬方面作了大量的工作。“八五”期間，北京控制工程研究所成功研制了采用TFT式便攜式計算機液晶顯示器作為星圖生成器的第一代全天球實時恒星模擬器。該模擬器視場角為6° Χ6°，單星位置精度在30"以內，實時全軌道星模擬器的識別精度達ο <10"。由于TFT式有源液晶顯示器的顯示屏比較大，故第一代恒星模擬器體積大、精度差，使用操作不方便。1995年，北京控制工程研究所和中科院光電所共同完成的動態星模擬器，該模擬器視場角為6. 5° Χ5°，單星位置精度在30" 以內，星等范圍為2-6. 5等星，重量達5公斤，該星模擬器的星圖顯示器件采用液晶光閥實現了小型化。由于單片液晶光閥的象元數不夠，無法達到視場和分辨率要求，故型動態星模擬器設計中通過拼接兩片液晶光閥的方法來滿足視場及分辨率要求。西南科技大學研制的多星模擬器。采用TFT-IXD液晶光閥板作為星圖顯示器件，視場大小為16.2° Χ12.Γ， 星間角距誤差小于40 “，重量小于3kg，具有小型輕量化的特點。這些傳統的星模擬器的現實方式幾乎都采用了液晶光閥，由于液晶光閥存在以下缺點響應時間比較長，因此在動態圖像方面的表現不理想；對比度差，星等顯示精度差，模擬星等范圍小；顯示屏比較脆弱， 容易受到損傷，這就提高了星模擬器的使用和維護難度；在工藝上較難做大(主要是大屏幕成品率低)，因而星模擬器價格昂貴。從而不能滿足當前星模擬器高精度、星等范圍寬、 高動態、長壽命等要求。由于航天實驗費用昂貴，星敏感器的地面調試、軟件算法的最初模擬，不可能都進行實時星空拍攝，因此為了調試和評價星圖識別算法，有必要利用計算機在地面上模擬生成星敏感器實時拍攝到的星空圖片。星圖模擬器的發展趨勢是往小型化、高精度、大視場、多參數、高可靠性方向發展。而目前我國特別是在小型化、高精度等方面受到選用星圖顯示核心器件不夠理想的影響。在傳統的顯示方式中，無論是陰極射線管(CRT)、 液晶顯示器(LCD)，還是電致發光(EL)、等離子體顯示板(PDP)等，最后的顯示輸出環節都是以模擬方式進行的。由于在視頻顯示前都要進行D/A轉換，從而給系統增加了噪聲，降低了信噪比。而隨著星敏感器的發展，信噪比。而隨著星敏感器的發展，對星像的要求越來越高單星張角小，星間角距精度高，具有較大動態范圍和足夠高對比度的光學特性，以及較高的星圖刷新頻率和響應時間，而且重量輕，體積要求小，這些指標對星圖動態顯示系統中所采用的星圖顯示器件提出了較高的要求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于DMD的動態多星星圖模擬器及其模擬方法。本發明的目的是這樣實現的所述的基于DMD的動態多星星圖模擬器是由數據處理單元、DMD驅動及處理單元、DMD單元、鏡頭單元和色輪單元組成的，數據處理單元分別連接DMD驅動及處理單元和色輪單元，DMD驅動及處理單元連接DMD單元，DMD單元分別連接鏡頭單元和色輪單元。由基于DMD的動態多星星圖模擬器實現的模擬方法分為開環模式和閉環模式；開環模式下主要測試星敏感器光學測試、電路測試和算法測試；星圖控制器根據用戶輸入的飛行器初始軌道參數、飛行器軌道坐標系下的初始三軸姿態、飛行器姿態角速度，計算任何時刻的飛行器軌道參數和飛行器的三軸姿態角；根據計算得到的任何時刻的飛行器軌道參數和飛行器的三軸姿態角計算該時刻下星敏感器在慣性坐標系中的三軸姿態，星圖控制器根據慣性坐標系中的姿態信息，從星表中搜索出星敏感器視場內的所有恒星，同時計算這些恒星在像平面的坐標，并根據這些坐標生成一幅完整的星圖，把星圖數據通過顯示電路和數據接口發送給基于DMD的動態多星星圖模擬器的數據處理部分，數據處理部分把星圖轉換為RGB信號，發送給DMD驅動處理單元，同時數據處理單元給色輪發送控制信號，DMD投影系統驅動電路只有在探測到色輪反饋信號后才能正常工作，否則保持待機狀態，DMD芯片接收到圖像信號后，投影到鏡頭，經過鏡頭后顯示為一幅平行光的星圖，星敏感器拍攝到星圖后，從星敏感器拍攝到的星圖中提取星像坐標，然后進行識別和姿態計算，用星敏感器輸出的姿態信息和星圖控制器的姿態來測試星敏感器的功能；閉環模式下主要是系統算法測試和任務運行；星圖控制器從動力學仿真計算機中接收到星敏感器在慣性坐標系中的三軸姿態，星圖控制器根據慣性坐標系中的姿態信息， 從星表中搜索出星敏感器視場內的所有恒星，同時計算這些恒星在像平面的坐標，并根據這些坐標生成一幅完整的星圖，并按照上述過程把星圖數據轉化為平行光，星敏感器拍攝到星圖后，從星敏感器拍攝到的星圖中提取星像坐標，然后進行識別和姿態計算，并把姿態信息發送給導航計算機，導航計算機接收到星敏感器姿態信息后，根據算法把計算結果發送給執行器，執行器把相應的結果發送給動力學仿真計算機，動力學仿真計算機根據執行器的結果，又經過運算，計算出新的姿態信息，并把姿態信息發送給星圖控制器。本發明一種基于DMD的動態多星星圖模擬器及其模擬方法，具有以下特點采用的DMD顯示技術是一種全數字反射式投影技術；第一其特點是數字優勢。數字技術的采用，使圖像的灰度等級提高，圖像噪聲消失，畫面質量穩定，數字圖像非常精確。其次是反射優勢，反射式DMD器件的應用，使成像器件的總光效大大提高，對比度、亮度、均勻度都非常出色。DLP投影機清晰度高、畫面均勻、色彩銳利，三片機可達到很高的亮度，且可隨意變焦， 調整十分方便。第二 使成像器件的總光效率達60%以上，遠遠高于透射式IXD液晶投影方式，對比度和亮度的均勻性都非常出色。第三DLP投影機燈泡壽命長，不存在LCD投影機由于工作環境溫度高而出現液晶板老化等問題。
圖1為采用液晶光閥的星模擬器原理圖；圖2為本發明的開環工作過程方框圖；圖3為本發明的閉環工作過程方框圖；圖4為本發明的基于IXD的動態多星星模擬器顯示星圖；圖5為本發明的基于DMD的動態多星星圖模擬器顯示星圖；圖6為本發明的基于DMD的動態多星星圖模擬器原理圖；圖7為一種基于DMD的動態多星星圖模擬器方案圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作進一步說明。實施例1 結合圖2、圖3，本發明一種基于DMD的動態多星星圖模擬器，它是由數據處理單元、DMD驅動及處理單元、DMD單元、鏡頭單元和色輪單元組成的，數據處理單元分別連接DMD驅動及處理單元和色輪單元，DMD驅動及處理單元連接DMD單元，DMD單元分別連接鏡頭單元和色輪單元。一種由基于DMD的動態多星星圖模擬器實現的模擬方法有兩種工作方式開環模式和閉環模式；開環模式下主要測試星敏感器光學測試、電路測試和算法測試；星圖控制器根據用戶輸入的飛行器初始軌道參數、飛行器軌道坐標系下的初始三軸姿態、飛行器姿態角速度，計算任何時刻的飛行器軌道參數和飛行器的三軸姿態角；根據計算得到的任何時刻的飛行器軌道參數和飛行器的三軸姿態角計算該時刻下星敏感器在慣性坐標系中的三軸姿態，星圖控制器根據慣性坐標系中的姿態信息，從星表中搜索出星敏感器視場內的所有恒星，同時計算這些恒星在像平面的坐標，并根據這些坐標生成一幅完整的星圖，把星圖數據通過顯示電路和數據接口發送給基于DMD的動態多星星圖模擬器的數據處理部分，數據處理部分把星圖轉換為RGB信號，發送給DMD驅動處理單元，同時數據處理單元給色輪發送控制信號，DMD投影系統驅動電路只有在探測到色輪反饋信號后才能正常工作，否則保持待機狀態，DMD芯片接收到圖像信號后，投影到鏡頭，經過鏡頭后顯示為一幅平行光的星圖，星敏感器拍攝到星圖后，從星敏感器拍攝到的星圖中提取星像坐標，然后進行識別和姿態計算， 用星敏感器輸出的姿態信息和星圖控制器的姿態來測試星敏感器的功能；閉環模式下主要是系統算法測試和任務運行；星圖控制器從動力學仿真計算機中接收到星敏感器在慣性坐標系中的三軸姿態，星圖控制器根據慣性坐標系中的姿態信息， 從星表中搜索出星敏感器視場內的所有恒星，同時計算這些恒星在像平面的坐標，并根據這些坐標生成一幅完整的星圖，并按照上述過程把星圖數據轉化為平行光，星敏感器拍攝到星圖后，從星敏感器拍攝到的星圖中提取星像坐標，然后進行識別和姿態計算，并把姿態信息發送給導航計算機，導航計算機接收到星敏感器姿態信息后，根據算法把計算結果發送給執行器，執行器把相應的結果發送給動力學仿真計算機，動力學仿真計算機根據執行器的結果，又經過運算，計算出新的姿態信息，并把姿態信息發送給星圖控制器。實施例2 結合圖2-圖7，本發明所述的一種基于DMD的動態多星星圖模擬器的主要性能指標顯示視場16° X 12°，顯示星圖大小1920 X 1080，光譜范圍可見光波段 0. 42 μ m-0. 75 μ m;選取的DMD芯片尺寸6. 45 μ mX6.45 μ m，對比度6000 1，模擬星等 0-9等，圖像顯示刷新頻率50-80Hz ；利用某型號的星敏感器拍攝該星模擬器生成的星圖如圖5，用該星敏感器拍攝基于IXD的動態多星星模擬器產生的星圖如圖4。由于基于DMD的動態多星星圖模擬器采用的是數字技術，因此輸入信號不需要經過數模轉換就能直接調制生成星圖，因此信號的中間處理環節減少之后，星圖信號的衰減幅度就會很自然地要減少很多，最終的結果使圖像的灰度等級提高，圖像噪聲消失，畫面質量穩定，數字圖像非常精確，同時由于成像器件的總光效大大提高，對比度、亮度、均勻度都非常出色，克服了 CRT、IXD投影機顯示畫面中間亮、四周暗的缺點，從圖4、圖5可以看出， 星敏感器拍攝基于LCD動態多星星模擬器顯示的星圖背景包含了多種噪聲，特別是拍攝圖像邊沿恒星的能量明顯下降(如圖4右上角的恒星明顯比其它恒星暗)，而星敏感器拍攝基于DMD動態多星星模擬器顯示的星圖確沒有任何噪聲。實施例3:結合圖6，本發明采用單片DMD式動態多星星圖模擬器，包括有一彩色色輪，色輪上被分割成紅、綠、藍三個區域。工作時，該盤高速旋轉，借助時分方案 (time-sharing formula)，光透過此轉盤會分為紅、綠、藍三色光，隨后再被反射到按時分方案運行的DMD上，最終投影到星敏感器的星圖最多可達上千萬種顏色。很明顯，這一系統的色彩重現質量主要取決于彩色轉盤的性能。由于單片DMD式的現實系統提供高對比度、 高分辨率與燦爛鮮亮的星圖效果，而且基于DMD式動態多星星圖模擬器的外型相對比較小，重量輕，消耗功率也不大。模擬器的核心部分包括光源、光學棱鏡、色輪、DMD以及相應的驅動、投物鏡等。實施例4 結合圖7，本發明所述的基于DMD的動態多星星圖模擬器包含兩部分 第一部分是系統控制模塊，即模塊1，作用是由FPGA芯片，采用Verilog語言處理產生星圖部分通過VGA接口發送來的實時星圖數據，并實時地把星圖數據轉換為的RGB圖像信號；第二部分是DMD驅動模塊，即模塊2，主要包括原星圖模擬器中DMD芯片驅動的部分，作用是將RGB圖像信號加載在DMD芯片上形成陣列翻轉。系統控制模塊主要由FPGA芯片構成，主要完成通過VGA接口，從產生星圖部分發送來的實時星圖數據，并進行解壓縮和校驗處理， 以RGB圖像形式產生DMD陣列翻轉圖像，同時，FPGA芯片在初始化程序中通過對相應寄存器修改來適應系統的動態性能，并為后繼DMD驅動模塊提供啟動信號和偽色輪信號等控制信號。
權利要求
1.一種基于DMD的動態多星星圖模擬器，它是由數據處理單元、DMD驅動及處理單元、 DMD單元、鏡頭單元和色輪單元組成的，其特征在于數據處理單元分別連接DMD驅動及處理單元和色輪單元，DMD驅動及處理單元連接DMD單元，DMD單元分別連接鏡頭單元和色輪單元。
2.一種由權利要求1所述的基于DMD的動態多星星圖模擬器實現的模擬方法，其特征在于基于DMD的動態多星星圖模擬器的工作方式有兩種開環模式和閉環模式；開環模式下主要測試星敏感器光學測試、電路測試和算法測試；星圖控制器根據用戶輸入的飛行器初始軌道參數、飛行器軌道坐標系下的初始三軸姿態、飛行器姿態角速度，計算任何時刻的飛行器軌道參數和飛行器的三軸姿態角；根據計算得到的任何時刻的飛行器軌道參數和飛行器的三軸姿態角計算該時刻下星敏感器在慣性坐標系中的三軸姿態，星圖控制器根據慣性坐標系中的姿態信息，從星表中搜索出星敏感器視場內的所有恒星，同時計算這些恒星在像平面的坐標，并根據這些坐標生成一幅完整的星圖，把星圖數據通過顯示電路和數據接口發送給基于DMD的動態多星星圖模擬器的數據處理部分，數據處理部分把星圖轉換為RGB信號，發送給DMD驅動處理單元，同時數據處理單元給色輪發送控制信號，DMD投影系統驅動電路只有在探測到色輪反饋信號后才能正常工作，否則保持待機狀態，DMD芯片接收到圖像信號后，投影到鏡頭，經過鏡頭后顯示為一幅平行光的星圖，星敏感器拍攝到星圖后，從星敏感器拍攝到的星圖中提取星像坐標，然后進行識別和姿態計算，用星敏感器輸出的姿態信息和星圖控制器的姿態來測試星敏感器的功能；閉環模式下主要是系統算法測試和任務運行；星圖控制器從動力學仿真計算機中接收到星敏感器在慣性坐標系中的三軸姿態，星圖控制器根據慣性坐標系中的姿態信息，從星表中搜索出星敏感器視場內的所有恒星，同時計算這些恒星在像平面的坐標，并根據這些坐標生成一幅完整的星圖，并按照上述過程把星圖數據轉化為平行光，星敏感器拍攝到星圖后，從星敏感器拍攝到的星圖中提取星像坐標，然后進行識別和姿態計算，并把姿態信息發送給導航計算機，導航計算機接收到星敏感器姿態信息后，根據算法把計算結果發送給執行器，執行器把相應的結果發送給動力學仿真計算機，動力學仿真計算機根據執行器的結果，又經過運算，計算出新的姿態信息，并把姿態信息發送給星圖控制器。
全文摘要
本發明提供一種基于DMD的動態多星星圖模擬器及其模擬方法。由數據處理單元、DMD驅動及處理單元、DMD單元、鏡頭單元和色輪單元組成的，數據處理單元分別連接DMD驅動及處理單元和色輪單元，DMD驅動及處理單元連接DMD單元，DMD單元分別連接鏡頭單元和色輪單元。模擬方法分為開環模式和閉環模式；開環模式測試星敏感器光學測試、電路測試和算法測試；閉環模式是系統算法測試和任務運行。本發明采用全數字反射式投影技術，使圖像的灰度等級提高，圖像噪聲消失，畫面質量穩定，數字圖像非常精確。
文檔編號G01C25/00GK102175262SQ20111000637
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者李清華, 李葆華, 溫奇詠, 陳希軍 申請人:哈爾濱工業大學