專利名稱：：快速三角形星圖識別方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于天文導航
技術領域：
，涉及一種對三角形星圖進行快速的識別方法，在以星敏感器為天文導航部件的系統(tǒng)中，可用于快速星圖識別，進行粗姿態(tài)的確定。
背景技術：
：基于星敏感器的大視場天文定位系統(tǒng)是現(xiàn)代天文導航系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，它以空間位置準確、不可毀滅的自然天體恒星為基準來確定飛行器方位信息。星敏感器具有隱蔽性好、適用范圍廣、可靠性高、精度高、可獨立自主全天候工作以及在戰(zhàn)時不受敵方干擾和破壞的特點。采用星敏感器確定飛行器姿態(tài)是現(xiàn)行方法中精度最高的，越來越成為國內(nèi)外各種飛行器姿態(tài)敏感部件的首選。當前，各國星敏感器廣泛應用于衛(wèi)星、飛船、航天飛機、空間站等飛行器上。近年對星敏感器的研究主要集中在"太空迷失"狀態(tài)下星敏感器的星圖識別，從而確定姿態(tài)，即姿態(tài)捕獲過程。三角形星圖識別方法以三角形全等原理為匹配識別標準，在現(xiàn)有的星圖識別方法中，得到廣泛的研究和應用。它將導航星所能構成的導航三角形按某種方式存儲起來以便識別過程搜索匹配，實現(xiàn)起來比較簡單，也比較形象、直觀。如果觀測三角形與某個導航三角形的誤差滿足在判決門限內(nèi)，則認為識別成功，否則識別失敗。三角形星圖識別方法的模式可以分為"邊一角一邊"與"邊一邊一邊"兩種。邊指的是角距，具有較高的精度和旋轉(zhuǎn)不變性，導航星庫中的角距是天球上任意兩顆星相對于地球的球心角，觀測星圖中的角距是任意兩恒星像點間的角距，角是指兩恒星矢量在平面上的投影之間的夾角。但"邊一角一邊"模式需要計算球面三角形向平面映射后的兩邊夾角和像平面三角形的兩邊夾角，較"邊一邊一邊"模式復雜，而且誤差相對較大，所以后續(xù)的三角形識別方法大多采取"邊一邊一邊"模式。假設，觀測三角形的三邊對應角距為d1，2、m《3和《3，夾角為ef";導航三角形三邊對應角距為d(i，j)、d(uc)和d(j,k)，夾角為e(zijk)。在三角形識別過程中，以角距為主要識別特征，如果觀測三角形與導航三角形能同時滿足以下條件，則兩者匹配。1《2-、f|也2—d(u)l,<Id1,3—d(i,k)gSj或jId1'3—d(i,k)-、式中，Sd和se分別為星對角距判決門限和恒星矢量夾角判決門限。恒星亮度特征易受到外界影響，因此常作為星圖識別的輔助特征，在一些利用恒星亮度信息的識別方法中還要對觀測星與導航星的亮度進行比較，有助于提高識別率。但三角形識別方法中，需要存儲所有可能的導航三角形，數(shù)目龐大，以三角形三邊角距和頂點星等為存儲單元構造的三角形導航星庫需要較大的存儲空間，導致搜索時間長，識別速度慢。且識別基元三角形的特征維數(shù)比較低，對測量誤差敏感，容易出現(xiàn)冗余匹配或誤匹配。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決目前三角形星圖識別方法存在識別速度慢、冗余識別及誤識別率高、導航星庫直接存儲三角形邊長及頂點星等所占存儲空間大的問題，提出一種改進的快速三角形星圖識別方法。本發(fā)明快速三角形星圖識別方法包括以下步驟a.確定星圖識別中以星對角距為主要識別特征，兩顆星之間的相對星等差為輔助識別特征；以兩顆星之間的星對角距、相對星等差及組成星對的兩星星號為存儲基元，假設星敏感器視場對角距為d，存儲所有星對角距小于等于d的基元，構成導航特征庫；將導航特征庫中存儲基元按星對角距升序的方式排列，以星對角距為自變量，以存儲位置為因變量構造散列函數(shù)H(Key)，其中Key為星對角距，假設星對角距和存儲位置的實際對應關系為Loc(Key)，對應同一個星對角距Key，求出理論存儲位置H(Key)和實際存儲位置Loc(Key)的最大偏差D;導航星表中的存儲內(nèi)容為恒星的赤經(jīng)、赤緯及性等；b.對星敏感器拍攝到的觀測星圖進行目標提取，按目標灰度由高到低排列，最多選擇4個(如果目標數(shù)目多于等于4個，選擇4個亮目標，如果少于4個目標，全部構建觀測三角形，少于3個目標則無法識別)亮目標構建觀測三角形用于識別，優(yōu)先識別由亮目標構成的觀測三角形，如果識別成功，則略過由較暗目標構成的觀測三角形，否則，依次識別余下的觀測三角形；c.構造一個寬度為3的二維數(shù)組A，和一個寬度為3長度為n的二維數(shù)組B，n為星表中導航星數(shù)量；設置星對角距和相對星等差的判決門限分別為Sd和％，利用散列函數(shù)H(Key)分別尋找觀測三角形三條邊判決門限范圍內(nèi)的候選導航星對，記錄在數(shù)組A中，并將對應的候選導航星出現(xiàn)的次數(shù)記錄在數(shù)組B中，若數(shù)組A中候選導航星出現(xiàn)的次數(shù)少于2次，由該候選導航星組成的星對作為一個整體被剔除，其在數(shù)組B中的計數(shù)值相應減1;在數(shù)組A余下的星對中尋找滿足三角形三邊兩兩相交的候選導航星對，組成導航三角形；d.選取三角形之外的一顆觀測星，與三角形三個頂點連接，構成輻射狀星圖，利用散列函數(shù)H(Key)查找新形成的三個星對角距匹配范圍內(nèi)的導航星對，剔除導航星出現(xiàn)3次以下的導航星對，導航星出現(xiàn)3次或以上的導航星對，查看與其組成星對的另一顆星是否為已識別三角形的頂點；是，則識別成功，計算姿態(tài)或視軸指向；否則，識別失敗。本方法以存儲星對角距和相對星等差為識別特征，大大減小了存儲容量;識別過程中，利用數(shù)據(jù)結構中的散列查找法搜索導航星庫，縮短了識別時間；根據(jù)三角形三條邊兩兩相交，而交點是恒星星點的性質(zhì)，改進了三角形識別過程，提高了識別率。本發(fā)明快速三角形星圖識別方法具有以下優(yōu)點和特點1.精簡了導航星庫中存儲單元的數(shù)據(jù)結構，采用存儲角距而不是三角形三邊的形式不但在數(shù)量上有所減少，而且數(shù)據(jù)結構的減小大大節(jié)約了存儲空間，降低了對硬件存儲資源的壓力。2.經(jīng)星等標定后觀測星之間相對星等差比較穩(wěn)定，將其作為輔助識別特征，增加了識別特征維數(shù)，提高了命中率。3.基于恒星越亮，越容易被星敏感器探測，其可靠性越高這一事實，優(yōu)先對由亮星構成的觀測三角形進行識別也增加了識別結果的可靠性與成功率。4.利用數(shù)據(jù)結構中的散列查找法搜索滿足觀測三角形三邊判決門限范圍內(nèi)的候選導航星對，與遍歷整個導航星庫相比，搜索范圍大大縮小，而且該方法計算量小，從而縮短了識別時間。5.利用三角形三條邊兩兩相交，而交點為恒星的性質(zhì)，在提取出的候選導航星對中，對出現(xiàn)次數(shù)小于2次的候選導航星及由該星構成的星對作為整體剔除，而不是單純剔除該候選導航星，減少了冗余匹配，提高了識別成功率。6.引入驗證環(huán)節(jié)，在三角形識別成功后，在視場內(nèi)選取三角形外的一顆亮星，與三角形構成輻射狀星圖，在候選導航三角形存在冗余時可以用于減少冗余，在沒有冗余時可以用于驗證三角形識別是否正確。7.該方法在以星敏感器為天文導航部件的系統(tǒng)中，可用于快速星圖識別，進行粗姿態(tài)的確定，有助于識別出更多的觀測星并進入跟蹤識別。圖1為構造觀測星三角形的示意圖2為驗證識別過程的示意圖。具體實施例方式通過以下實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。1.確定識別特征，制訂導航星庫。在三角形識別過程中，邊指的是星對角距特征，即為主要識別特征，由于恒星亮度特征易受外界影響，單顆星的觀測星等與視星等存在較大誤差，但經(jīng)星等標定后，觀測星圖中恒星間相對星等差應相對穩(wěn)定，在識別過程中，增加兩顆星之間的相對星等差作為輔助識別特征。當三角形之間存在公共邊時，會存儲很多相同的信息，這種冗余增加了對硬件系統(tǒng)的要求。為避免這種冗余，以兩顆星之間的星對角距、相對星等差及組成星對的兩星星號為存儲基元，假設星敏感器視場對角距為d，存儲所有星對角距小于等于d的基元，構成導航特征庫。為節(jié)約存儲空間，星等數(shù)據(jù)經(jīng)放大100倍取整后存儲，導航星庫存儲單元的數(shù)據(jù)結構為structIdentityProperties{shortiStarl;〃星號1shortiStar2;〃星號2shortiDifMag;〃相對星等差floatfDistance;〃星X寸角距};導航星表在星敏感器姿態(tài)確定時提供參考矢量信息，存儲內(nèi)容為恒星的赤經(jīng)、赤緯及星等信息。星圖識別實際上是在導航星庫中查找一個與觀測星圖中特征數(shù)據(jù)唯一匹配的過程。查找的方法很多，如順序查找、折半査找、插補查找等。散列法是數(shù)據(jù)結構中被證實是最快的一種查找方法，原理是盡量減少查找的范圍到只有一個，其時間復雜度接近于O(1)。根據(jù)這種思想，將導航星庫中的數(shù)據(jù)按星對角距升序排列，假設星對角距和存儲位置的實際對應關系為Loc(Key)，其中Key為星對角距，以星對角距為自變量，以存儲位置為因變量構造散列函數(shù)H(Key)，對應同一個星對角距Key，求出理論存儲位置H(Key)和實際存儲位置Loc(Key)的最大偏差D。通過這種方法將極大地縮減識別過程中數(shù)據(jù)的查找范圍，提高識別效率。2.提取觀測星，構造觀測三角形。構造觀測三角形的前提是提取3顆或以上的觀測星，應盡量選取星敏感器易于提取的星。恒星越亮，其位置可靠性越高，將提取出的所有觀測星按灰度由高到低排序，在觀測星數(shù)量允許的情況下，最多選擇4個亮目標構建觀測三角形，優(yōu)先識別由亮目標構成的觀測三角形。若識別成功，則進入驗證環(huán)節(jié)，若識別不成功，則繼續(xù)識別由較暗目標構成的觀測三角形。觀測三角形的構造如圖l所示，依次取三顆亮星1#、2#、3#，構造觀測星三角形，三邊分別為a、b、c。3.三角形星圖識別。本方法根據(jù)三角形三邊的相關性，三條邊兩兩相交，而交點則是恒星星點，也就是構成觀測三角形的每顆觀測星對應的導航星應出現(xiàn)2次或以上，所以出現(xiàn)次數(shù)少于2的候選導航星及由這顆星組成的星對將作為整體被剔除，由余下的候選導航星組成導航三角形。觀測星的提取是星圖識別的前提，是星敏感器最基本的測量數(shù)據(jù)，雖然在亞像素質(zhì)心定位前進行了有效的星圖去噪，但是各種誤差不可能完全消除。其位置測量模型如式(1)所示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>為恒星像點在觀測星圖中的測量值，p=[x，y]T為星點在觀測星圖中的真實位置，^是測量誤差，服從均值為0、方差為02的正態(tài)分布。若恒星經(jīng)像點提取誤差最大為^，那么兩星之間角距的誤差最大為2^。而且，恒星間有相對運動，兩顆恒星間的星對角距并不是常量，與導航星庫中的數(shù)據(jù)存在一定程度的偏差。另一方面，由于人眼與CCD探測器所能接收的光譜譜段不同，經(jīng)標定后的兩顆觀測星相對星等差應較為穩(wěn)定，與視星等仍有差別。在進行星圖識別時，應為系統(tǒng)和儀器的誤差留有一定的余地，只要將待匹配的星對角距做適當處理并引入相應的判決門限來實現(xiàn)一定程度上的近似，以上幾方面對星圖識別結果的影響就不會太大。判決門限的設置受限于恒星位置測量精度和星等測量精度。本方法取角距判決門限為￡(1=30￡1，星等判決門限為％=3、，％和％分別為位置和星等測量誤差的均方差?；诮蔷喾植嫉钠ヅ涮卣鞑檎依蒙⒘泻瘮?shù)H(Key)匹配角距特征過程如下。假設觀測星S1、S2在CCD靶面坐標系中的位置為[、，y卩、[x2,y2]，根據(jù)式(2)計算觀測星間角距，式中f為光學系統(tǒng)焦距，考慮由于像點提取誤差和恒星間相對運動帶來的位置不確定性，將fDisiSd代入散列函數(shù)H(Key)，得到一個星對角距存儲位置的索引閉區(qū)間[a,b]，考慮到經(jīng)散列函數(shù)求得的理論位置H(key)與真實位置Loc(key)偏差最大的星對角距可能出現(xiàn)在區(qū)間[fDis-sd,fDls+￡d]，為了保證識別命中率，將星對角距存儲位置的索引區(qū)間擴大至[a-D，b+D]，其中，D為對應同一個星對角距Key，理論存儲位置H(Key)與實際存儲位置Loc(Key)的最大偏差，假設ie[a-D，b+D]，在該區(qū)間搜索滿足式(3)的星對并存儲。式中，AMag為觀測星之間的相對星等差，Sd為角距判決門限，、為星等判決門限，IdentityPropertie別為導航特征庫中的存儲基元(<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(3)三角形識別過程(1)構造一個寬度為3的二維數(shù)組A記錄候選導航星對，利用散列查找法按式(2)在導航特征庫中搜索滿足三角形三邊星對角距a、b、c和相對星等差判決門限的導航星對，記錄到數(shù)組A中，記錄格式見表l。其中，1#列下記錄的是1#觀測星的候選導航星，2#、3#同理；標記a表示滿足三角形邊a判決門限范圍內(nèi)的星對，b、c同理。其中，同時，構造一個長度為n寬度為3的導航星計數(shù)數(shù)組B，n為導航星數(shù)量，對數(shù)組A中每個三角形頂點的候選導航星出現(xiàn)次數(shù)進行計數(shù)。(2)遍歷數(shù)組A第一列1弁，即取出1#星的所有候選導航星星號，在數(shù)組B中査看其作為1#候選導航星出現(xiàn)的次數(shù)。根據(jù)三角形三邊的相關性，三條邊是兩兩相交的，而交點則是恒星星點，也就是導航星應出現(xiàn)2次或以上，所以出現(xiàn)次數(shù)少于2的候選導航星及由這顆星組成的星對將作為整體被剔除，候選導航星相應的計數(shù)值減l。星對剔除過程見表2中①一⑧。(3)重復剔除過程(2)，遍歷數(shù)組A中2弁、3#觀測星的候選導航星，見表2，依次執(zhí)行剔除過程⑨一@和—@。(4)一些候選導航星，如表2中1#觀測星的候選導航星58，在執(zhí)行剔除動作之前，出現(xiàn)次數(shù)是2，經(jīng)過一次遍歷剔除后，其次數(shù)為l，為減小后續(xù)工作量，執(zhí)行2遍星對剔除，即再次執(zhí)行過程(2)、(3)，剔除過程見表2中<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(5)依據(jù)三角形三邊相關性，將數(shù)組A余下的候選導航星組成三角形，表2中由(56，88，101)組成的三角形即為觀測三角形A123的導航三角形。表l候選導航星記錄格式表2星對剔除過程4.驗證識別。驗證識別過程如圖2虛線所示。如果提取出的觀測星僅為3顆，在星圖識別成功后，則結束識別。如果觀測星多于3顆，在觀測星圖中三角形之外引入一顆亮星4#，與三角形構造輻射狀星圖，新形成三個星對角距d、e、f，利用散列法查找滿足d、e、f星對角距判決門限范圍內(nèi)的星對，查找出現(xiàn)3次或以上的候選導航星，并查看與該候選導航星構成星對的另一顆星是否為已識別出的三角形頂點。增加的三個星對角距特征在存在三角形識別存在冗余匹配時，可用于剔除冗余，如果不存在冗余匹配，可驗證星圖識別結果是否正確。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。仿真實驗及性能評價。利用計算機純軟件算法的編程方式，模擬生成星敏感器實時拍攝到的星空圖片對本方明方法進行性能評測。仿真實驗中所采用的星敏感器理想模型參數(shù)和誤差模型參數(shù)見表3，隨機在全天球范圍內(nèi)產(chǎn)生1000個視場，在CPU為P41.8GHz的PC機平均識別時間為0.34ms，識別成功率為99.1%。，本發(fā)明方法所用導航星庫容量為375kB。表3星敏感器模型參數(shù)參數(shù)參數(shù)值視場15°xl5°像元數(shù)1000x1000主點位置(500，500)位置不確定度r角距誤差門限3,星等差誤差門限0.75星圖識別的時間體現(xiàn)在該方法中，起決定作用的就是在導航星庫中搜索滿足判決門限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)所需比較的次數(shù)。為了減小這個時間，一方面可以對導航星庫中的角距分段構造散列函數(shù)，減小理論位置與真實位置之間的誤差，另一方面也可以提高恒星像點提取精度，減小搜索范圍。在對該方法評測過程中，假設星敏感器星等探測能力為5111，無法保證任意視軸指向下視場中的星數(shù)量都能滿足識別條件，這也是識別成功率較低的原因。權利要求1、一種快速三角形星圖識別方法，其特征在于包括以下步驟a.確定星圖識別中以星對角距為主要識別特征，兩顆星之間的相對星等差為輔助識別特征；以兩顆星之間的星對角距、相對星等差及組成星對的兩星星號為存儲基元，假設星敏感器視場對角距為d，存儲所有星對角距小于等于d的基元，構成導航特征庫；將導航特征庫中存儲基元按星對角距升序的方式排列，以星對角距為自變量，以存儲位置為因變量構造散列函數(shù)H(Key)，其中Key為星對角距，假設星對角距和存儲位置的實際對應關系為Loc(Key)，對應同一個星對角距Key，求出理論存儲位置H(Key)和實際存儲位置Loc(Key)的最大偏差D；導航星表中的存儲內(nèi)容為恒星的赤經(jīng)、赤緯及性等；b.對星敏感器拍攝到的觀測星圖進行目標提取，按目標灰度由高到低排列，最多選擇4個亮目標構建觀測三角形用于識別，優(yōu)先識別由亮目標構成的觀測三角形，如果識別成功，則略過由較暗目標構成的觀測三角形，否則，依次識別余下的觀測三角形；c.構造一個寬度為3的二維數(shù)組A，和一個寬度為3長度為n的二維數(shù)組B，n為星表中導航星數(shù)量；設置星對角距和相對星等差的判決門限分別為εd和εb，利用散列函數(shù)H(Key)分別尋找觀測三角形三條邊判決門限范圍內(nèi)的候選導航星對，記錄在數(shù)組A中，并將對應的候選導航星出現(xiàn)的次數(shù)記錄在數(shù)組B中，若數(shù)組A中候選導航星出現(xiàn)的次數(shù)少于2次，由該候選導航星組成的星對作為一個整體被剔除，其在數(shù)組B中的計數(shù)值相應減1；在數(shù)組A余下的星對中尋找滿足三角形三邊兩兩相交的候選導航星對，組成導航三角形；d.選取三角形之外的一顆觀測星，與三角形三個頂點連接，構成輻射狀星圖，利用散列函數(shù)H(Key)查找新形成的三個星對角距匹配范圍內(nèi)的導航星對，剔除導航星出現(xiàn)3次以下的導航星對，導航星出現(xiàn)3次或以上的導航星對，查看與其組成星對的另一顆星是否為已識別三角形的頂點；是，則識別成功，計算姿態(tài)或視軸指向；否則，識別失敗。全文摘要本發(fā)明涉及天文導航
技術領域：
的一種快速三角形星圖識別方法，包括以下步驟1.以星對角距為主要識別特征，兩顆星之間的相對星等差為輔助識別特征確定星圖識別特征量，以兩顆星之間的星對角距、相對星等差及組成星對的兩星星號為存儲基元，假設星敏感器視場對角距為d，存儲所有星對角距小于等于d的基元，構造導航星庫并存儲；2.提取觀測星圖中的觀測星，按亮度由亮到暗排序，構造待識別的觀測三角形；3.利用該方法進行三角形識別；4.驗證。本發(fā)明方法實現(xiàn)了觀測星圖中星三角形的快速識別，計算量小，具有較強的容錯能力和較快的識別時間，且具有較小容量的導航數(shù)據(jù)庫，減小了冗余數(shù)據(jù)對硬件系統(tǒng)的存儲壓力。文檔編號G01C21/02GK101441082SQ200810051630公開日2009年5月27日申請日期2008年12月22日優(yōu)先權日2008年12月22日發(fā)明者昕何,劉巖俊,磊張,趙寶慶,魏仲慧申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所