一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法
【專利摘要】一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法，本發(fā)明涉及船舶天文導(dǎo)航方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有定位導(dǎo)航方法定位精度低、基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法定位導(dǎo)航技術(shù)受到天氣和海況的影響、克服衛(wèi)星導(dǎo)航信號易受干擾、慣性導(dǎo)航設(shè)備誤差隨時間發(fā)散不足的問題。（1）剖分史密松森星表并建立特征星庫；（2）垂直于船舶平面正上方拍攝星圖；（3）比較兩個可能星集合中星之間的星角距，星角距最小的即為所求星對，實現(xiàn)星圖識別；（4）根據(jù)拍攝時船舶讀取的傾斜角，確定真天頂赤經(jīng)和赤緯，結(jié)合準確時間，即完成了一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法。本發(fā)明屬于船舶導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】—種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶天文導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國內(nèi)外有三種天文導(dǎo)航的體系結(jié)構(gòu)。第一種是以航海中使用的六分儀為基礎(chǔ)的天文導(dǎo)航系統(tǒng)。二戰(zhàn)以后該方法開始大量應(yīng)用，在先進導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的今天艦船航海中仍然保留有游標卡尺六分儀和機械六分儀導(dǎo)航手段，它是使用天文鐘和航海天文歷通過天體的高度差原理來定位，這種機械六分儀導(dǎo)航方法成為一種基本航海技能。當然此種技術(shù)和設(shè)備現(xiàn)已演化出電子六分儀。但這種系統(tǒng)的自治程度和自動化程度相對較低。對計算機中的天文歷進行查詢以獲得恒星的格林時角和赤緯信息，結(jié)合被觀測天體的高度信息，對其進行具體定位。
[0003]星庫建立:星圖識別的概念由Soosaar、Vagle和Iuzzalino在1969年率先提出。星圖識別是指將天空中星體的所有特征(如星等、相鄰星體的角距)預(yù)先存儲到計算機的數(shù)據(jù)庫中，建立導(dǎo)航星表數(shù)據(jù)庫。根據(jù)星體特征，對星敏感器在某片星空中拍攝到的星體與導(dǎo)航星數(shù)據(jù)庫中的導(dǎo)航星進行匹配，以確定被觀測星體的名稱及在星空中的準確位置。但是由于現(xiàn)有的特征星庫單星體星均特征值少，導(dǎo)致只能對較大視場下拍攝的星圖進行識別。
[0004]星圖識別:第一種方法是基于同構(gòu)思想進行星圖識別。采用這種方法時，將星體作為定點，星體之間的距離用星角距來表示，依據(jù)星體星等和星體間的星角距進行識別。三角識別法、星角距識別法、匹配組識別法和多邊形識別法都屬于這種方法。第二種方法是基于圖像識別思想進行星圖識別。這種方法將被測星體與其臨近星空區(qū)域的特點作為識別特征，將被測星體與存儲在導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星進行特征匹配從而完成識別過程，再進一步確定被測星體的名稱及確切位置。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、柵格識別法和奇異值識別法都屬于這種方法。K.Ha和D.Mortari將星角距作為識別特征，提出了星角距識別法。所謂星角距識別法，是指在星敏感器捕獲到數(shù)目充足的星體時，將其中的兩顆被測星體的星等和它們之間的星角距作為特征，將被測星體與計算機星數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)航星表中的星進行匹配從而完成星圖識另O，確定被測星體名稱具體位置的方法。星角距識別法的識別效果比較好，但因其對星敏感器的精度和可靠性有較高的要求，導(dǎo)致其執(zhí)行起來比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有定位導(dǎo)航方法定位精度低、基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法定位導(dǎo)航技術(shù)受到天氣和海況的影響、克服衛(wèi)星導(dǎo)航信號易受干擾、慣性導(dǎo)航設(shè)備誤差隨時間發(fā)散不足的問題，而提供了一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法。
[0006]基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法包括以下步驟:
[0007](I)使用delaunay三角剖分方法剖分史密松森星表并建立特征星庫；[0008](2)垂直于船舶平面正上方拍攝星圖，使用delaunay三角剖分法剖分星圖，從星圖中取出臨近雙星，取出雙星的弧度剖分向量在特征星庫中進行模糊匹配，得到兩個可能星點特征向量X、Y，同時從船舶水平儀中讀取傾斜角度；
[0009](3)比較兩個可能星點特征向量X、Y中星之間的星角距，星角距最小的即為所求星對，實現(xiàn)星圖識別；
[0010](4)根據(jù)拍攝時船舶讀取的傾斜角，確定真天頂赤經(jīng)和赤纟韋，結(jié)合準確世界時,確定船舶經(jīng)度和緯度，實現(xiàn)船舶定位，即完成了一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法。
[0011]發(fā)明效果:
[0012]本發(fā)明克服了航行船舶在干擾下無法進行衛(wèi)星導(dǎo)航、長航時下慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差發(fā)散等缺點，構(gòu)建了一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶全自主、高精度的天文導(dǎo)航方法，它有著如下優(yōu)點:(I)采用星光弧度向量特征作為比較量的天文導(dǎo)航方法，僅需利用船載星敏感器和船舶水平儀，而不需要額外增加其他硬件設(shè)備，船舶也不與外界交換任何信息，該方法可以定義為一種完全自主的導(dǎo)航方法；(2)采用雙星模糊識別算法，克服了如三角形識別等方法存在的特征信息量少、識別精度低以及識別速度慢等缺點，該方法能夠在同一張星圖中取得更多的特征信息和實現(xiàn)更快更準確的星識別。
[0013]采用以恒星之間構(gòu)成的獨特的位置關(guān)系，提取出以恒星為識別體弧度剖分識別向量，通過模糊查找該向量完成船舶上垂直拍攝星圖的識別過程，根據(jù)識別出的恒星位置實現(xiàn)船舶的導(dǎo)航定位。
[0014]本發(fā)明涉及船舶導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，可用于船舶夜間無源導(dǎo)航定位，屬于船舶導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，可應(yīng)用于長航時強干擾的夜間船舶導(dǎo)航參數(shù)的確定。特別涉及一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法，適用于夜間船舶無源導(dǎo)航定位。
[0015]本發(fā)明的原理是:因為天文導(dǎo)航的導(dǎo)航信標為自然天體，自然天體的位置與運動都是具有固有規(guī)律的，它們在特定時刻的相對位置矢量是可以精確計算得到的，因此在海上長時間航行過程中那些便于拍攝的自然天體就構(gòu)成了為船舶導(dǎo)航的信標，通過對拍攝星圖的識別、計算，就可以獲得船舶的所在位置。具體方法是首先建立以星為頂點的Delaunay三角剖分特征星庫，即用來比較的標準特征星庫，然后垂直于船體平面正上方拍攝的星圖，使用delaunay三角剖分法剖分該星圖。從中取出臨近雙星，取出雙星的弧度剖分向量在特征星庫中進行模糊匹配，得到兩個可能星集合，然后再比較兩個可能星集合中星之間的星角距，星角距最小的即為所求星對，實現(xiàn)星圖識別，最后根據(jù)拍攝時船舶讀取的傾斜角，確定真天頂赤經(jīng)和赤緯，結(jié)合準確時間，確定船舶經(jīng)度和緯度，實現(xiàn)船舶定位。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明流程圖；
[0017]圖2是【具體實施方式】一中的剖分的星圖保存成為基準特征星庫圖；
[0018]圖3是仿真試驗在星空模擬軟件中的模擬星空截圖；其中，白色圓點為圖像中心
占.[0019]圖4是仿真試驗中的星點剖分圖；
[0020]圖5是仿真試驗中的根據(jù)傾斜角在星圖確定真天頂赤經(jīng)和赤緯圖?！揪唧w實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:本實施方式的基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法包括以下步驟:
[0022](I)使用delaunay三角剖分方法剖分史密松森星表并建立特征星庫；
[0023](2)垂直于船舶平面正上方拍攝星圖，使用delaunay三角剖分法剖分星圖，從星圖中取出臨近雙星，取出雙星的弧度剖分向量在特征星庫中進行模糊匹配，得到兩個可能星點特征向量X、Y，同時從船舶水平儀中讀取傾斜角度；
[0024](3)比較兩個可能星點特征向量X、Y中星之間的星角距，星角距最小的即為所求星對，實現(xiàn)星圖識別；
[0025](4)根據(jù)拍攝時船舶讀取的傾斜角，確定真天頂赤經(jīng)和赤纟韋，結(jié)合準確世界時,確定船舶經(jīng)度和緯度，實現(xiàn)船舶定位，即完成了一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法。
[0026]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟(1)所述的特征星庫是使用delaunay三角剖分SAO星表，以每一顆星作為一個特征標示,將這顆星周圍的2π空間剖分成的不同弧度值存入數(shù)據(jù)庫其表結(jié)構(gòu)為星名、弧度值1、弧度值2...弧度值η的表中，成為特征星庫。
[0027]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0028]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:步驟(2)所述的雙星的弧度剖分向量在特征星庫中進行模糊匹配具體步驟是:
[0029]一、在星圖中取出可能星點特征向量Χ、Υ ;
[0030]二、將可能星點特征向量X、Y模糊比較特征星庫中每個星點特征向量特征；其中，所述模糊比較的具體方法是:通過比較特征星庫中每個星點特征向量的差異度量的平均值來描述，在可能星點特征向量x、Y中查找最相近元素采用的是笛卡爾積對應(yīng)比較法:
[0031]XXY=Kxi, yi)} {(x, y) x e X，y e Y}
[0032]上式用一個矩陣來表示
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法，其特征在于基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法包括以下步驟: (O使用delaunay三角剖分方法剖分史密松森星表并建立特征星庫； (2)垂直于船舶平面正上方拍攝星圖，使用delaunay三角剖分法剖分星圖，從星圖中取出臨近雙星，取出雙星的弧度剖分向量在特征星庫中進行模糊匹配，得到兩個可能星點特征向量X、Y，同時從船舶水平儀中讀取傾斜角度； (3)比較兩個可能星點特征向量X、Y中星之間的星角距，星角距最小的即為所求星對，實現(xiàn)星圖識別； (4 )根據(jù)拍攝時船舶讀取的傾斜角，確定真天頂赤經(jīng)和赤纟韋，結(jié)合準確世界時，確定船舶經(jīng)度和緯度，實現(xiàn)船舶定位，即完成了一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟(1)所述的特征星庫是使用delaunay三角剖分SAO星表，以每一顆星作為一個特征標示，將這顆星周圍的2 π空間剖分成的不同弧度值存入數(shù)據(jù)庫其表結(jié)構(gòu)為星名、弧度值1、弧度值2...弧度值η的表中，成為特征星庫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟(2)所述的雙星的弧度剖分向量在特征星庫中進行模糊匹配具體步驟是: 一、在星圖中取出可能星點特征向量X、Y； 二、將可能星點特征向量X、Y模糊比較特征星庫中每個星點特征向量特征；其中，所述模糊比較的具體方法是:通過比較特征星庫中每個星點特征向量的差異度量的平均值來描述，在可能星點特征向量X、Y中查找最相近元素采用的是笛卡爾積對應(yīng)比較法:
XXY=Kxi, yi)} {(x, y)x e X，y e Y} 上式用一個矩陣來表示
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟(3)所述的比較兩個可能星集合中星之間的星角距，其具體過程是:將兩個可能星集合命名為集合A、B，從集合A中取出一顆星的赤經(jīng)與赤緯依次計算與集合B中每顆星的星角距，保留其中星角距最小值，再從集合A中取出另一顆星的赤經(jīng)與赤緯依次計算與集合B中每顆星的星角距，如果這次比較的最小值是比已保留的最小值還要小，就將這個值替換原來保留的最小值，如果這次比較的最小值不是比已保留的最小值小，就保留的原來的最小值，直到集合A中的所有星全部取完，找到星角距最小的即為所求星對。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種基于雙星頂點剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文導(dǎo)航方法，其特征在于:步驟(4)所述根據(jù)拍攝時船舶讀取的傾斜角，確定真天頂赤經(jīng)和赤緯，結(jié)合此刻世界時，確定船舶經(jīng)度和緯度，實現(xiàn)船舶定位具體是根據(jù)船舶水平儀讀取船舶俯仰角、橫搖角，根據(jù)找到真天頂點該點即為船舶在天球上的投影，根據(jù)星圖上星角距相對像素大小及識別出星的赤經(jīng)與赤緯，計算真天頂赤經(jīng)與赤緯，結(jié)合準確地世界時，將赤經(jīng)與赤緯換算成經(jīng)度和緯度，·實現(xiàn)船舶定位。
【文檔編號】G01C21/02GK103852079SQ201410107908
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】孫劍明, 趙志杰, 韓雪娜, 王志浩, 孫華東 申請人:哈爾濱商業(yè)大學(xué)