一種基于組合模式的自主星識別方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于導航技術領域，尤其涉及一種基于組合模式的自主星識別方法。
【背景技術】
[0002] 在天文導航定位中，對天空中恒星的定位以及識別，能夠有效地確定飛行器的方 向信息；基于科學研宄和硬件成本方面考慮，自主星跟蹤器被視為大多數(shù)飛行器上姿態(tài)測 量設備的首選；一個自主星跟蹤器能夠自動地進行星的識別以及飛行器姿態(tài)的解算；星識 別精度直接影響著飛行器姿態(tài)解算的精度。因此，在星敏感器中，有效、精確的星識別算法 是非常關鍵的。
[0003] 在過去的幾十年里，許多學者致力于星識別算法的研宄，基于此基礎上的星跟蹤 器被廣泛應用于飛行器的姿態(tài)解算和控制；星識別算法可以分成兩個基本類別：子圖同構 和模式識別；在這些算法中，沒有利用任何有關飛行器姿態(tài)的先驗信息；在第一個分類中， 星點作為圖的頂點，使用星對間的平面距離，或者三顆星間的平面距離（可能還包括星點 的亮度信息）作為星識別的特征，這類算法主要包括三角形算法、多邊形算法和組匹配算 法等等；而在第二類的算法中，使用視場內的某些觀測星或者全部觀測星來構建易于定義 的模式，其代表算法有網(wǎng)格算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法和遺傳算法。
[0004] 近年來，由于模式識別的發(fā)展，其在星識別中得到了廣泛的應用。張廣軍等人提出 了基于星模式的徑向和循環(huán)特征的全天自主星識別算法，這一算法與網(wǎng)格算法相比，具有 更穩(wěn)健的識別性能。在這一算法中，徑向模式具有可靠的旋轉不變特征。然而，該算法依賴 于存儲空間的大小以及識別時間的開銷來獲取更好的性能；同時，循環(huán)特征對位置噪聲敏 感，為了降低星識別算法的復雜度以及加快星識別的速度，Young woo Y00n提出了編碼模式 的思想，將模式匹配問題簡化為整數(shù)值間的比較。然而，這一算法需要選取一個合適的鄰星 來構建星模式的基軸。而選取到合適的鄰星的概率往往比較低，因此，若選取了不合適的鄰 星將會生成錯誤的基軸，從而導致星識別不成功。此外，其他的學者在模式識別的基礎上提 出了不同的星識別算法。
[0005] 在星敏感器中，要求盡可能快速和可靠地實現(xiàn)星的識別，從而為后續(xù)的處理提高 更精準的識別信息。隨著深空探測的發(fā)展，對星識別算法的要求越來越高。因此建立快速、 精確、魯棒的星識別算法具有重要的意義。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于組合模式的自主星識別方法，旨在解決現(xiàn)有的星 識別算法識別率低，識別速度慢的問題。
[0007] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于組合模式的自主星識別方法，該基于組合模式的 自主星識別方法將主星的鄰域范圍由內向外劃分為等間距的環(huán)帶，主星與每一環(huán)帶上的鄰 星的平均平面距離構成主星在徑向模式下的特征；每一環(huán)帶上鄰星的個數(shù)，利用編碼基數(shù) 得到的編碼值為主星在編碼模式下的特征；組合主星在徑向模式和編碼模式下的特征構成 主星在組合模式下的特征向量；將CCD的光軸逐一指向基本星表中的導航星，生成導航星 所對應的特征向量，并且保存為數(shù)據(jù)庫的形式，形成導航星的特征庫；利用主星所對應的編 碼值縮小在導航星特征庫中的搜索范圍，將主星的特征向量與導航星特征庫想中的向量進 行匹配比較，計算主星的特征向量與導航星特征庫中的向量的相似度，從而得到識別的結 果。
[0008] 進一步，在得到主星在組合模式下的特征向量之前需要：
[0009] 計算導航星在星圖圖像中的坐標：根據(jù)導航星在慣性坐標系中的坐標，依據(jù)一定 的轉換規(guī)則，計算導航星在星圖圖像中的坐標；
[0010] 確定主星的星模式：取視場內的某一觀測星作為主星，根據(jù)鄰域半徑的大小，確定 主星的鄰星，由主星以及鄰星組成主星的星模式。
[0011] 進一步，導航星在慣性坐標系中的坐標轉換到星圖圖像中的坐標的轉換公式如 下：
【主權項】
1. 一種基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，該基于組合模式的自主星識別 方法： 將主星的鄰域范圍由內向外劃分為等間距的環(huán)帶，主星與每一環(huán)帶上的鄰星的平均平 面距離構成主星在徑向模式下的特征；每一環(huán)帶上鄰星的個數(shù)，利用編碼基數(shù)得到的編碼 值為主星在編碼模式下的特征；組合主星在徑向模式和編碼模式下的特征構成主星在組合 模式下的特征向量； 將CCD的光軸逐一指向基本星表中的導航星，生成導航星所對應的特征向量，并且保 存為數(shù)據(jù)庫的形式，形成導航星的特征庫； 利用主星特征向量中的編碼值縮小在導航星特征庫中的搜索范圍，將主星的特征向量 與導航星特征庫中的特征向量進行匹配，計算主星的特征向量與導航星特征庫中的特征向 量的相似度，從而得到識別的結果。
2. 如權利要求1所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，在得到主星在 組合模式下的特征向量之前需要： 計算導航星在星圖圖像中的坐標：根據(jù)導航星在慣性坐標系中的坐標，依據(jù)一定的轉 換規(guī)則，計算導航星在星圖圖像中的坐標； 確定主星的星模式：取視場內的某一觀測星作為主星，根據(jù)鄰域半徑的大小，確定主星 的鄰星，由主星以及鄰星組成主星的星模式。
3. 如權利要求2所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，導航星在慣性 坐標系中的坐標轉換到星圖圖像中的坐標的轉換公式如下：
其中，（Nx，Ny)為星敏感器中CCD的分辨率，（FOVx，F(xiàn)OVy)為CCD視場的大小，（ai，SJ分別為觀測星的赤經(jīng)赤煒，（a，S)為(XD的光軸方向；C⑶的光軸始終指向導航星在慣性 坐標中的位置，此導航星投影到星圖圖像的中心。
4. 如權利要求2所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，選取視場中心 或者靠近視場中心的觀測星作為主星，以求獲得主星完整的星模式；根據(jù)鄰域的大小以及 主星的位置，確定主星的鄰星的位置信息，由主星以及鄰星的位置信息構成主星的星模式。
5. 如權利要求1所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，主星在徑向模 式下的特征：將主星的鄰域沿主星的徑向方向等間距劃分為n個環(huán)帶，統(tǒng)計每一環(huán)帶上的 鄰星與主星的平均平面距離，使用n個環(huán)帶上的平均平面距離作為主星在徑向模式中的特 征。
6. 如權利要求5所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，每一環(huán)帶上的 鄰星與主星的平均平面距離具體方法為： n個環(huán)帶由內到外依次標記為CO,C1，…，Cn-1，主星的鄰域半徑為R，則第i(i= 0,…，n-1)個環(huán)帶的內邊界和外邊界分別表示為i*R/n和（i+l)*R/n，位于第i個環(huán)帶上的 鄰星的坐標滿足以下的條件：
其中，（X〇，yO)和（x，y)分別為主星和鄰星在星圖圖像上的質心坐標，n為主星鄰域被 平均劃分的環(huán)帶數(shù)； 每一環(huán)帶上鄰星的個數(shù)分別表示為Ni(i= 0,…，n-1)，主星與第i個環(huán)帶上的鄰星的 平均平面距離表示為：
其中，（xij，yij)為第i個環(huán)帶上第j個鄰星在星圖圖像上的質心坐標，Ni為第i個環(huán) 帶上鄰星的個數(shù)，n個環(huán)帶上的平均平面距離構成主星在徑向模式下的特征，表示為： D_vector= {DQ，Di，…，Dn-J〇
7. 如權利要求1所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，主星在編碼模 式下的特征：統(tǒng)計每一環(huán)帶上鄰星的個數(shù)，使用預設的編碼基數(shù)，根據(jù)一定的編碼規(guī)則進行 編碼，得到的編碼值作為主星在編碼模式中的特征。
8. 如權利要求7所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，編碼值的獲取 方法為： 第i個環(huán)帶上的鄰星的個數(shù)為Nji= 1，…，n)，則主星在編碼模式下所對應的編碼值 表示為：
其中b為編碼基數(shù)。
9. 如權利要求1所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，結合主星在徑 向模式和編碼模式下的特征構成主星在組合模式下的特征，主星在組合模式下的特征向量 表示為： Vector= {Vs,D_vector}； 在導航星特征庫中，每一導航星所對應的記錄表示為： Record= {id,Vector} = {id,Vs,D_vector}； 其中，id為導航星的標號，Vs為導航星所對應的編碼值，即導航星作為主星在編碼模式 下的特征，D_vect〇r為導航星作為主星與鄰域內n個環(huán)帶上的鄰星的平均平面距離所構成 的主星在徑向模式下的特征。
10. 如權利要求1所述的基于組合模式的自主星識別方法，其特征在于，主星識別的過 程表示為： result=min{diff{Vectors,VectorJ},VSGVectors,VCGVectorc,VCG[Vs-e1；Vs_ ￡ 2]; 其中，1為導航星s所對應的特征向量中的編碼值，V。為特征庫中的導航星c所對應 的特征向量中的編碼值，^和e2為編碼值所容許的誤差。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于組合模式的自主星識別方法，采用組合主星在徑向模式和編碼模式組合模式下的特征作為主星的特征向量；識別過程中，利用主星所對應的編碼值縮小其在導航星特征庫中的搜索范圍，將主星的特征向量與導航星特征庫中的向量進行匹配比較，完成星的自主識別。本發(fā)明中主星的組合模式具有平移旋轉不變性，具有較高的識別率，使得更適合于星的自主識別；同時，具有較快的星識別速度，利于提高系統(tǒng)的靈敏性。
【IPC分類】G01C21-02
【公開號】CN104776845
【申請?zhí)枴緾N201510213434
【發(fā)明人】張華 , 許錄平, 羅麗燕, 程鵬飛, 趙聞博, 孫景榮
【申請人】西安電子科技大學
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月29日