專利名稱：一種星跟蹤器快速匹配識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及對星跟蹤器匹配方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
星跟蹤器是天文導(dǎo)航系統(tǒng)的主要設(shè)備，它是集光學(xué)、機(jī)械、電子、實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)于一體的儀器。它通過CCD或CMOS圖像傳感器獲取星體的圖像信息，然后對圖像信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，包括星體中心精確定位、星圖識別、快速跟蹤和精確姿態(tài)求解，輸出姿態(tài)信息控制飛行器的姿態(tài)。實(shí)時(shí)跟蹤是星跟蹤器的主要工作模式，其跟蹤的速度是星跟蹤器主要的指標(biāo)之一。星跟蹤過程一個(gè)很重要的問題就是如何快速地根據(jù)前一時(shí)刻已經(jīng)跟蹤到的星體信息識別當(dāng)前視場中的星體。這個(gè)問題有兩種解決方法(1)跟蹤窗方法。
跟蹤窗方法如圖2所示，這種方法根據(jù)前一時(shí)刻跟蹤到的星體的位置信息，估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻星體可能的位置，用跟蹤窗捕獲星體。如果捕獲到就說明跟蹤上了，當(dāng)前星體的信息(包括赤經(jīng)、赤緯、星等、星號)與前一時(shí)刻跟蹤到的星體信息一致。
(2)匹配識別方法。
匹配識別方法是基于星體中心坐標(biāo)位置的匹配，如圖3所示，這種方法對當(dāng)前時(shí)刻的星體根據(jù)其位置信息，尋找前一時(shí)刻與其在位置上匹配的已經(jīng)跟蹤到的星體，如果找到一顆，而且只有一顆星體與其匹配，則匹配識別成功，當(dāng)前星體的信息(包括赤經(jīng)、赤緯、星等、星號)與匹配到的前一時(shí)刻的星體信息一致。如圖3，黑色表示的星體是前一時(shí)刻(t時(shí)刻)已經(jīng)被跟蹤上的星體，其星體的信息已知。前一時(shí)刻的5號星體(圖中黑色表示的星體)與當(dāng)前時(shí)刻的7′號星體(圖中白色表示的星體)在一定的誤差范圍內(nèi)唯一匹配，7′號星體得到識別，其星體信息(包括赤經(jīng)、赤緯、星等、星號)從前一時(shí)刻的5號星體獲取。在星跟蹤過程中由于匹配識別方法簡單、有效、快速而被采用。
為了識別當(dāng)前視場中的某顆星體i，目前這種匹配識別的過程如下，
首先計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻視場上這顆星體i與前一時(shí)刻被跟蹤上的所有星體的距離，其公式如下，di,j=(xi-xj)2+(yi-yj)2---(1)]]>其次一一比較這些距離與預(yù)先設(shè)定的閾值δ，如果前一時(shí)刻被跟蹤上的星體中有且只有星體j與當(dāng)前時(shí)刻視場上的星體i之間的距離小于設(shè)定的閾值，則星體j與i構(gòu)成匹配對，匹配識別完成。這種匹配識別的方法雖然簡單、有效，但是采用這種方法的跟蹤過程，存在以下的幾個(gè)問題(1)其跟蹤速度隨著跟蹤星體數(shù)目的增加呈線性下降；(2)其距離的計(jì)算是基于平方和開根號運(yùn)算，這種運(yùn)算在星跟蹤器所采用的RISC處理器中的計(jì)算量較大；(3)從圖3中我們可以看出對于當(dāng)前時(shí)刻視場中的7′號星，其與前一時(shí)刻的3、4，6，9，10號星之間的距離比較大，它們之間的比較是沒有意義的，是無謂的耗時(shí)的工作。
一般的匹配識別方法都是直接將當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻的星體位置進(jìn)行距離的計(jì)算，閾值δ的選取與星跟蹤器運(yùn)動(dòng)的角速度有關(guān)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的角速度較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤匹配問題，參見圖4，對于當(dāng)前時(shí)刻星體6′有前一時(shí)刻跟蹤到的兩顆星體5和9與它的距離小于閾值，產(chǎn)生錯(cuò)誤匹配。實(shí)際上應(yīng)該是當(dāng)前時(shí)刻星體6′和前一時(shí)刻的星體5匹配，當(dāng)前時(shí)刻的星體10′和前一時(shí)刻的星體9匹配。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種匹配速度快、匹配準(zhǔn)確性高、而且處理其計(jì)算量小的星跟蹤器匹配方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種星跟蹤器快速匹配識別方法，其特征在于，匹配步驟如下1、將當(dāng)前時(shí)刻視場中所有的星體根據(jù)它們的x坐標(biāo)位置進(jìn)行從小到大的排序，得到序列A，當(dāng)前時(shí)刻為時(shí)刻t+δt；坐標(biāo)系是以視場圖像的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，x，y軸分別平行于圖像的兩邊，δt是指圖像傳感器傳輸兩幀圖像之間的時(shí)間間隔；2、根據(jù)前兩幀圖像跟蹤到的星體的運(yùn)動(dòng)信息，估計(jì)前一時(shí)刻視場上跟蹤到的星體在當(dāng)前視場中的位置，前一時(shí)刻為時(shí)刻t，該時(shí)刻的視場圖像為前一幀圖像，時(shí)刻t-δt的視場圖像為前二幀圖像，按照下列步驟進(jìn)行位置估計(jì)2.1、根據(jù)前兩幀圖像跟蹤到的星體位置得到該星體的運(yùn)動(dòng)矢量 2.2、將運(yùn)動(dòng)矢量沿視場的x，y方向分解成兩個(gè)分量Δxt，Δyt，根據(jù)下面的式(2)求出Δxt，Δyt的值，Δxt＝xt-xt-δtΔyt＝y(tǒng)t-yt-δt(2)2.3、根據(jù)下面的式(3)求出該星體在當(dāng)前時(shí)刻視場中的坐標(biāo)，xt+δt＝xt+Δxtyt+δt＝y(tǒng)t+Δyt(3)從而得到該星體在當(dāng)前視場中的位置；2.4、按照上述方法，估計(jì)出前一時(shí)刻視場上跟蹤到的所有星體在當(dāng)前視場中的位置；3、將經(jīng)過運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)后的前一時(shí)刻跟蹤到的星體位置按照x坐標(biāo)從小到大進(jìn)行排序，得到序列B；4、將序列A和序列B進(jìn)行匹配識別，過程如下4.1、根據(jù)估計(jì)的結(jié)果設(shè)定一個(gè)較小的閾值δ，根據(jù)仿真中星敏感器運(yùn)動(dòng)的角速度和位置估計(jì)的精度設(shè)定閾值δ，為2～6個(gè)象素；4.2、將序列A和序列B從左至右依次進(jìn)行比較，計(jì)算其x坐標(biāo)的差和y坐標(biāo)的差，匹配的計(jì)算公式為|xi-xj|＜δ′，|yi-yj|＜δ′4.3、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中有且只有第j顆星體與其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，則兩顆星體即A中的第i顆星體和B中的第j顆星體匹配識別成功；4.4、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中有兩顆以上的星體與其位置差小于δ，說明出現(xiàn)了誤匹配，匹配失敗，由于視場中的星體個(gè)數(shù)較多，因此匹配失敗的星體舍棄，不作為進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算的星體；4.5、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中沒有星體與其位置差小于δ，第i顆星體是新進(jìn)來的星體，沒有匹配星體，由于視場中的星體個(gè)數(shù)較多，因此沒有得到匹配的星體舍棄，不作為進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算的星體；4.6、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中第j顆星體與其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，而第j+1顆星體與其x的坐標(biāo)差值大于δ，則對于第i顆星體，匹配識別結(jié)束；4.7、如果序列A中的第i顆星體與序列B中第j顆星體其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，而與序列B中第j-1顆星體x坐標(biāo)差值大于δ，則對于序列A中的第i+1顆星體，只需從序列B中的第j顆星體開始比較，之前的星體不需要比較。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是加快了匹配的速度，提高了匹配的準(zhǔn)確性，更適合RISC處理器計(jì)算體系的特點(diǎn)，減小了RISC處理器的計(jì)算量，提高了整個(gè)跟蹤過程的速度與準(zhǔn)確性。


圖1是星像坐標(biāo)系建立的示意圖。
圖2是現(xiàn)有的星跟蹤方法中窗口形式的示意圖。圖中的黑點(diǎn)表示背景像素。
圖3為現(xiàn)有的匹配識別方法的示意圖。圖中的黑色五星表示t時(shí)刻跟蹤到的星體的位置。白色五星表示t+δt時(shí)刻實(shí)時(shí)定位得到的星體的精確位置。
圖4是現(xiàn)有的匹配識別方法產(chǎn)生錯(cuò)誤匹配示意圖，圖中的黑色五星表示t時(shí)刻跟蹤到的星體的位置。白色五星表示t+δt時(shí)刻得到的星體的精確位置。
圖5是將當(dāng)前時(shí)刻視場中所有的星體根據(jù)它們的x坐標(biāo)位置進(jìn)行從小到大的排序的示意圖。
圖6是本發(fā)明方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)示意圖。圖中白色五星表示t+δt時(shí)刻跟蹤星體的估計(jì)位置，灰色五星表示t時(shí)刻跟蹤星體的精確位置，黑色五星表示t-δt時(shí)刻跟蹤星體的精確位置。
圖7是本發(fā)明方法中經(jīng)過運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)以后的匹配示意圖。圖中黑色五星表示t時(shí)刻跟蹤到的星體的位置，灰色五星表示t時(shí)刻跟蹤到的星體在t+δt時(shí)刻的估計(jì)位置，白色五星表示t+δt時(shí)刻得到的跟蹤星體的精確位置。
圖8是本發(fā)明將經(jīng)過運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)后的前一時(shí)刻跟蹤到的星體位置按照x坐標(biāo)從小到大進(jìn)行排序的示意圖。
圖9是圖6所示的星圖匹配結(jié)果的示意圖。圖中虛線表示進(jìn)行比較，實(shí)線表示匹配成功。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明在星跟蹤過程中采用匹配識別的方法，并且跟蹤視場中所有的星體，針對匹配識別中存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，其具體步驟如下1、將當(dāng)前時(shí)刻視場中所有的星體根據(jù)它們的x坐標(biāo)位置進(jìn)行從小到大的排序，如圖4所示的10顆星體，其排序前后的情況見圖5。
2、為了減少誤匹配，對前一時(shí)刻視場上跟蹤到的星體不直接進(jìn)行排序，而是根據(jù)前兩幀圖像跟蹤到的星體的運(yùn)動(dòng)信息，估計(jì)前一時(shí)刻視場上跟蹤到的星體在當(dāng)前視場中的可能位置，如圖6所示。前一時(shí)刻為時(shí)刻t，該時(shí)刻的視場圖像為前一幀圖像，時(shí)刻t-δt的視場圖像為前二幀圖像，圖6中的 就是運(yùn)動(dòng)矢量，由于星跟蹤器本身運(yùn)動(dòng)速度不快，這個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量的變化不會(huì)很大，因此我們用前兩幀跟蹤得到的運(yùn)動(dòng)矢量來估計(jì)前一時(shí)刻跟蹤到的星體在當(dāng)前時(shí)刻視場上的位置。在實(shí)際的計(jì)算中，將運(yùn)動(dòng)矢量沿視場的x，y方向分成兩個(gè)分量Δxt，ΔytΔxt＝xt-xt-δtΔyt＝y(tǒng)t-yt-δt(2)xt+δt＝xt+Δxtyt+δt＝y(tǒng)t+Δyt(3)進(jìn)行位置估計(jì)的具體步驟是2.1、根據(jù)前兩幀圖像跟蹤到的星體位置得到該星體的運(yùn)動(dòng)矢量 2.2、將運(yùn)動(dòng)矢量沿視場的x，y方向分解成兩個(gè)分量Δxt，Δyt，根據(jù)下面的式(2)求出Δxt，Δyt的值，Δxt＝xt-xt-δtΔyt＝y(tǒng)t-yt-δt(2)2.3、根據(jù)下面的式(3)求出該星體在當(dāng)前時(shí)刻視場中的坐標(biāo)，xt+δt＝xt+Δxtyt+δt＝y(tǒng)t+Δyt(3)從而得到該星體在當(dāng)前視場中的位置。
2.4、按照上述方法，估計(jì)出前一時(shí)刻視場上跟蹤到的所有星體在當(dāng)前視場中的位置。
由于Δxt，Δyt隨著星跟蹤器運(yùn)動(dòng)在變化，它包含了星跟蹤器運(yùn)動(dòng)中的速度波動(dòng)信息，計(jì)算簡單，速度快?；诒景l(fā)明方法的運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)的匹配方法由圖7所示。從圖7中可看出，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)后，閾值δ可以選擇較小的值，因此減小了誤匹配的可能性，提高了匹配的準(zhǔn)確性。
3、對圖7中經(jīng)過運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)后的前一時(shí)刻跟蹤到的星體位置按照x坐標(biāo)從小到大進(jìn)行排序，得到序列B，如圖8所示。因?yàn)榈?0顆星經(jīng)過估計(jì)已經(jīng)出了視場，所以只有9顆星進(jìn)行排序。
4、將序列A和序列B進(jìn)行匹配識別，過程如下根據(jù)估計(jì)的結(jié)果設(shè)定一個(gè)較小的閾值δ，依據(jù)排序后的結(jié)果，從左至右依次比較。在比較的過程中不計(jì)算距離，而是計(jì)算x，y坐標(biāo)的差。排除了進(jìn)行平方和開根號的計(jì)算，這樣大大減小了RISC處理器的計(jì)算量，匹配的具體步驟是4.1、根據(jù)估計(jì)的結(jié)果設(shè)定一個(gè)較小的閾值δ；這里我們根據(jù)仿真中星敏感器運(yùn)動(dòng)的角速度和位置估計(jì)的精度設(shè)定閾值δ為2個(gè)象素；如果考慮噪聲影響閾值還需要大一些。
4.2、將序列A和序列B從左至右依次進(jìn)行比較，如圖9所示，計(jì)算其x坐標(biāo)的差和y坐標(biāo)的差，匹配的計(jì)算公式為|xi-xj|＜δ′，|yi-yj|＜δ′4.3、對于序列A中的某顆星體，如第2顆星體6′，在序列B中有且只有第1顆星體5″與其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，則兩顆星體(A中的星體6′和B中的星體5″)匹配識別成功；4.4、對于序列A中的第1顆星體1′，在序列B中沒有星體與其位置差小于δ，則可判斷星體1′是新進(jìn)來的星體，沒有匹配星體。
4.6、對于序列A中的第3顆星體10′，與序列B中第2顆星體9″其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，而與第3顆星體1″的x的坐標(biāo)差值大于δ，則對于星體10′，匹配識別結(jié)束，而不需要再與其它星體7″、2″、3″、8″、6″、4″進(jìn)行比較，這樣大大減少了匹配的次數(shù)，提高了匹配的速度。
4.7、序列A中的第8顆星體9′與序列B中第7顆星體8″的x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，而與序列B中第6顆星體3″的x坐標(biāo)差值大于δ，則對于序列A中的第9顆星體7′，只需從序列B中的第7顆星體8″開始比較，之前的星體5″、9″、1″、7″、2″、3″都不需要比較，大大減少匹配的次數(shù)，提高了匹配的速度。
圖7所示的星圖匹配的結(jié)果見圖9。
實(shí)施例具體的實(shí)施過程的范例見以上“具體實(shí)施方式
”這一節(jié)，這個(gè)范例針對圖4，詳細(xì)地?cái)⑹隽苏麄€(gè)匹配識別的過程，包括當(dāng)前時(shí)刻視場中所有的星體的排序情況，前一時(shí)刻視場中所有星體的位置估計(jì)及估計(jì)結(jié)果的排序情況，及這兩個(gè)排序結(jié)果的匹配過程。
另外在實(shí)際的測試中我們對比了采用快速匹配方法和不采用快速匹配方法在的循環(huán)匹配次數(shù)、匹配所需的時(shí)間上的差別。取初始的跟蹤姿態(tài)(俯仰角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角)為(70，20，0)的一個(gè)天區(qū)為例，在跟蹤過程中比較現(xiàn)有的方法和本發(fā)明的方法在匹配的循環(huán)次數(shù)、循環(huán)所需的時(shí)間上的不同，比較結(jié)果如下

權(quán)利要求
1.一種星跟蹤器快速匹配識別方法，其特征在于，匹配步驟如下1.1、將當(dāng)前時(shí)刻視場中所有的星體根據(jù)它們的x坐標(biāo)位置進(jìn)行從小到大的排序，得到序列A，當(dāng)前時(shí)刻為時(shí)刻t+δt；坐標(biāo)系是以視場圖像的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，x，y軸分別平行于圖像的兩邊，δt是指圖像傳感器傳輸兩幀圖像之間的時(shí)間間隔；1.2、根據(jù)前兩幀圖像跟蹤到的星體的運(yùn)動(dòng)信息，估計(jì)前一時(shí)刻視場上跟蹤到的星體在當(dāng)前視場中的位置，前一時(shí)刻為時(shí)刻t，該時(shí)刻的視場圖像為前一幀圖像，時(shí)刻t-δt的視場圖像為前二幀圖像，按照下列步驟進(jìn)行位置估計(jì)1.2.1、根據(jù)前兩幀圖像跟蹤到的星體位置得到該星體的運(yùn)動(dòng)矢量 1.2.2、將運(yùn)動(dòng)矢量沿視場的x，y方向分解成兩個(gè)分量Δxt，Δyt，根據(jù)下面的式(2)求出Δxt，Δyt的值，Δxt＝xt-xt-δtΔyt＝y(tǒng)t-yt-δt(2)1.2.3、根據(jù)下面的式(3)求出該星體在當(dāng)前時(shí)刻視場中的坐標(biāo)，xt+δt＝xt+Δxtyt+δt＝y(tǒng)t+Δyt(3)從而得到該星體在當(dāng)前視場中的位置；1.2.4、按照上述方法，估計(jì)出前一時(shí)刻視場上跟蹤到的所有星體在當(dāng)前視場中的位置；1.3、將經(jīng)過運(yùn)動(dòng)矢量估計(jì)后的前一時(shí)刻跟蹤到的星體位置按照x坐標(biāo)從小到大進(jìn)行排序，得到序列B；1.4、將序列A和序列B進(jìn)行匹配識別，過程如下1.4.1、根據(jù)估計(jì)的結(jié)果設(shè)定一個(gè)較小的閾值δ，根據(jù)仿真中星敏感器運(yùn)動(dòng)的角速度和位置估計(jì)的精度設(shè)定閾值δ，為2～6個(gè)象素；1.4.2、將序列A和序列B從左至右依次進(jìn)行比較，計(jì)算其x坐標(biāo)的差和y坐標(biāo)的差，匹配的計(jì)算公式為|xi-xj|＜δ′，|yi-yj|＜δ′1.4.3、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中有且只有第j顆星體與其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，則兩顆星體即A中的第i顆星體和B中的第j顆星體匹配識別成功；1.4.4、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中有兩顆以上的星體與其位置差小于δ，說明出現(xiàn)了誤匹配，匹配失敗，由于視場中的星體個(gè)數(shù)較多，因此匹配失敗的星體舍棄，不作為進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算的星體；1.4.5、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中沒有星體與其位置差小于δ，第i顆星體是新進(jìn)來的星體，沒有匹配星體，由于視場中的星體個(gè)數(shù)較多，因此沒有得到匹配的星體舍棄，不作為進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算的星體；1.4.6、對于序列A中的第i顆星體，如果在序列B中第j顆星體與其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，而第j+1顆星體與其x的坐標(biāo)差值大于δ，則對于第i顆星體，匹配識別結(jié)束；1.4.7、如果序列A中的第i顆星體與序列B中第j顆星體其x和y的坐標(biāo)差值都小于δ，而與序列B中第j-1顆星體x坐標(biāo)差值大于δ，則對于序列A中的第i+1顆星體，只需從序列B中的第j顆星體開始比較，之前的星體不需要比較。
全文摘要
本發(fā)明屬于天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及對星跟蹤器匹配方法的改進(jìn)。本發(fā)明的步驟是將當(dāng)前時(shí)刻視場的星體根據(jù)x坐標(biāo)位置進(jìn)行排序，得到序列A；估計(jì)前一時(shí)刻視場上跟蹤到的星體在當(dāng)前視場中的位置；將估計(jì)后的跟蹤星體位置進(jìn)行排序，得到序列B；將序列A和序列B進(jìn)行匹配識別。本發(fā)明匹配速度快，準(zhǔn)確性高，計(jì)算量小，提高了整個(gè)跟蹤過程的速度與準(zhǔn)確性。
文檔編號B64G1/24GK1880917SQ20051007718
公開日2006年12月20日 申請日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者江潔, 張廣軍, 李霄, 楊建 申請人:北京航空航天大學(xué)