一種快速全天星圖自主恒星識別方法
【專利摘要】一種快速全天星圖自主恒星識別方法，包括下列步驟：（1）根據(jù)星敏感器的視場生成導航星對角距表；（2）對所有觀測星按能量進行排序；（3）利用新型三角形選擇方法構建觀測星三角形；（4）基于改進型K矢量法對觀測星三角形進行三角形匹配識別；（5）若三角形匹配識別結果唯一，則計算當前姿態(tài)并進行投影驗證；若結果不唯一，則進行四面體識別，若四面體識別結果唯一，則計算姿態(tài)進行投影驗證，若結果不唯一，則重新選擇觀測星組成四面體進行匹配識別。（6）對識別唯一的結果根據(jù)計算的姿態(tài)進行投影驗證，若投影驗證通過，則認為識別成功。本發(fā)明可節(jié)省存儲空間，減小星圖識別時間，提高識別正確率，具有很好的實用價值。
【專利說明】一種快速全天星圖自主恒星識別方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種星圖識別方法，尤其是用于星敏感器的一種快速全天星圖自主恒星識別方法。
【背景技術】
[0002]星圖識別算法是星敏感器的核心技術之一，其根據(jù)有無粗姿態(tài)或粗位置可分為全天星圖識別和局部星圖識別，相應的星敏感器的工作模式一般包括全天識別模式和星跟蹤模式。局部星圖識別需要提供大致的姿態(tài)信息，完成局部天區(qū)的識別和跟蹤，全天星圖識別不需要任何姿態(tài)信息，通過全天星圖對比完成自主識別。全天星圖識別是星敏感器實現(xiàn)全天自主姿態(tài)輸出的基礎，識別難度比局部星圖識別大，是星圖識別的核心研究內(nèi)容。
[0003]星圖識別算法中最關鍵的問題就是算法的識別成功率、識別速率和存貯量，其中魯棒性和實時性是衡量算法好壞的主要標準。星圖中可以提取的信息很少，主要有觀測星的亮度、觀測星對之間的角距、觀測星組成的集合形狀等，識別算法利用其中的一種或者多種識別特征對星圖進行識別。其中星對角距是最主要的識別特征。根據(jù)識別時所采用的不同的特征，目前最為常用主要有以下幾類方法:三角形法、匹配組法、柵格算法、神經(jīng)網(wǎng)絡法和基于平面極坐標匹配組的星圖識別法。
[0004]三角形算法是目前最成熟也是使用最廣泛的星圖識別算法，已經(jīng)成功應用于星敏感器系統(tǒng)。其識別過程為:從星敏感器拍攝到的星圖中選擇最亮的幾顆觀測星，由這幾顆觀測星組成一些待識別的三角形，在導航星表中尋找與這些觀測三角形相匹配的導航三角形。如果找到且唯一，則認為識別成功；沒有找到則認為識別失敗。
[0005]三角形算法的特點是:三角形模式易于管理，通過建立從主星出發(fā)的星對樹形結構，可以有效抑制星三角形的數(shù)量，從而減輕識別過程的計算量和導航星表的存儲容量。但全天恒星可以組成的星三角形數(shù)量極多(C〗個，η為全天可觀測恒星總數(shù))，可以通過判斷同時出現(xiàn)在一個視場中的可能性，而`剔除大量不實用的星三角形，需要存入導航星座數(shù)據(jù)庫的星三角形也有相當大的數(shù)量，因此使用三角形算法需要較大的存儲量，同時由于星三角形的數(shù)量很多，在匹配過程中出現(xiàn)冗余匹配的概率較大，冗余匹配導致算法的識別成功率迅速降低。
[0006]匹配組識別方法又稱為主星識別法，該方法把觀測星中一顆星安排作為主星，其余星為伴隨星，對主星與伴隨星間角距在一給定的門限內(nèi)尋找對應的導航星對，然后進行亮度等級匹配，保留匹配組，再選下一顆星作主星，刪除多余匹配星組。
[0007]該算法基本上不需要重復匹配，克服了三角形算法所具有的冗余匹配率高的缺點，在較高測量誤差情況下仍能保持較高的識別成功率，而且適用于全天星圖識別，識別速度快，識別率高。但該方法也存在一些缺陷:在有許多顆星等相近的亮星的視域內(nèi)，識別率嚴重降低，且易產(chǎn)生誤識別。
[0008]柵格算法是一種典型的采用模式匹配策略的星圖識別算法。其基本原理為:首先為一些經(jīng)過仔細挑選的導航星按照某種方式建立導航星模式，并有這些導航星模式組成導航模式數(shù)據(jù)庫，對于觀測星圖再按照相同的模式組成觀測星模式，識別過程實際就為從導航模式數(shù)據(jù)庫中查找出與觀測星模式相同或者最為接近的導航星模式。
[0009]柵格算法識別具有存儲量小、成功率較高，實時性和魯棒性也較好，算法對幾何測量誤差不敏感、識別中無需使用恒星亮度特征等優(yōu)點，但主要的缺點是:在選定主星后，觀測模式的建立完全取決于基準星，選擇不同的基準星，則所建立的觀測模式完全不同，而且彼此之間沒有聯(lián)系，如不能選擇正確的基準星，對應的觀測模式與導航模式將無法匹配。且柵格算法要求星敏感器視場內(nèi)有較多的觀測星，要求星敏感器有較大的視場或者能捕獲到星等較低的觀測星，在很大程度上限制了該算法的應用范圍。同時該方法一個主要的問題在于網(wǎng)格圖像必須要旋轉(zhuǎn)角度一致才能完全匹配，其用待識別星最近一顆星作為標識來統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)角度，而該標識星的選擇很容易受噪聲影響，從而影響識別結果。
[0010]神經(jīng)網(wǎng)絡星圖識別的基本方法是:在視場中選定最亮的觀測星作為第一導航星，離第一導航星最近的觀測星作為第二導航星。把第一導航星和第二導航星的連線作為參考基線，計算其余觀測星與第一導航星連線與參考基線的夾角，并計算第一導航星到其余觀測星的矢量。
[0011]該星圖識別方法的模式特征表現(xiàn)為各神經(jīng)元之間權值的連接強度，以權值矩陣代替了模式庫。其識別過程只做一次匹配即可完成觀測模式與眾多模式的比較，無需迭代即可獲得最終的識別結果，減小了星載數(shù)據(jù)量和星圖識別的時間。但其訓練過程需要很大的訓練集合，精度受訓練集合大小和訓練時間長短的影響，并且算法對硬件的要求比較高。
[0012]基于平面極坐標匹配組法的星圖識別方法，其特征在于:從所有觀測星中選擇一個主參考星座作為目標模板，對內(nèi)存全部導航星座模板進行遍歷，找到一個與選定主參考星座模板最為近似的導航星座模板作為識別結果。
[0013]該方法的優(yōu)點是:識別概率高，算法實現(xiàn)的代價低，識別容錯率較高；缺點是:需要選擇參考星，以該參考星為基準建立極坐標模板，如不能選擇正確的參考星，則觀測模板與導航模板將無法匹配，且該識別方法需要對導航星表中每顆導航星分別建立極坐標模板，對于小視場、高靈敏度的小型星敏感器，其導航星表數(shù)量大，導航星的極坐標模板所需存儲空間大，同時觀測模板需與每一個導航模板進行一次模板匹配，所需的識別時間長，實時性較差。
[0014]上述識別方法中三角形算法和極坐標匹配法是到目前為止應用比較成熟的兩種星圖識別方法。其中三角形算法原理簡單，易于實現(xiàn)，識別速度快，但是其識別的特征維數(shù)低，冗余和誤匹配較大，所需存儲空間也比較大；極坐標匹配法識別概率高，誤識別率低，但該方法需要選擇參考主星，若不能選擇正確的參考星，則導致識別失敗，且算法需要為每顆導航星建立模版，所需存儲空間大，識別時間長，實時性較差。由于極坐標匹配法雖然誤識別率低，但其實時性差，為此為了實現(xiàn)快速識別，本發(fā)明吸取三角形算法的優(yōu)點，并對其缺點進行改進，提出了一種快速的全天自主星圖識別算法。該算法合理有效，可節(jié)省存儲空間，減小星圖識別時間，提高識別正確率，具有很好的實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種快速全天星圖自主恒星識別方法，可以實現(xiàn)高概率、低誤識別率、快速、低代價的恒星識別。[0016]本發(fā)明的技術解決方案是:一種快速全天星圖自主恒星識別方法，步驟如下:
[0017](I)根據(jù)原始星表計算導航星對角距表，并對導航星對角距表進行預處理；
[0018](2)對星圖中的所有觀測星按能量從大到小進行排序；
[0019](3)根據(jù)新型三角形選擇方法，任意三顆觀測星組成一個觀測星三角形，構建觀測星三角形組；
[0020](4)采用改進型K矢量法對觀測星三角形組中的任一觀測星三角形和星對角距表進行三角形匹配識別；
[0021](5)對觀測星三角形和星對角距表匹配識別結果進行判斷，如果匹配識別結果唯一，則根據(jù)匹配識別結果利用QUEST算法計算當前星圖的姿態(tài)，并執(zhí)行步驟(9);如果匹配識別結果不唯一，則執(zhí)行步驟(6)；
[0022]如果匹配識別失敗且不是觀測星三角形組中的最后一個觀測星三角形，則執(zhí)行步驟(3)，重新選擇觀測星三角形；如果觀測星三角形組中的所有觀測星三角形都已和星對角距表完成匹配識別且都匹配識別失敗，則匹配識別失敗，結束識別；
[0023](6)選擇剩余觀測星中序號最小的一顆觀測星與步驟(5)中匹配識別結果不唯一的三顆觀測星組成空間四面體，按照四面體匹配識別方法將空間四面體和星對角距表進行四面體匹配識別，所述剩余觀測星為未參與步驟(4)中匹配識別過程的觀測星；
[0024](7)對四面體匹配識別結果進行判斷，如果四面體匹配識別結果唯一，則匹配識別成功，結束識別；如果四面體匹配識別結果不唯一或匹配識別失敗，則執(zhí)行步驟(8)；
[0025](8)如果剩余觀測星都已參與四面體匹配識別，則執(zhí)行步驟(3)，重新選擇觀測星三角形，如果還有剩余觀測星未參與四面體匹配識別，則從剩余觀測星中重新選擇一顆觀測星與步驟(5)中匹配識別不唯一的三顆觀測星組成空間四面體并進行四面體匹配識別；如果觀測星三角形組中的所有觀測星三角形都已進行匹配識別且匹配識別失敗，則匹配識別失敗，結束識別；
[0026](9)根據(jù)步驟(5)中計算得到的星圖姿態(tài)，對識別結果進行投影驗證；
[0027]( 10)對投影驗證結果進行判斷，如果投影驗證成功，則匹配識別成功，結束識別，否則執(zhí)行步驟(3)。
[0028]所述步驟(I)中根據(jù)原始星表計算導航星對角距表，并對導航星對角距表進行預處理，具體方法如下:
[0029]( I)初始化導航星對角距表；
[0030]( 2 )遍歷全天球所有天區(qū)，對于任意給定光軸指向，根據(jù)光軸指向?qū)Ш叫潜碇袑Ш叫沁M行投影，得到星敏感器視場內(nèi)導航星；
[0031](3)對星敏感器視場內(nèi)導航星按星等從小到大進行排序，選擇前Thr_Nstar顆導航星，并計算導航星之間的星對角距，所述Thr_Nstar為設定的導航星數(shù)閾值；
[0032](4)對步驟(3)計算得到的星對角距進行判斷，如果導航星對角距表中已存在該星對角距，則不對導航星對角距表進行更新；若導航星對角距表中不存在該星對角距，則將該星對角距存入導航星對角距表中。
[0033]所述步驟(3)中的新型三角形選擇方法，具體如下:
[0034](I)設置循環(huán)變量dj為I ;
[0035](2)設置循環(huán)變量dk為I ;[0036](3)設置循環(huán)變量i為I ;
[0037](4)設置選擇的觀測星三角形中三顆觀測星序號分別為i1; “和i3，則i1=l，ifi+dj，i3=i+dj+dk ；
[0038](5)利用選擇的觀測星三角形和星對角距表進行匹配識別，若匹配識別成功，則結束選擇觀測星三角形，否則執(zhí)行步驟(6)；
[0039](6)對i值進行判斷，若i〈Nstar-dj-dk，則令i加1，執(zhí)行步驟(4)，否則執(zhí)行步驟
(7)；
[0040](7)若dk〈Nstar-dj-l，則令dk加I，執(zhí)行步驟(3)，否則執(zhí)行步驟(8)；
[0041](8)若dj〈Nstar-2，則令d」加1，執(zhí)行步驟(2)，否則結束選擇觀測星三角形。
[0042]所述步驟(4)中采用改進型K矢量法對觀測星三角形和星對角距表進行三角形匹配識別，具體計算過程如下:
[0043](I)建立平面直角坐標系，在坐標系內(nèi)以整數(shù)i為行坐標，星對角距正弦值S (i)為縱坐標，構建坐標系點坐標集[i, SQ)], i=l, 2, 3,..., 10 ；
[0044](2)計算計算中間量Ddc^a1和整型數(shù)組K，其中:
[0045]D=[S (m)-S (I) ] / (m-Ι);
[0046]a^mD/ (m_l);
[0047]B0=S(I)-B1-D/^
[0048]由直線Sinv=B1I^aci和S (i),可計算出整型數(shù)組K,即
[0049]K (k) =n,滿足 S (n)≤a^+a?！躍 (η+1)，
[0050]其中sin V為觀測角距的正弦值，顯然K(1)=0，K(m)=m，數(shù)組K中的第k個元素K(k)代表了小于sinvzaA+a。的S⑴的個數(shù)；
[0051]令觀測角距的正弦值為sin V，角距匹配門限值為ε，識別過程需要分別確定sin( V - ε )和sin( ν + ε )對應星對角距表中的角距,其查找過程如下:
[0052](i )計算kstart和kend的值,其中
[0053]lbot=bot {[sin (ν- ε ) -a0] /aj
[0054]ltop=top {[sin (ν+ ε ) -a0] /aj
[0055]kstart=K (Ibot)+1
[0056]kend=K (Itop)
[0057]其中:bot{x}代表小于X的最大整數(shù)；
[0058]top {x}代表大于X的最小整數(shù)；
[0059]kstart表示sin ( ν - ε )在星對角距表中的位置；
[0060]kend表示sin ( ν + ε )在星對角距表中的位置；
[0061](ii)對觀測角距sin ν進行匹配:
[0062]ya=sin( ν - ε ),其對應 lb()t=4,由 K 矢量的構成 K (Ilrot) =3, kstart=4 ；yb=sin( ν + ε ),其對應1_=9，由K矢量的構成K (Itop) =9，kmd=9，以ε作為角距匹配門限的sin ν，其對應的角距范圍從S (4)到S (9)。
[0063]所述步驟(9)中的投影驗證，具體方法如下:
[0064](I)根據(jù)觀測星三角形和星對角距表匹配識別結果計算當前星圖姿態(tài)；
[0065](2)根據(jù)步驟(1)計算的星圖姿態(tài)遍歷導航星表，并將星敏感器視場內(nèi)導航星投影在星敏感器成像面上；
[0066](3)計算星敏感器成像面上導航星與觀測星之間的夾角；
[0067](4)根據(jù)設定的角距閾值對步驟(3)計算的導航星與觀測星之間的夾角進行判斷，統(tǒng)計滿足角距閾值的角距個數(shù)；
[0068](5)若角距個數(shù)大于等于設定的角距個數(shù)閾值，則認為投影驗證成功；若角距個數(shù)小于設定的角距個數(shù)閾值，則認為投影驗證失敗。
[0069]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是:
[0070](I)本發(fā)明對導航星對角距表進行了預處理，以減小存儲空間。即在根據(jù)視場生成導航星對角距表后，根據(jù)視場內(nèi)導航星數(shù)對導航星對角距表進行篩選，獲得有效的星對角距。如此篩選后得到的導航星對角距個數(shù)大幅減少(相對于只根據(jù)視場篩選得到的角距個數(shù))，同時也減少了冗余角距個數(shù)，節(jié)省了存儲空間，加快匹配識別的速度；
[0071](2)本發(fā)明在角距查找時，對K矢量法進行改進，采用改進型K矢量法來查找滿足角距匹配閾值的導航星對角距，加快了導航星對角距查找速度，減少了全天星圖識別時間；
[0072](3)本發(fā)明提出了一種新型選擇觀測星三角形的方法，有效減少了星圖識別時選擇觀測星三角形的次數(shù)，提高了星圖識別的速度；
[0073](4)本發(fā)明在三角形識別不唯一時，引入第四顆觀測星與之前三顆觀測星組成空間四面體，進行四面體識別，有效提高了識別成功率；
[0074](5)本發(fā)明在識別結果唯一時，根據(jù)識別結果進行姿態(tài)計算，并對計算的姿態(tài)進行投影驗證，有效避免了誤識別，提高了識別正確率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0075]圖1為本發(fā)明方法流程示意圖；
[0076]圖2為改進型K矢量算法原理示意圖；
[0077]圖3為視場內(nèi)觀測星與其相應的導航星示意圖。
【具體實施方式】
[0078]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0079]圖1為本發(fā)明的流程圖，設星敏感器全視場角為ω，導航星數(shù)閾值為Thr_Nstar，為以某星敏感器產(chǎn)品為例，其視場為20° X 20°，即ω為20°，設置Thr_Nstar為15，星圖匹配角距閾值Thr_anglel為60"，投影驗證時滿足角距個數(shù)閾值Thr_Nangle為5，投影驗證的角距閾值Thr_angle2為35"。
[0080]以圖3中的觀測星和導航星為例，來說明整個自主星圖識別過程。如圖3所示，選取的觀測星為1、2、3、4、5、6，其對應的導航星序號依次為26、35、34、29、42和45。本發(fā)明的具體步驟如下:
[0081](I)根據(jù)原始星表計算導航星對角距表，并對導航星對角距表進行預處理；
[0082]導航星對角距表包含滿足星敏感器視場大小的所有導航星對之間的星對角距，以及組成星對的每顆導航星在導航星信息表中的存儲位置即導航星序號。導航星表預處理即生成導航星對角距具體過程如下:[0083]( i )初始化導航星對角距表；
[0084](ii)遍歷全天球所有天區(qū)，對于任意給定光軸指向，根據(jù)光軸指向?qū)Ш叫潜碇袑Ш叫沁M行投影，得到星敏感器視場內(nèi)導航星；
[0085](iii)對星敏感器視場內(nèi)導航星按星等從小到大進行排序，選擇前Thr_Nstar顆導航星，并計算導航星之間的星對角距，所述Thr_Nstar為設定的導航星數(shù)閾值；
[0086](iv)對步驟(iii)計算得到的星對角距進行判斷，如果導航星對角距表中已存在該星對角距，則不對導航星對角距表進行更新；若導航星對角距表中不存在該星對角距，則將該星對角距存入導航星對角距表中。
[0087](2)將所有觀測星按照星點能量從大到小進行排序，令觀測星個數(shù)為Nstar ；
[0088]圖3中觀測星排序后的序號依次為1、2、3、4、5、6，觀測星數(shù)Nstar為6 ；
[0089](3)根據(jù)新型三角形選擇方法，任意三顆觀測星組成一個觀測星三角形，構建觀測星三角形組；觀測星三角形的選擇按三重循環(huán)進行選取，具體步驟如下:
[0090](i)設置循環(huán)變量dj為I ;
[0091](ii)設置循環(huán)變量dk為I ;
[0092](iii)設置循環(huán)變量i為I ;
[0093](iv)設置選擇的觀測星三角形中三顆觀測星序號分別為i1; “和i3，則i1=l，ifi+dj，i3=i+dj+dk ；
[0094](V)利用選擇的觀測星三角形和星對角距表進行匹配識別，若匹配識別成功，則執(zhí)行步驟(ix)，否則執(zhí)行步驟(V);
[0095](vi)對i值進行判斷,若i〈Nstar-dj_dk,則i=i+l,執(zhí)行步驟(iv),否則執(zhí)行步驟(vii)；
[0096](vii)若 dk〈Nstar-dj-l,則 dk=dk+l,執(zhí)行步驟(iii),否則執(zhí)行步驟(viii)；
[0097](viii)若 dj〈Nstar_2,則 dj=dj+l,執(zhí)行步驟(ii),否則執(zhí)行步驟(ix)；
[0098](ix)結束選擇觀測星三角形。
[0099]實施例中第一次選取的觀測星序號分別為1，2，3，組成觀測星三角形。
[0100](4)根據(jù)設置的角距閾值Thr_anglel，采用改進型K矢量法對觀測星三角形組中的任一觀測星三角形和星對角距表進行三角形匹配識別；
[0101]通常方法都是根據(jù)星敏感器的視場進行篩選生成星對角距，該方法若導航星表中星數(shù)較少時，根據(jù)視場篩選后得到的導航星星對角距也較少，其所占存儲空間較小；若導航星表中星數(shù)較多時，則根據(jù)視場篩選得到的角距個數(shù)仍然很多，需要占用較大的存儲空間，且增加星圖識別時角距匹配的時間，同時根據(jù)視場篩選得到的導航星對角距表中存在一部分冗余角距。本發(fā)明中提出的星對角距生成方法可獲得有效星對角距，減小存儲空間，加快角距匹配的速度。
[0102]由于星敏感器系統(tǒng)存在各種誤差，觀測角距并不能完全等同于對應導航星之間的真實角距，通常需根據(jù)星敏感器的測量精度，設置合理的門限值，在門限值的范圍內(nèi)對觀測角距進行匹配。利用K矢量法可加快星圖識別過程中查找匹配角距的速度，本發(fā)明對K矢量算法進行改進，下面說明改進型K矢量查找匹配角距的方法，需在星圖識別前計算出星圖識別過程中改進型K矢量查找法所需的幾個參數(shù)。
[0103]改進型K矢量算法可以看作擬和曲線方法的一種，它通過擬和曲線來確定數(shù)組K，有效克服擬和曲線精度低的缺點。一定視場條件下，角距正弦值的分布介于直線和正弦曲線之間，可用正弦曲線和直線來模擬角距正弦值的分布。下面說明用直線來模擬角距正弦值分布的方法，其構造過程如下:
[0104]以圖2為例說明改進型K矢量查找算法，記S為從小到大排序后的星對夾角正弦值，其包含10個元素的角距信息表，即數(shù)組S的維數(shù)m等于10，其角距分布如圖2中點所示，Is和Js也是m維數(shù)組，和數(shù)組S中的元素相對應，代表了組成候選星對的兩顆恒星在導航星信息表中的編號。在查找匹配角距之前需要先計算查找中所需的參數(shù)D，a0, B1和整型數(shù)組K，其計算過程如下:
[0105]( i)建立平面直角坐標系，在坐標系內(nèi)以整數(shù)i為行坐標，星對角距正弦值S⑴為縱坐標，構建坐標系點坐標集[i, SQ)], i=l, 2, 3,..., 10 ；
[0106](ii)計算計算中間量D，^a1和整型數(shù)組K，其中:
[0107]D=[S(m)_S ⑴]/(m-Ι);
[0108]afmD/Cm-l);
[0109]afS (I)—afD/2。
[0110]由直線Sinvza1I^aci和S⑴，可計算出整型數(shù)組K,即
[0111]K(k)=n,滿足 S(n) ^ a^+ag ^ S (n+1),
[0112]其中sinv為觀測角距的正弦值，顯然K(1)=0，K(m)=m。數(shù)組K中的第k個元素K(k)實際代表了小于sim^aik+a。的S(i)的個數(shù)，圖2中K矢量的構成為:[0，2，2，3，3，5，6,8,9,10]。
[0113]假設觀測角距的正弦值為sin ν，角距匹配門限值為ε，識別過程需要分別確定sin ( ν - ε )和sin ( ν + ε )對應星對角距表中的角距,其查找過程如下:
[0114]⑴首先計算kstart和kend的值,其中
[0115]lbot=bot {[sin (ν- ε ) -a0] /aj
[0116]ltop=top {[sin (ν+ ε ) -a0] /aj
[0117]kstart=K (Ibot)+1
[0118]kend=K (Itop)
[0119]其中:bot{x}代表小于X的最大整數(shù)；
[0120]top {x}代表大于X的最小整數(shù)；
[0121]kstart表示sin(v-e)在星對角距表中的位置；
[0122]kend表示sin( ν + ε )在星對角距表中的位置。
[0123](ii)對觀測角距sin ν進行匹配:
[0124]ya=sin( ν - ε ),其對應 lb()t=4,由 K 矢量的構成 K (Ilrot) =3, kstart=4 ；yb=sin( ν + ε ),其對應1_=9，由K矢量的構成K (lt J=Ikend=L以ε作為角距匹配門限的sin V，其對應的角距范圍從S (4)到S (9)。
[0125]示例中與觀測星1、2滿足匹配閾值的導航星對角距為32個，與觀測星1、3匹配導航星對角距47個，與觀測星2、3匹配的導航星對角距為22個。
[0126](5)對觀測星三角形和星對角距表匹配識別結果進行判斷，如果匹配識別唯一，則根據(jù)匹配識別結果利用QUEST算法計算當前星圖的姿態(tài)，并執(zhí)行步驟(9);如果匹配識別不唯一，則執(zhí)行步驟(6);如果觀匹配識別失敗且不是觀測星三角形組中的最后一個觀測星三角形，則執(zhí)行步驟(3)，重新選擇觀測星三角形；如果觀測星三角形組中的所有觀測星三角形都已和星對角距表完成匹配識別且都匹配識別失敗，則匹配識別失敗，結束識別；
[0127]示例中與觀測星序號為1、2和3組成的觀測星三角形匹配的導航星三角形只有I個，序號分別為26、35、34，則三角形識別結果唯一，執(zhí)行步驟(9)進行投影驗證。
[0128](6)選擇剩余觀測星中序號最小的一顆觀測星與步驟(5)中匹配識別不唯一的三顆觀測星組成空間四面體，按照四面體匹配識別方法將空間四面體和星對角距表進行四面體匹配識別，所述剩余觀測星為沒有未參與步驟(4)中匹配識別過程的觀測星；為了加快角距查找的速度，在四面體匹配過程中同樣采用改進型K矢量法查找滿足角距匹配閾值的導航星對角距。
[0129](7)對四面體匹配識別結果進行判斷，如果四面體匹配識別結果唯一，則匹配識別成功，結束識別；如果四面體匹配識別結果不唯一或匹配識別失敗，則執(zhí)行步驟(8)；
[0130](8)從剩余觀測星中重新選擇一顆觀測星與步驟(5)中匹配識別不唯一的三顆觀測星組成空間四面體并進行四面體匹配識別，如果剩余觀測星都已參與四面體匹配識別，則執(zhí)行步驟(3)，重新選擇觀測星三角形；如果觀測星三角形組中的所有觀測星三角形都已進行匹配識別且匹配識別失敗，則匹配識別失敗，結束識別；
[0131](9)根據(jù)步驟(5)中計算得到的星圖姿態(tài)，對識別結果進行投影驗證；具體方法如下:
[0132](i)根據(jù)觀測星三角形和星對角距表匹配識別結果計算當前星圖姿態(tài)；
[0133](ii)根據(jù)步驟(I)計算的星圖姿態(tài)遍歷導航星表，并將星敏感器視場內(nèi)導航星投影在星敏感器成像面上；
[0134](iii)計算星敏感器成像面上導航星與觀測星之間的夾角；具體方法為:令導航星載星敏感器空間坐標系中的坐標為(X，y, Z)，觀測星載星敏感器空間坐標系中的坐標為(X'，y'，Z')，導航星與觀測星之間的夾角為θ，則有COS0=(X，y，Z) *(X'，y'，Z')，由此可計算出導航星與觀測星之間的夾角；
[0135](iv)根據(jù)設定的角距閾值對計算的導航星與觀測星夾角進行判斷，統(tǒng)計滿足角距閾值Thr_Nangle的角距個數(shù)Nangle ；
[0136](V)若角距個數(shù)Nangle大于等于設定的角距個數(shù)閾值Thr_Nangle，則認為投影驗證成功；若角距個數(shù)Nangle小于設定的角距個數(shù)閾值Thr_Nangle，則認為投影驗證失敗。
[0137]示例中計算的滿足投影角距閾值的角距個數(shù)Nangle為8，大于角距個數(shù)閾值Thr_Nangle (設置角距個數(shù)閾值Thr_Nangle為5)，則投影驗證成功。
[0138](10)對投影驗證結果進行判斷，如果投影驗證成功，則匹配識別成功，結束識別，否則執(zhí)行步驟(3);
[0139]示例中投影驗證成功，匹配識別成功，結束識別。
[0140]實施例中星圖識別成功，識別成功的觀測星序號為1、2、3，對應的導航星序號依次為 26、35、34。
[0141]本發(fā)明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種快速全天星圖自主恒星識別方法，其特征在于步驟如下: (1)根據(jù)原始星表計算導航星對角距表，并對導航星對角距表進行預處理； (2)對星圖中的所有觀測星按能量從大到小進行排序； (3)根據(jù)新型三角形選擇方法，任意三顆觀測星組成一個觀測星三角形，構建觀測星三角形組； (4)采用改進型K矢量法對觀測星三角形組中的任一觀測星三角形和星對角距表進行三角形匹配識別； (5)對觀測星三角形和星對角距表匹配識別結果進行判斷，如果匹配識別結果唯一，則根據(jù)匹配識別結果利用QUEST算法計算當前星圖的姿態(tài)，并執(zhí)行步驟(9);如果匹配識別結果不唯一，則執(zhí)行步驟(6); 如果匹配識別失敗且不是觀測星三角形組中的最后一個觀測星三角形，則執(zhí)行步驟(3)，重新選擇觀測星三角形；如果觀測星三角形組中的所有觀測星三角形都已和星對角距表完成匹配識別且都匹配識別失敗，則匹配識別失敗，結束識別； (6)選擇剩余觀測星中序號最小的一顆觀測星與步驟(5)中匹配識別結果不唯一的三顆觀測星組成空間四面體，按照四面體匹配識別方法將空間四面體和星對角距表進行四面體匹配識別，所述剩余觀測星為未參與步驟(4)中匹配識別過程的觀測星； (7)對四面體匹配識別結果進行判斷，如果四面體匹配識別結果唯一，則匹配識別成功，結束識別；如果四面體匹配識別結果不唯一或匹配識別失敗，則執(zhí)行步驟(8)； (8)如果剩余觀測星都已參與四面體匹配識別，則執(zhí)行步驟(3)，重新選擇觀測星三角形，如果還有剩余觀測星未參與四面體匹配識別，則從剩余觀測星中重新選擇一顆觀測星與步驟(5)中匹配識別不唯一的三顆觀測星組成空間四面體并進行四面體匹配識別；如果觀測星三角形組中的所有觀測星三角形都已進行匹配識別且匹配識別失敗，則匹配識別失敗，結束識別； (9)根據(jù)步驟(5)中計算得到的星圖姿態(tài)，對識別結果進行投影驗證； (10)對投影驗證結果進行判斷，如果投影驗證成功，則匹配識別成功，結束識別，否則執(zhí)行步驟(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種快速全天自主恒星識別方法，其特征在于:所述步驟(1)中根據(jù)原始星表計算導航星對角距表，并對導航星對角距表進行預處理，具體方法如下: (I)初始化導航星對角距表； (2 )遍歷全天球所有天區(qū)，對于任意給定光軸指向，根據(jù)光軸指向?qū)Ш叫潜碇袑Ш叫沁M行投影，得到星敏感器視場內(nèi)導航星； (3)對星敏感器視場內(nèi)導航星按星等從小到大進行排序，選擇前Thr_Nstar顆導航星，并計算導航星之間的星對角距，所述Thr_Nstar為設定的導航星數(shù)閾值； (4)對步驟(3)計算得到的星對角距進行判斷，如果導航星對角距表中已存在該星對角距，則不對導航星對角距表進行更新；若導航星對角距表中不存在該星對角距，則將該星對角距存入導航星對角距表中。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種快速全天自主恒星識別方法，其特征在于:所述步驟(3)中的新型三角形選擇方法，具體如下: (I)設置循環(huán)變量dj為I ;(2)設置循環(huán)變量dk為I; (3)設置循環(huán)變量i為I; (4)設置選擇的觀測星三角形中三顆觀測星序號分別為i1;i2和i3，則i1=l，i2=i+dj,i3=i+dj+dk ； (5)利用選擇的觀測星三角形和星對角距表進行匹配識別，若匹配識別成功，則結束選擇觀測星三角形，否則執(zhí)行步驟(6)； (6)對i值進行判斷，若i〈Nstar-dj-dk，則令i加1，執(zhí)行步驟(4)，否則執(zhí)行步驟(7)； (7)若dk〈Nstar-dj-l，則令dk加I，執(zhí)行步驟(3)，否則執(zhí)行步驟(8)； (8)若dj〈Nstar-2，則令d」加1，執(zhí)行步驟(2)，否則結束選擇觀測星三角形。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種快速全天自主恒星識別方法，其特征在于:所述步驟(4)中采用改進型K矢量法對 觀測星三角形和星對角距表進行三角形匹配識別，具體計算過程如下: (1)建立平面直角坐標系，在坐標系內(nèi)以整數(shù)i為行坐標，星對角距正弦值S(i)為縱坐標，構建坐標系點坐標集[i, SQ)], i=l, 2, 3,..., 10 ； (2)計算計算中間量D、a0,B1和整型數(shù)組K，其中:
D=[S(m) -S(I)]/ (m-1);
a^mD/ (m-1);
a0=S (I) _a「D/2。 由直線sim^aA+a。和S(i),可計算出整型數(shù)組K,即 K (k) =n,滿足 S (n) ( a^+a。( S (η+1)， 其中sin V為觀測角距的正弦值，顯然K(I) =0，K (m)=m，數(shù)組K中的第k個元素K (k)代表了小于Sinvza1I^aci的S⑴的個數(shù)； 令觀測角距的正弦值為sinv，角距匹配門限值為ε，識別過程需要分別確定sin( V - ε )和sin(v+e)對應星對角距表中的角距,其查找過程如下: (i )計算kstart和kmd的值,其中 lbot=bot {[sin (ν- ε ) -a0] /aj ltop=top {[sin (v+ ε ) -a0] /aj
kstart=K (Ibot)+1
kend K (Itop) 其中:bot{x}代表小于X的最大整數(shù)； top {x}代表大于X的最小整數(shù)； kstart表示sin( V - ε )在星對角距表中的位置； kend表示sin( V + ε )在星對角距表中的位置； (ii)對觀測角距sin V進行匹配:
ya=sin( V - ε ),其對應 lb()t=4,由 K 矢量的構成 K (Ilrot) =3, kstart=4 ；yb=sin( v + ε )，其對應1_=9，由K矢量的構成K (lt J =9，kmd=9，以ε作為角距匹配門限的sin ν，其對應的角距范圍從S (4)到S (9)。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種快速全天自主恒星識別方法，其特征在于:所述步驟(9)中的投影驗證，具體方法如下:(1)根據(jù)觀測星三角形和星對角距表匹配識別結果計算當前星圖姿態(tài)； (2)根據(jù)步驟(1)計算的星圖姿態(tài)遍歷導航星表，并將星敏感器視場內(nèi)導航星投影在星敏感器成像面上； (3)計算星敏感器成像面上導航星與觀測星之間的夾角； (4)根據(jù)設定的角距閾值對步驟(3)計算的導航星與觀測星之間的夾角進行判斷，統(tǒng)計滿足角距閾值的角距個數(shù)； (5)若角距個數(shù)大于等于設定的角距個數(shù)閾值，則認為投影驗證成功；若角距個數(shù)小于設定的角距個數(shù)閾 值，則認為投影驗證失敗。
【文檔編號】G01C21/02GK103868510SQ201410119756
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權日:2014年3月27日
【發(fā)明者】程會艷, 鐘紅軍, 楊君, 王龍, 李曉, 劉靖, 余成武, 梁士通 申請人:北京控制工程研究所