一種適用於高背景星圖識別用的導航資料庫構建方法

2023-10-09 22:29:49 1

一種適用於高背景星圖識別用的導航資料庫構建方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用於高背景星圖識別用的導航資料庫構建方法，屬於導航資料庫構建【技術領域】。本發明在獲得單位球面均勻分布的視軸的基礎上，選取導航星和導航三角形，從而能夠獲得在天球上位置和能量都儘可能均勻分布的導航星和導航三角形，並保證每一顆導航星都有機會構造導航三角形，避免了因恆星和三角形數量巨大，分布不均，以及能量不穩定帶來的數據冗餘和區域空洞，保證了星圖識別算法的有效性。
【專利說明】一種適用於高背景星圖識別用的導航資料庫構建方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及導航資料庫構建【技術領域】，具體涉及一種適用於高背景星圖識別用的 導航資料庫構建方法。

【背景技術】
[0002] 星敏感器是一種高精度姿態敏感器，其通過對恆星的成像和識別，獲得視軸指向 的慣性姿態角或四元數。導航星是星圖識別和姿態解算的基本參考數據，導航資料庫的構 建與識別算法緊密相關，並直接影響圖像識別算法的性能和姿態解算的精度。
[0003] 現有星敏感器多用於衛星平臺，其應用環境具有暗背景、幹擾雜光少、可觀測恆星 資源豐富、相機觀測視場大等特點。該條件下的導航星選取多採用星等閾值過濾法、星等加 權法等、正交網格法等，這類方法簡單易實現，缺點是所選恆星未考慮星間角距，分布不均 勻，易造成局部區域的特徵冗餘或特徵空洞。導航三角形生成方法多以主星為基準，在一定 範圍內尋找其他兩顆星，構成三角形，要求在樣本無窮大時才可得到最優結果，這類方法獲 得的三角形同樣存在分布不均勻的特點，當導航星增加時，導航三角形的數量也隨之激增。
[0004] 將星敏感器用於高背景環境下，需要克服背景光強、幹擾雜光多、星點信噪比低等 問題。針對上述問題，設計採用近紅外探測波段的小視場（5.86° X5. 86°方形）高靈敏 度C⑶相機ICXD作為星敏感器的光學成像系統，在此基礎上選取和構建可供圖像匹配和 姿態解算參考用的導航星和導航資料庫面臨如下問題：（1)探測星等高，暗星多，若不加篩 選，導航星和導航三角形構成的資料庫容量激增，無法實現工程應用；（2)視場小，亮星少， 可供星圖匹配用的導航三角形不易選取；（3)近紅外波段探測，需要對星等做儀器星等修 正，以滿足實際觀測的需求；（4) 1C⑶成像背景噪聲大，且呈非高斯分布，星點成像能量不 穩定，為導航星的選取增加難度。
[0005] 現有的導航星和導航三角形選取方法已無法解決上述問題，需要設計數量適中， 均勻性好、冗餘度小、適合工程應用、並且通用性強的導航星和導航三角形選取方法，以及 在此基礎上進行構建導航資料庫的方式。


【發明內容】

[0006] (一）要解決的技術問題
[0007] 本發明要解決的技術問題是：克服現有方法的不足，針對應用於高背景條件下星 敏感器的成像特點，提供一種與三角形星圖識別算法相適應的導航資料庫構建方法，該方 法能夠獲得在天球上位置和能量都儘可能均勻分布的導航星和導航三角形。
[0008] (二）技術方案
[0009] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種適用於高背景星圖識別用的導航數據 庫構建方法，包括以下步驟：
[0010] S1、選取導航星；
[0011] S2、選取導航三角形；
[0012] S3、根據所選取的導航星和導航三角形生成導航資料庫；
[0013] 其中，步驟S1的選取方法包括下列步驟：
[0014] S11、選擇能夠覆蓋全天球的恆星星表star_dataO,並將所述恆星星表中的星等經 過儀器星等修正，將其中的恆星的位置經過曆元轉換和大氣修正後，由此得到所述恆星星 表 star_dataO ;
[0015] S12、根據星敏感器探測極限和星圖識別方法的要求設置星等閾值，保留所述恆星 星表star_dataO中星等小於或等於所述星等閾值的恆星數據，由此得到恆星星表star_ dataV ；
[0016] S13、去除所述恆星星表star_dataV中的變星和雙星中的暗星，由此得到恆星星 表 star_dataVD ;
[0017] S14、生成在單位球面上均勻分布的視軸位置，得到視軸集合Vi sAxArr {vaxi s (i), i = 0, · · · Nva}，Nva 為正整數；
[0018] S15、按如下方式選取候選導航星：首先在單位球面上，以集合VisAxArr中的任一 視軸vaXis(i)為中心、半徑η畫球面圓，η的值由全天球隨機視場大小決定；然後將所述 恆星星表star_dataVD中的恆星在各個球面圓內投影；最後對所述恆星星表star_dataVD 中的恆星按照預設規則進行篩選，去除重複數據，將篩選後剩下的恆星構成候選導航星數 據集合 GStar_Cadata ;
[0019] S16、對所述候選導航星數據集合GStar_Cadata在全天球隨機視場內的分布重新 做統計，對於全天球隨機視場內恆星數量 4,由此得到導航星數據集合GStar_data ;
[0020] 步驟S2的選取方法包括下列步驟：
[0021] S21、定義導航三角形的構建條件：
[0022] S22、按如下方式生成候選導航三角形：首先在單位球面上，以集合VisAxArr中的 任一視軸vaxis(i)為中心、半徑η畫球面圓，η的值由全天球隨機視場大小決定；然後遍 歷所述導航星數據集合GStar_data，根據導航星的方向矢量坐標，找出落在各個球面圓內 的星；最後在每個球面圓內對任意三顆星按照步驟S21中的定義生成導航三角形，並對生 成的導航三角形按照一定規則進行篩選，去除重複數據，將篩選後剩下的導航三角形構成 候選導航三角形數據集合GTri_Cadata ;
[0023] S23、對集合GTri_Cadata在全天球隨機視場內的分布重新做統計，在全天球隨機 視場內三角形數量 2,由此得到導航三角形數據集合GTri_data。
[0024] 優選地，步驟S21中按照如下方式定義導航三角形的構建條件：
[0025] 首先，定義導航三角形邊長的上下限；
[0026] 其次，去除任意兩邊邊長之差均小於預設閾值的導航三角形；
[0027] 第三，定義導航三角形的方位；
[0028] 第四，定義導航三角形的符號星等。
[0029] 優選地，定義所述導航三角形的邊長不小於星點位置測量誤差ε s的100倍，且不 超過全天球隨機視場的邊界，最長邊和最短邊之間相差不超過10倍。
[0030] 優選地，所述預設閾值由星點定位誤差和視場大小決定。
[0031] 優選地，定義導航三角形的方位為導航三角形的質心。
[0032] 優選地，步驟S3中生成所述導航資料庫時，所述導航星數據集合GStar_data中的 數據按照星號、赤經、或赤緯值大小排列。
[0033] 優選地，所述導航三角形數據集合GTri_data中的數據按照邊長大小，或三角形 方位大小排列。
[0034] (三）有益效果
[0035] 本發明在獲得單位球面均勻分布的視軸的基礎上，選取導航星和導航三角形，從 而能夠獲得在天球上位置和能量都儘可能均勻分布的導航星和導航三角形，有效解決了因 探測星等高而帶來的恆星分布在兩極密、赤道疏的情況，避免了數據的大量冗餘，且導航星 和導航三角形的數量得到了有效的控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1是本發明的方法流程圖；
[0037] 圖2是正二十面體與黃金矩形的關係示意圖；
[0038] 圖3示出了正二十面體的坐標系定義和各頂點編號定義；
[0039] 圖4是正二十面體任意一個面的等分示意圖；
[0040] 圖5是正二十面體任意一個分割點在球面投影的坐標計算示意圖。

【具體實施方式】
[0041] 為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的

【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0042] 如圖1所示，本發明提供了一種適用於高背景星圖識別用的導航資料庫構建方 法，包括下列步驟：
[0043] S1、選取導航星，具體步驟為：
[0044] S11、選擇一個能夠覆蓋全天球的恆星星表。星表中的位置精度與星圖識別算法、 定姿精度相適應，星表中的星等精度也與星圖識別方法、定姿精度相適應。星表中的星等需 做儀器星等修正，恆星的位置需做曆元轉換和大氣修正。由此得到星表star_dataO。
[0045] S12、根據星敏感器探測極限和星圖識別方法的需求設置星等閾值，保留星表中星 等小於或等於該閾值的恆星數據。恆星數據包括恆星在星表star_dataO中的序號、儀器星 等、赤經值（弧度）、赤緯值（弧度）、方向矢量X坐標、方向矢量y坐標、方向矢量z坐標。 數據精度與星圖識別方法、定姿精度相適應。由此得到星表star_dataV。該星表在全天隨 機視場內的分布應儘量滿足> 4顆的概率> 99%。
[0046] S13、去除星表star_dataV中的變星和雙星中的暗星。此處的雙星為角距彡Θ的 光學雙星，Θ大小由相機視場和解析度決定，這些星對在視覺上很接近，在成像面上幾乎無 法分辨，去除其中的暗星有助於去除星表冗餘。變星是指星等變化周期短且幅度大，觀測過 程中無法準確獲取與星表能量信息相一致的恆星。由此得到星表star_dataVD。
[0047] S14、生成在單位球面上均勻分布的視軸位置。首先在單位球體中內接一個正二十 面體，將立體的每個稜邊在球面上投影，從而將球面等分為二十塊；然後對每一塊球面做進 一步的等分，各等分區域之間的交點即可以作為在球面上均勻分布的視軸；隨著各球面等 分數量的增加，視軸的數量也隨之增加，最終得到一個視軸集合VisAxArr{vaxis(i), i = 0，...Nva}。Nva的值由分割方法和設計的目標導航星數量NIgstar決定。生成視軸坐標 集合的方法具體為：
[0048] (1)定義正二十面體及其外接單位球
[0049] 正二十面體包含20個完全相同的面，每個面均為等邊三角形，30條長度相等的稜 邊，每條稜邊對應的球面角距約為1. l〇71rad (?63. 4348° )，12個頂點，該頂點可看作是 由三個全等的相互正交的黃金矩形的頂點構成（黃金比率常數為P=1.618 )，如圖2、3所 /_J、1 〇
[0050] 在單位球體中內接一個正二十面體，設球的半徑為1，那么正二十面體的稜長為

【權利要求】
1. 一種適用於高背景星圖識別用的導航資料庫構建方法，其特徵在於，包括以下步 驟： 51、 選取導航星； 52、 選取導航三角形； 53、 根據所選取的導航星和導航三角形生成導航資料庫； 其中，步驟S1的選取方法包括下列步驟： 511、 選擇能夠覆蓋全天球的恆星星表star_dataO,並將所述恆星星表中的星等經過 儀器星等修正，將其中的恆星的位置經過曆元轉換和大氣修正後，由此得到所述恆星星表 star-dataO ; 512、 根據星敏感器探測極限和星圖識別方法的要求設置星等閾值，保留所述恆星星表 star_dataO中星等小於或等於所述星等閾值的恆星數據，由此得到恆星星表star_dataV ; 513、 去除所述恆星星表star_dataV中的變星和雙星中的暗星，由此得到恆星星表 star_dataVD ； 514、 生成在單位球面上均勻分布的視軸位置，得到視軸集合VisAxArr{vaxis(i), i = 0, . . . Nva}，Nva 為正整數； 515、 按如下方式選取候選導航星：首先在單位球面上，以集合VisAxArr中的任一視軸 vaxiS(i)為中心、半徑η畫球面圓，η的值由全天球隨機視場大小決定；然後將所述恆星 星表star_dataVD中的恆星在各個球面圓內投影；最後對所述恆星星表star_dataVD中的 恆星按照預設規則進行篩選，去除重複數據，將篩選後剩下的恆星構成候選導航星數據集 合 GStar_Cadata ; 516、 對所述候選導航星數據集合GStar_Cadata在全天球隨機視場內的分布重新做統 計，對於全天球隨機視場內恆星數量 4,由此得到導航星數據集合GStar_data ; 步驟S2的選取方法包括下列步驟： 521、 定義導航三角形的構建條件： 522、 按如下方式生成候選導航三角形：首先在單位球面上，以集合VisAxArr中的任一 視軸vaXis(i)為中心、半徑η畫球面圓，η的值由全天球隨機視場大小決定；然後遍歷所 述導航星數據集合GStar_data，根據導航星的方向矢量坐標，找出落在各個球面圓內的星； 最後在每個球面圓內對任意三顆星按照步驟S21中的定義生成導航三角形，並對生成的導 航三角形按照一定規則進行篩選，去除重複數據，將篩選後剩下的導航三角形構成候選導 航三角形數據集合GTri_Cadata ; 523、 對集合GTri_Cadata在全天球隨機視場內的分布重新做統計，在全天球隨機視場 內三角形數量 2,由此得到導航三角形數據集合GTri_data。
2. 如權利要求1所述的導航資料庫構建方法，其特徵在於，步驟S21中按照如下方式定 義導航三角形的構建條件： 首先，定義導航三角形邊長的上下限； 其次，去除任意兩邊邊長之差均小於預設閾值的導航三角形； 第三，定義導航三角形的方位； 第四，定義導航三角形的符號星等。
3. 如權利要求2所述的導航資料庫構建方法，其特徵在於，定義所述導航三角形的邊 長不小於星點位置測量誤差ε s的1〇〇倍，且不超過全天球隨機視場的邊界，最長邊和最短 邊之間相差不超過10倍。
4. 如權利要求2所述的導航資料庫構建方法，其特徵在於，所述預設閾值由星點定位 誤差和視場大小決定。
5. 如權利要求2所述的導航資料庫構建方法，其特徵在於，定義導航三角形的方位為 導航三角形的質心。
6. 如權利要求1所述的導航資料庫構建方法，其特徵在於，步驟S3中生成所述導航數 據庫時，所述導航星數據集合GStar_data中的數據按照星號、赤經、或赤緯值大小排列。
7. 如權利要求1?6中任一項所述的導航資料庫構建方法，其特徵在於，所述導航三角 形數據集合GTri_data中的數據按照邊長大小，或三角形方位大小排列。
【文檔編號】G06F17/30GK104298667SQ201310294350
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月15日 優先權日:2013年7月15日
【發明者】張惟, 閆飛, 馬傑, 田金文, 孫吉福, 王才喜 申請人:中國航天科工集團第三研究院第八三五八研究所