一種快速星圖識別方法
2023-08-09 22:54:26 3
專利名稱：一種快速星圖識別方法
技術領域：
本發明涉及星圖識別技術，尤其涉及一種基於投影向量的快速星圖識別方法。
背景技術：
作為太空飛行器姿態測量元件，星敏感器起著愈來愈重要的作用，星圖識別是星敏感器完成太空飛行器姿態測量的關鍵環節之一。所謂星圖識別就是將由星敏感器視場中觀測星組成的星圖和由導航星表中導航星組成的星圖，根據幾何特徵進行匹配，以確定觀測星與導航星的對應關係。現有各種星圖識別算法中，三角形識別算法是迄今為止最為普遍的一種方法，它得到廣泛的研究並有許多實際的應用。三角形識別算法的基本思路是以三顆星相互之間的角距作為特徵向量，將導航星所能構成的導航三角形都存儲起來，以供搜索匹配；如果實際觀測三角形和某個導航三角形完全一致，則星圖識別成功。
三角形識別算法在具體實現上有不同的實現方式，包括以下幾種第一種方法，按照組成三角形的觀測星，從導航星表中提取出與觀測星星等相同的導航星，每顆觀測星對應一組導航星，共有三組。在匹配識別過程中，分別計算出各組之間星對的角距，與觀測星的角距比較，直到找出三條邊都分別相等的三角形。其中，導航星表是由挑選出的一定數量的導航星按星等由低到高排列而成，每顆導航星含赤經、赤緯兩項信息。
假設A、B、C為構成三角形的三顆觀測星，由於天空中的恆星即導航星，且同一星等的星很多，所以可從導航星表中分別提取出與A、B、C星等相同的若干顆導航星。也就是說，在導航星表中分別存在與A星等相同的若干顆導航星、與B星等相同的若干顆導航星、與C星等相同的若干顆導航星，這樣，A、B、C就分別對應一組導航星，共三組。在進行星圖識別時，分別從A、B、C對應的各組導航星中選擇一顆星，所選的三顆星構成三角形，用於與實際觀測的三角形進行比較。具體比較方法是計算所選三顆星構成的三角形中三條邊之間的角矩，判斷每條邊是否與觀測三角形中的對應邊相等，三條邊均對應相等的那個三角形就是與觀測三角形匹配的三角形。在眾多的三角形中，最終計算結果是只有一組星能滿足條件。這種方法需要在線實時計算每組導航星的角距，計算量較大，不利於實時更新；而且，在較差的情況下，可能會對導航星構成的所有三角形的每條邊一一進行比較，如果每個三角形都進行三次比對，則會耗費大量時間，大大降低識別速度和識別效率。
第二種方法，將三角形的兩條邊長和這兩邊的夾角預先計算並存儲起來，按照夾角的大小將三角形分類。進行星圖識別時，先計算實際觀測三角形的夾角，並根據所計算的夾角大小查找到對應的分類，然後再進行進一步比對。這裡，所述三角形在天體中實際是個球面三角形，對於球面三角形而言，三角形的邊是指球心角，而夾角是指兩條邊之間的夾角。那麼，當球面三角形投影到平面上計算邊和夾角時，求邊要用到焦距，焦距誤差較小；求夾角只用到星點坐標，星點坐標誤差相對較大。因此，雖然這種方法可以減少待選三角形的數量，但由於計算邊和夾角時用到的參數不同，二者的誤差也不相同，所以識別時需要估計觀測誤差並設置不同的誤差閾值，為存儲和識別帶來不便。而且，由於導航星構成的三角形數目巨大，存儲的導航星表數據量大，查找導航星表的速度會直接影響星圖的識別速度和識別效率。
可見，現有技術中星空中任意三顆星都可以組成一個三角形，傳統的三角形識別算法雖然結構簡單、易於實現，但存在諸多的缺點所需要的導航數據表一般較大，搜索時間長，且識別率不高。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種快速星圖識別方法，在保證識別精度的同時，提高星圖識別速度和效率，且能減少存儲空間。
為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種快速星圖識別方法，包括確定每顆導航星的特徵三角形，計算每個特徵三角形的投影向量值，存儲每個特徵三角形的信息和投影向量值；進行星圖識別時，該方法還包括A、確定觀測星的特徵三角形，並計算所確定特徵三角形的投影向量值；B、根據計算出的投影向量值，從存儲的特徵三角形中找出所有滿足誤差範圍的投影向量值對應的特徵三角形，作為待選三角形；C、分別比較觀測三角形和每個待選三角形，判斷是否存在與觀測三角形三條邊對應相等的待選三角形，如果存在，則星圖識別成功；否則，星圖識別失敗。
其中，所述存儲特徵三角形的信息和投影向量值為將計算的投影向量值和所對應特徵三角形中一顆星的星號存儲為投影向量表，將構成特徵三角形的三顆星的星號和特徵三角形的三條邊的邊長存儲為特徵三角形庫，投影向量表以星號為索引與特徵三角形庫相關聯。
步驟B所述找出所有滿足誤差範圍的投影向量值對應的特徵三角形具體為在導航資料庫的投影向量表中找出滿足誤差範圍的所有投影向量值，根據投影向量表與特徵三角形庫之間的關聯關係，從存儲的所有特徵三角形中提取出所找出投影向量值對應的特徵三角形。
所述存儲特徵三角形的信息和投影向量值為將投影向量值與其對應的特徵三角形的信息作為一條記錄存儲於導航資料庫中。
上述方案中，所述確定特徵三角形為將導航星或觀測星作為主星，將主星周圍的星按亮度排序，選擇最亮的兩顆星作為鄰星，與主星構成特徵三角形。
該方法進一步包括存儲投影主軸的方向。所述計算投影向量值為根據特徵三角形的角距得到描述特徵三角形的三維向量，根據存儲的投影主軸方向，計算投影向量在投影主軸上投影值的大小。
該方法進一步包括根據已識別的兩顆星計算當前時刻粗略姿態；再根據所計算的姿態生成模擬星圖作為參考星圖；然後，將參考星圖和觀測星圖進行比對，判斷二者相似度，如果完全一致，則星圖識別成功；否則，確定另一顆主星，重新構造特徵三角形進行匹配。
本發明所提供的快速星圖識別方法，確定並存儲每顆導航星特徵三角形的信息，並計算該特徵三角形的投影向量值，將每個投影向量值與其對應的特徵三角形信息一起存儲；進行星圖識別時，先確定觀測星對應的特徵三角形，之後計算所述特徵三角形的投影向量值，再根據投影向量值從存儲的所有特徵三角形中找出待選三角形，與觀測三角形進行比較匹配。該方法具有以下的優點和特點1)由於本發明方法對於每顆導航星，僅確定並存儲唯一的特徵三角形信息，如此能大大減少所使用的存儲空間，降低硬體資源佔用以及對硬體配置的要求。
2)由於本發明計算觀測三角形對應的投影向量值，並根據投影向量值能快速檢索到匹配的特徵三角形，具體說就是，將三角形的三條邊整合成一個參數P，比對每個三角形時只需進行一次比較運算，即將描述三角形的三維數據投影到一維直線上，通過對一維數據的檢索比較完成匹配，如此，從根本上解決了比較次數太多的問題，計算量能減小到傳統方法的1/3，大大加快了星圖識別的速度和效率，且實現簡單、方便。
3)本發明方法在存儲特徵三角形信息及其對應的投影向量值時，可採用不同的存儲方式，比如將投影向量值和主星的星號存儲為一個投影向量值表，構成特徵三角形的三顆星的星號以及特徵三角形的三條邊長存儲為特徵三角形庫，兩部分通過主星的星號關聯在一起；或者，直接將投影向量值、構成特徵三角形的三顆星的星號、以及特徵三角形的三條邊長所有信息存儲在一個導航資料庫中，實現方式更靈活、多樣。
4)本發明在星圖初始匹配後，可根據已識別的星計算當前時刻粗略姿態，生成參考星圖，並將參考星圖與觀測星圖進行比較，確定識別是否成功，從而進一步驗證識別的準確性，如此，能提高姿態計算精度，識別更多的觀測星。
圖1為特徵三角形的示意圖；圖2為本發明導航資料庫的組成結構示意圖；圖3為本發明方法的流程示意圖。
具體實施例方式
本發明的基本思想是確定每顆導航星的特徵三角形，存儲每顆導航星對應的唯一特徵三角形的信息，計算特徵三角形的投影向量值，將計算得到的投影向量值與特徵三角形信息一起存儲；在進行星圖識別時，先確定觀測星對應的特徵三角形，之後計算所述特徵三角形的投影向量值，再根據投影向量值從存儲的所有特徵三角形中找出待選三角形，與觀測三角形進行比較匹配，如果匹配上則星圖識別成功。
這裡，所述特徵三角形是指對於每顆導航星，由該導航星和其周圍最亮的兩顆星構成的三角形就是該導航星唯一的特徵三角形。其中，該導航星稱為主星，其它兩顆星稱為鄰星，與主星相連的兩條邊之間的夾角為θ，如圖1所示。與主星相連的兩條邊中，如果從短邊旋轉到長邊為逆時針方向，θ定義為正；如果從短邊旋轉到長邊為順時針方向，θ定義為負。圖1中，鄰星1到主星的距離小於鄰星2到主星的距離，θ定義為正。
所述投影向量值也稱為P向量值，是指構成特徵三角形的三條邊的邊長能組成一個三維向量，將三維向量看作三維空間中的一個點，計算該點投影的值就是P向量值，P向量值與特徵三角形一一對應。並且，當θ為正時，該三維向量的三個坐標均取正值；θ為負時，該三維向量的三個坐標均取負值。
本發明中，所有特徵三角形對應的三維向量形成一個點集，將這些點投影到一條直線上，如果投影點位置分散，沒有重疊，則可根據投影點的位置找到唯一的特徵三角形。其中，投影到的直線稱為投影主軸，在投影主軸上，投影點能分開最好。所述投影主軸具有方向性，且投影主軸的方向是唯一的。無論導航三角形還是觀測三角形，它們的三條邊構成的三維向量都投影在同一投影主軸上，因此，投影主軸的方向是唯一確定的。
通常，投影主軸的方向可表示為公式(1)，相應的，投影向量值即投影點的坐標Pi可表示為公式(2)Ω＝(ω1ω2ω3)T(1)Pi＝ΩTxi(2)其中，ω1、ω2、ω3分別表示三維向量在x、y、z三個坐標軸上的坐標，xi為三維向量的原始點坐標，xi＝(xi1xi2xi3)T，為一個點數量已知的集合。
當投影主軸的方向為Ω，原始點的坐標為xi時，各投影點的均值和方差分別由公式(3)和公式(4)表示P=1Ni=1NPi=1Ni=1NTxi---(3)]]>D(P)=1Ni=1N(Pi-P)2=1Ni=1N(Txi)2-c---(4)]]>其中，c為常數，N為點集中點的數量。
由於投影點分開最好時，Pi的方差最大，此時求出的投影主軸才是滿足要求的，並且，投影主軸的關鍵參數是方向，因此，可通過增加約束條件ΩTΩ＝1使問題簡化而不影響計算結果。那麼，求解投影主軸方向就轉化為公式(5)所示的優化問題。
max(D(P))=max(TZ)T=1---(5)]]>其中，Z為對稱矩陣Z=1Ni=1NxixiT.]]>將公式(3)、(4)分別代入，根據公式(5)即可求出投影主軸的方向Ω，然後再通過公式(2)計算出坐標xi的投影向量值Pi。
本發明中，存儲所有導航裡對應的特徵三角形的信息實際就是形成一個特徵三角形庫，圖2為本發明中的導航資料庫，圖2中右側的表就是特徵三角形庫。如圖2所示，特徵三角形庫中存儲有每個特徵三角形的頂點和邊長信息。參見圖2，所謂頂點信息就是指構成特徵三角形的三顆星的星號，可以用i、j、k來表示，i、j、k分別為主星和鄰星在導航星表中的索引。由於特徵三角形為天球上的球面三角形，因此可採用邊長定義兩顆星之間的角距，三顆星之間的角距可分別表示為短邊(short_edge)、長邊(1ong_edge)、第三邊(third_edge)，其中，short_edge、long_edge分別指與主星相連的兩條邊中相對短的邊、相對長的邊，third_edge指特徵三角形中兩顆鄰星之間的邊。
圖2中，左側的表為P向量表，P向量表中存儲有每個特徵三角形對應的P向量值、以及P向量值所對應的特徵三角形中主星的星號，當然，也可以是某鄰星的星號。P向量表以星號作為索引與特徵三角形庫的信息相關聯，關聯關係用箭頭標出。P向量表中，P向量值按照從小到大的順序排列，當然，也可以根據需要按從大到小的順序排列。此外，根據公式(1)求得的投影主軸的方向也可以存儲在P向量表中。P向量表與特徵三角形庫共同構成本發明的導航資料庫，如此，可以分成兩部分進行管理，方便存儲和檢索。
在實際操作中，P向量表也可以不單獨分離出來，可將P向量值直接與其對應的特徵三角形的信息作為一條記錄存儲於導航資料庫中，這樣可省去索引信息部分的存儲。但這種情況下，P向量值不是按順序排列的，針對根據P向量值大小順序查找不是很方便。
如圖3所示，本發明的快速星圖識別方法具體包括以下步驟步驟31確定每顆導航星的特徵三角形，計算每個特徵三角形的P向量值；其中，每個P向量的值就等於ΩTxi。確定特徵三角形的方法是選擇靠近視場中心的導航星作為主星；將該主星周圍的星按亮度排序，分別計算與主星之間的角距；按照距離約束即在一定範圍內挑選其中最亮的兩顆星作為鄰星，兩顆鄰星和主星一起即構成特徵三角形。
步驟32存儲每個特徵三角形的信息以及與特徵三角形對應的P向量值；這裡，存儲可以有不同的方式，比如將每個特徵三角形的信息和與其對應的P向量值作為一條記錄存儲，構成導航資料庫；或者，將特徵三角形信息與P向量值分別存儲，共同構成導航資料庫，並建立每個特徵三角形信息與P向量值之間的關聯關係。下面以將特徵三角形信息與P向量值分別存儲為例。
具體來說就是，將所有P向量值按順序存儲於P向量表中，P向量表以所對應特徵三角形中某顆星的星號為索引，與特徵三角形信息建立關聯關係。比如圖2中，P向量值-9.784504對應的特徵三角形信息為構成特徵三角形的三顆星為第4235號星、第4231號星、第4228號星，三條邊長分別為1.998139、3.804716、4.896636。
步驟33在進行星圖識別時，確定觀測星的特徵三角形，並計算該特徵三角形的P向量值；其中，具體的特徵三角形確定方法與步驟31一致；P向量值計算方法具體是根據特徵三角形的角距得到描述特徵三角形的三維向量(a，b，c)，根據P向量表中存儲的投影主軸方向，計算該P向量在投影主軸上的投影，即P向量值的大小；並且，在計算P向量值的同時要確定P向量值的符號。這裡，投影主軸的方向是在構造導航資料庫時計算得到的，並已存儲於導航資料庫中，如P向量表中。
步驟34根據計算出的P向量值，在導航資料庫的P向量表中找出滿足誤差範圍[P-ε，P+ε]的所有P向量值，根據關聯關係從存儲的所有特徵三角形中提取出所找出P向量值對應的特徵三角形，作為待選三角形。
其中，ε是誤差閾值，ε通常是根據觀測三角形邊長測量誤差設置的。
步驟35～39分別比較觀測三角形和每個待選三角形的三條邊，對於每個待選三角形，判斷觀測三角形是否能與之匹配，即是否存在與觀測三角形三條邊對應相等的待選三角形，如果是，則二者的頂點一一對應，觀測三角形成功識別；否則，判斷是否還有待選三角形未比較，如果有，則將觀測三角形與下一個待選三角形比較；如果沒有，即均未唯一匹配，則說明不能成功識別觀測三角形。
這裡，觀測三角形就是觀測星的特徵三角形。
通常，上述匹配過程只能識別出三顆觀測星，由於一幅觀測星圖中所包含的星星遠大於三顆，因此，為了提高姿態計算精度，需要識別更多的觀測星，故此可進一步引入驗證過程。驗證時，先根據已經識別的兩顆星計算出當前時刻粗略姿態，包括方向、經緯度等信息；再根據所計算的姿態生成一幅模擬星圖作為參考星圖；然後，將參考星圖和觀測星圖進行比對，判斷二者相似度，如果完全一致，則星圖識別成功；否則，即沒有滿足條件的導航三角形存在，則需要確定另外一顆主星，重新構造特徵三角形進行匹配。這裡，導航三角形指導航星構成的特徵三角形。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種快速星圖識別方法，其特徵在於，該方法包括確定每顆導航星的特徵三角形，計算每個特徵三角形的投影向量值，存儲每個特徵三角形的信息和投影向量值；進行星圖識別時，該方法還包括A、確定觀測星的特徵三角形，並計算所確定特徵三角形的投影向量值；B、根據計算出的投影向量值，從存儲的特徵三角形中找出所有滿足誤差範圍的投影向量值對應的特徵三角形，作為待選三角形；C、分別比較觀測三角形和每個待選三角形，判斷是否存在與觀測三角形三條邊對應相等的待選三角形，如果存在，則星圖識別成功；否則，星圖識別失敗。
2.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述存儲特徵三角形的信息和投影向量值為將計算的投影向量值和所對應特徵三角形中一顆星的星號存儲為投影向量表，將構成特徵三角形的三顆星的星號和特徵三角形的三條邊的邊長存儲為特徵三角形庫，投影向量表以星號為索引與特徵三角形庫相關聯。
3.根據權利要求2所述方法，其特徵在於，步驟B所述找出所有滿足誤差範圍的投影向量值對應的特徵三角形具體為在導航資料庫的投影向量表中找出滿足誤差範圍的所有投影向量值，根據投影向量表與特徵三角形庫之間的關聯關係，從存儲的所有特徵三角形中提取出所找出投影向量值對應的特徵三角形。
4.根據權利要求1所述方法，其特徵在於，所述存儲特徵三角形的信息和投影向量值為將投影向量值與其對應的特徵三角形的信息作為一條記錄存儲於導航資料庫中。
5.根據權利要求1至4任一項所述方法，其特徵在於，所述確定特徵三角形為將導航星或觀測星作為主星，將主星周圍的星按亮度排序，選擇最亮的兩顆星作為鄰星，與主星構成特徵三角形。
6.根據權利要求5所述方法，其特徵在於，該方法進一步包括存儲投影主軸的方向。
7.根據權利要求6所述方法，其特徵在於，所述計算投影向量值為根據特徵三角形的角距得到描述特徵三角形的三維向量，根據存儲的投影主軸方向，計算投影向量在投影主軸上投影值的大小。
8.根據權利要求7所述方法，其特徵在於，該方法進一步包括根據已識別的兩顆星計算當前時刻粗略姿態；再根據所計算的姿態生成模擬星圖作為參考星圖；然後，將參考星圖和觀測星圖進行比對，判斷二者相似度，如果完全一致，則星圖識別成功；否則，確定另一顆主星，重新構造特徵三角形進行匹配。
全文摘要
本發明公開了一種快速星圖識別方法，包括確定每顆導航星的特徵三角形，計算每個特徵三角形的投影向量值，存儲每個特徵三角形的信息和投影向量值；進行星圖識別時，確定觀測星的特徵三角形，並計算所確定特徵三角形的投影向量值；根據計算出的投影向量值，從存儲的特徵三角形中找出所有滿足誤差範圍的投影向量值對應的特徵三角形，作為待選三角形；分別比較觀測三角形和每個待選三角形，判斷是否存在與觀測三角形三條邊對應相等的待選三角形，如果存在，則星圖識別成功；否則，星圖識別失敗。採用該方法能在保證識別精度的同時，提高星圖識別速度和效率，且能減少存儲空間。
文檔編號G01C21/24GK1958394SQ20061014432
公開日2007年5月9日 申請日期2006年12月1日 優先權日2006年12月1日
發明者張廣軍, 楊建 , 江潔 申請人:北京航空航天大學