一種星敏感器的姿態確定方法
2023-07-21 20:21:41 1
一種星敏感器的姿態確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種星敏感器的姿態確定方法，包括以下幾個步驟：在初始時刻進行星圖識別並計算載體的姿態；利用載體的姿態和陀螺的輸出信息計算當前時刻星敏感器的視軸方向，利用得到的視軸方向從星表中選星生成模擬星圖；將模擬星圖與當前時刻星敏感器的拍攝星圖組合形成新的星圖；從新星圖的真實視場中選擇參考星使用柵格算法進行識別；若識別成功的星點數目大於2，則星圖識別成功，計算載體姿態，反之重新運行。本發明將擴充視場的方法應用於柵格算法，使得視場中的恆星數目增加，打破了柵格算法不能應用與小視場、低星等敏感器的限制；使得星敏感器的星圖識別過程具有高識別率。
【專利說明】一種星敏感器的姿態確定方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於星敏感器姿態確定領域，特別涉及基於擴充視場的柵格算法的一種星敏感器的姿態確定方法。
【背景技術】
[0002]精確的姿態信息是太空飛行器完成航天任務的基礎。能夠提供姿態信息的測量器件有很多，但是精度最高應用最廣泛的是星敏感器。星敏感器的姿態確定過程分為:星空成像、星點提取、星圖識別和姿態計算四個步驟。其中星圖識別是星敏感器姿態確定的決定性階段。
[0003]隨著星敏感器的發展，出現了許多的星圖識別算法，它們可大致分為兩種類型。第一種類型是子圖同構類算法，這類算法把觀測星圖看成是全天星圖的子圖，將星點作為頂點，利用星點之間的角距等信息，以線段、三角形、多邊形等作為基本元素來進行星圖識別。其中最具代表性的有，三角形算法、匹配組算法等。另一種類型是模式識別類算法，這種算法為每顆星構造一個獨一無二的特徵「星模式」，這樣星圖識別的實質就是在星表中尋找與觀測星模式相近的導航星。其中，比較有代表性的有柵格算法、基於統計特徵的識別算法。在這兩類算法中，三角形算法的應用最廣泛。然而三角形算法也有著其本身的致命缺陷，它容易受到位置噪聲的幹擾，對噪聲的魯棒性不好，因此只能適用於噪聲水平較低的情況。然而，星敏感器本身存在著暗電流噪聲、畸變噪聲等，同時在太空飛行器執行任務時會不可避免的受到環境的影響從而引入一定的噪聲，在這種情況下，三角形算法的使用會受到很大的限制。此時模式識別類算法成為了最佳的選擇。其中，最具代表性的是柵格算法，它對噪聲的魯棒性較強適用於複雜環境中。然而柵格算法要求視場中觀測星的數目不小於六顆，這就限制了該算法在小視場、低星等敏感極限星敏感器中的應用。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供具有高識別率的一種星敏感器的姿態確定方法。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種星敏感器的姿態確定方法，包括以下幾個步驟:
[0007]步驟一:在初始時刻進行星圖識別並計算載體的姿態；
[0008]步驟二:利用載體的姿態和陀螺的輸出信息計算當前時刻星敏感器的視軸方向，利用得到的視軸方向從星表中選星生成模擬星圖；
[0009]模擬星圖的生成步驟為:
[0010]2.1得到載體的初始姿態以後，根據陀螺的輸出信息計算當前時刻的姿態；
[0011]2.2利用星敏感器與載體之間的安裝矩陣M計算星敏感器視軸的方向矢量P ；
[0012]使用下標b代表載體坐標系，上標i代表慣性坐標系，當前時刻由陀螺計算得到的
載體系到慣性坐標系的轉換矩陣為G，用下標s代表星敏感器坐標系，則星敏感器坐標繫到慣性坐標系的轉換矩陣為< =ClM，星敏感器的視軸方向即為星敏感器坐標系的z軸方向，方向矢量P即為的第三列元素；
[0013]2.3星敏感器視場為方形視場，且視場大小為ΘΚΧ θκ，擴充後的視場大小為θ Εχ ΘΕ，其中％和θΕ*方形視場的一邊對應的天空視場角，利用P從星表中選擇落入視場大小為ΘΕΧ 0￡星敏感器中的星，並生成模擬星圖Α，模擬星圖A包括模擬真實星圖和擴充星圖；
[0014]步驟三:將星敏感器拍攝到的當前時刻的第一星圖B與步驟二中生成的模擬星圖A組合，並將模擬真實星圖中的星刪除得到新的第二星圖C ；
[0015]步驟四:從新星圖的真實視場中選擇參考星使用柵格算法進行識別；
[0016]使用柵格算法進行星識別 的具體實現步驟為:
[0017]4.1從拍攝星圖中選取一顆星作為參考星，將參考星連同其鄰域半徑pr—起移動，使得參考星移動到視場中央；
[0018]4.2確定近鄰星，近鄰星是在參考星鄰域半徑Pr之內，緩衝半徑br以外離參考星最近的星；
[0019]4.3以參考星和近鄰星連線為基準，以主星為中心旋轉星圖，使得星圖的X軸穿過近鄰星；
[0020]4.4生成gXg柵格，g為星圖的某一邊對應的柵格數目，得到一個有g2個元素的矢量，有伴星的網格為1，否則為0，從而得到一個參考星的星模式s = La1 a^am]；
[0021]4.5將參考星的星模式與存儲在資料庫中的星的星模式進行對比，若與星庫中第i顆星的星模式的相同元素數目超過門限值I，則兩顆星匹配成功；
[0022]步驟五:若識別成功的星點數目大於2，則星圖識別成功，計算載體姿態，若識別成功的星點數目不大於2，則返回步驟一重新運行。
[0023]本發明一種星敏感器的姿態確定方法還包括
[0024]1、模擬星圖A中引入了因陀螺漂移產生的星點位置噪聲，
[0025]星敏感器與載體之間的安裝矩陣為單位陣且慣性陀螺捷聯安裝在載體的三軸上，在t時刻，星點在像平面的位置為C<.0O,由繞y軸旋轉的角速度引起的星點移動速度為V1且沿X軸反方向，由繞X軸旋轉的角速度ωχ引起的星點移動速度為V2且沿y軸方向，由繞z軸旋轉的角速度ωζ引起的移動速度可以分解為沿著X軸的負方向速度V3和沿著y軸的正方向速度V4，星點的移動速度可以表示為:
[0026]
【權利要求】
1.一種星敏感器的姿態確定方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟: 步驟一:在初始時刻進行星圖識別並計算載體的姿態； 步驟二:利用載體的姿態和陀螺的輸出信息計算當前時刻星敏感器的視軸方向，利用得到的視軸方向從星表中選星生成模擬星圖； 模擬星圖的生成步驟為: 2.1得到載體的初始姿態以後，根據陀螺的輸出信息計算當前時刻的姿態； 2.2利用星敏感器與載體之間的安裝矩陣M計算星敏感器視軸的方向矢量P ； 使用下標b代表載體坐標系，上標i代表慣性坐標系，當前時刻由陀螺計算得到的載體系到慣性坐標系的轉換矩陣為Cib，用下標s代表星敏感器坐標系，則星敏感器坐標繫到慣性坐標系的轉換矩陣為星敏感器的視軸方向即為星敏感器坐標系的z軸方向，方向矢量P即為?的第三列元素； 2.3星敏感器視場為方形視場，且視場大小為ΘΚΧ θκ，擴充後的視場大小為ΘΕΧ ΘΕ，其中ΘΕ*方形視場的一邊對應的天空視場角，利用P從星表中選擇落入視場大小為ΘΕΧ 9￡星敏感器中的星，並生成模擬星圖Α，模擬星圖A包括模擬真實星圖和擴充星圖；步驟三:將星敏感器拍攝到的當前時刻的第一星圖B與步驟二中生成的模擬星圖A組合，並將模擬真實星圖中的星刪除得到新的第二星圖C ； 步驟四:從新星圖的真實視場中選擇參考星使用柵格算法進行識別； 使用柵格算法進行星識別的具體實現步驟為: 4.1從拍攝星圖中選取一顆星作為參考星，將參考星連同其鄰域半徑Pr —起移動，使得參考星移動到視場中央； 4.2確定近鄰星，近鄰星是在參考星鄰域半徑Pr之內，緩衝半徑br以外離參考星最近的星； 4.3以參考星和近鄰星連線為基準，以主星為中心旋轉星圖，使得星圖的X軸穿過近鄰星； 4.4生成gX g柵格，g為星圖的某一邊對應的柵格數目，得到一個有g2個元素的矢量，有伴星的網格為1，否則為O，從而得到一個參考星的星模式s = La1 a^am]； 4.5將參考星的星模式與存儲在資料庫中的星的星模式進行對比，若與星庫中第i顆星的星模式的相同元素數目超過門限值1，則兩顆星匹配成功； 步驟五:若識別成功的星點數目大於2，則星圖識別成功，計算載體姿態，若識別成功的星點數目不大於2，則返回步驟一重新運行。
2.跟據權利要求1所述的一種星敏感器的姿態確定方法，其特徵在於:所述的模擬星圖A中引入了因陀螺漂移產生的星點位置噪聲， 星敏感器與載體之間的安裝矩陣為單位陣且慣性陀螺捷聯安裝在載體的三軸上，在t時刻，星點在像平面的位置為(-<，乂)，由繞I軸旋轉的角速度ω y引起的星點移動速度為V1且沿X軸反方向，由繞X軸旋轉的角速度ωχ引起的星點移動速度為V2且沿y軸方向，由繞z軸旋轉的角速度ωζ引起的移動速度可以分解為沿著X軸的負方向速度V3和沿著y軸的正方向速度V4，星點的移動速度可以表示為:
3.跟據權利要求1所述的一種星敏感器的姿態確定方法，其特徵在於:所述的星敏感器視場大小為4° X4°，星等敏感極限為7.5，選取柵格大小為0.2°。設置擴充視場大小為8° X8°，像平面像素為1024X1024時，則柵格數目g=8° /0.2° =40，緩衝半徑br=0.3°，陀螺常值漂移值為1° /h,陀螺隨機噪聲為0.5° /h ;星表中包含的星等噪聲為.0.1,星點位置噪聲為0.1像素。
【文檔編號】G01C21/24GK103940432SQ201410145806
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】錢華明, 孫龍, 蔡佳楠, 黃蔚 申請人:哈爾濱工程大學