一种星敏感器的姿态确定方法技术

本发明专利技术公开了一种星敏感器的姿态确定方法，包括以下几个步骤：在初始时刻进行星图识别并计算载体的姿态；利用载体的姿态和陀螺的输出信息计算当前时刻星敏感器的视轴方向，利用得到的视轴方向从星表中选星生成模拟星图；将模拟星图与当前时刻星敏感器的拍摄星图组合形成新的星图；从新星图的真实视场中选择参考星使用栅格算法进行识别；若识别成功的星点数目大于2，则星图识别成功，计算载体姿态，反之重新运行。本发明专利技术将扩充视场的方法应用于栅格算法，使得视场中的恒星数目增加，打破了栅格算法不能应用与小视场、低星等敏感器的限制；使得星敏感器的星图识别过程具有高识别率。

【技术实现步骤摘要】
一种星敏感器的姿态确定方法
本专利技术属于星敏感器姿态确定领域，特别涉及基于扩充视场的栅格算法的一种星敏感器的姿态确定方法。
技术介绍
精确的姿态信息是航天器完成航天任务的基础。能够提供姿态信息的测量器件有很多，但是精度最高应用最广泛的是星敏感器。星敏感器的姿态确定过程分为：星空成像、星点提取、星图识别和姿态计算四个步骤。其中星图识别是星敏感器姿态确定的决定性阶段。随着星敏感器的发展，出现了许多的星图识别算法，它们可大致分为两种类型。第一种类型是子图同构类算法，这类算法把观测星图看成是全天星图的子图，将星点作为顶点，利用星点之间的角距等信息，以线段、三角形、多边形等作为基本元素来进行星图识别。其中最具代表性的有，三角形算法、匹配组算法等。另一种类型是模式识别类算法，这种算法为每颗星构造一个独一无二的特征“星模式”，这样星图识别的实质就是在星表中寻找与观测星模式相近的导航星。其中，比较有代表性的有栅格算法、基于统计特征的识别算法。在这两类算法中，三角形算法的应用最广泛。然而三角形算法也有着其本身的致命缺陷，它容易受到位置噪声的干扰，对噪声的鲁棒性不好，因此只能适用于噪声水平较低的情况。然而，星敏感器本身存在着暗电流噪声、畸变噪声等，同时在航天器执行任务时会不可避免的受到环境的影响从而引入一定的噪声，在这种情况下，三角形算法的使用会受到很大的限制。此时模式识别类算法成为了最佳的选择。其中，最具代表性的是栅格算法，它对噪声的鲁棒性较强适用于复杂环境中。然而栅格算法要求视场中观测星的数目不小于六颗，这就限制了该算法在小视场、低星等敏感极限星敏感器中的应用。专利技术内容本专利技术的目的是提供具有高识别率的一种星敏感器的姿态确定方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种星敏感器的姿态确定方法，包括以下几个步骤：步骤一：在初始时刻进行星图识别并计算载体的姿态；步骤二：利用载体的姿态和陀螺的输出信息计算当前时刻星敏感器的视轴方向，利用得到的视轴方向从星表中选星生成模拟星图；模拟星图的生成步骤为：2.1得到载体的初始姿态以后，根据陀螺的输出信息计算当前时刻的姿态；2.2利用星敏感器与载体之间的安装矩阵M计算星敏感器视轴的方向矢量P；使用下标b代表载体坐标系，上标i代表惯性坐标系，当前时刻由陀螺计算得到的载体系到惯性坐标系的转换矩阵为用下标s代表星敏感器坐标系，则星敏感器坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为星敏感器的视轴方向即为星敏感器坐标系的z轴方向，方向矢量P即为的第三列元素；2.3星敏感器视场为方形视场，且视场大小为θR×θR，扩充后的视场大小为θE×θE，其中θR和θE为方形视场的一边对应的天空视场角，利用P从星表中选择落入视场大小为θE×θE星敏感器中的星，并生成模拟星图A，模拟星图A包括模拟真实星图和扩充星图；步骤三：将星敏感器拍摄到的当前时刻的第一星图B与步骤二中生成的模拟星图A组合，并将模拟真实星图中的星删除得到新的第二星图C；步骤四：从新星图的真实视场中选择参考星使用栅格算法进行识别；使用栅格算法进行星识别的具体实现步骤为：4.1从拍摄星图中选取一颗星作为参考星，将参考星连同其邻域半径pr一起移动，使得参考星移动到视场中央；4.2确定近邻星，近邻星是在参考星邻域半径pr之内，缓冲半径br以外离参考星最近的星；4.3以参考星和近邻星连线为基准，以主星为中心旋转星图，使得星图的x轴穿过近邻星；4.4生成g×g栅格，g为星图的某一边对应的栅格数目，得到一个有g2个元素的矢量，有伴星的网格为1，否则为0，从而得到一个参考星的星模式s＝[a1a2…am]；4.5将参考星的星模式与存储在数据库中的星的星模式进行对比，若与星库中第i颗星的星模式的相同元素数目超过门限值ξ，则两颗星匹配成功；步骤五：若识别成功的星点数目大于2，则星图识别成功，计算载体姿态，若识别成功的星点数目不大于2，则返回步骤一重新运行。本专利技术一种星敏感器的姿态确定方法还包括1、模拟星图A中引入了因陀螺漂移产生的星点位置噪声，星敏感器与载体之间的安装矩阵为单位阵且惯性陀螺捷联安装在载体的三轴上，在t时刻，星点在像平面的位置为由绕y轴旋转的角速度ωy引起的星点移动速度为v1且沿x轴反方向，由绕x轴旋转的角速度ωx引起的星点移动速度为v2且沿y轴方向，由绕z轴旋转的角速度ωz引起的移动速度可以分解为沿着x轴的负方向速度v3和沿着y轴的正方向速度v4，星点的移动速度可以表示为：f为星敏感器光学系统的焦距，t+δt时刻星点的位置为：陀螺的测量模型可以简化为：ω＝ωr+b+η，其中ωr为真实角速度；b为陀螺常值漂移；η为陀螺随机测量噪声，则角速度ωx＝ωxr+bx+ηx，ωy＝ωyr+by+ηy，ωz＝ωzr+bz+ηz，进一步得到简化的t+δt时刻星点的位置为：由陀螺测量噪声引起的星点位置误差为：三个陀螺完全相同，即bx+ηx＝by+ηy＝bz+ηz＝b+η，由陀螺测量噪声引入的总的星点位置误差为：2、星敏感器视场大小为4°×4°，星等敏感极限为7.5，选取栅格大小为0.2°。设置扩充视场大小为8°×8°，像平面像素为1024×1024时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星敏感器的姿态确定方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：在初始时刻进行星图识别并计算载体的姿态；步骤二：利用载体的姿态和陀螺的输出信息计算当前时刻星敏感器的视轴方向，利用得到的视轴方向从星表中选星生成模拟星图；模拟星图的生成步骤为：2.1得到载体的初始姿态以后，根据陀螺的输出信息计算当前时刻的姿态；2.2利用星敏感器与载体之间的安装矩阵M计算星敏感器视轴的方向矢量P；使用下标b代表载体坐标系，上标i代表惯性坐标系，当前时刻由陀螺计算得到的载体系到惯性坐标系的转换矩阵为用下标s代表星敏感器坐标系，则星敏感器坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为星敏感器的视轴方向即为星敏感器坐标系的z轴方向，方向矢量P即为的第三列元素；2.3星敏感器视场为方形视场，且视场大小为θR×θR，扩充后的视场大小为θE×θE，其中θR和θE为方形视场的一边对应的天空视场角，利用P从星表中选择落入视场大小为θE×θE星敏感器中的星，并生成模拟星图A，模拟星图A包括模拟真实星图和扩充星图；步骤三：将星敏感器拍摄到的当前时刻的第一星图B与步骤二中生成的模拟星图A组合，并将模拟真实星图中的星删除得到新的第二星图C；步骤四：从新星图的真实视场中选择参考星使用栅格算法进行识别；使用栅格算法进行星识别的具体实现步骤为：4.1从拍摄星图中选取一颗星作为参考星，将参考星连同其邻域半径pr一起移动，使得参考星移动到视场中央；4.2确定近邻星，近邻星是在参考星邻域半径pr之内，缓冲半径br以外离参考星最近的星；4.3以参考星和近邻星连线为基准，以主星为中心旋转星图，使得星图的x轴穿过近邻星；4.4生成g×g栅格，g为星图的某一边对应的栅格数目，得到一个有g2个元素的矢量，有伴星的网格为1，否则为0，从而得到一个参考星的星模式s＝[a1 a2…am]；4.5将参考星的星模式与存储在数据库中的星的星模式进行对比，若与星库中第i颗星的星模式的相同元素数目超过门限值ξ，则两颗星匹配成功；步骤五：若识别成功的星点数目大于2，则星图识别成功，计算载体姿态，若识别成功的星点数目不大于2，则返回步骤一重新运行。...

【技术特征摘要】
1.一种星敏感器的姿态确定方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：在初始时刻进行星图识别并计算载体的姿态；步骤二：利用载体的姿态和陀螺的输出信息计算当前时刻星敏感器的视轴方向，利用得到的视轴方向从星表中选星生成模拟星图；模拟星图的生成步骤为：2.1得到载体的初始姿态以后，根据陀螺的输出信息计算当前时刻的姿态；2.2利用星敏感器与载体之间的安装矩阵M计算星敏感器视轴的方向矢量P；使用下标b代表载体坐标系，上标i代表惯性坐标系，当前时刻由陀螺计算得到的载体系到惯性坐标系的转换矩阵为用下标s代表星敏感器坐标系，则星敏感器坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为星敏感器的视轴方向即为星敏感器坐标系的z轴方向，方向矢量P即为的第三列元素；2.3星敏感器视场为方形视场，且视场大小为θR×θR，扩充后的视场大小为θE×θE，其中θR和θE为方形视场的一边对应的天空视场角，利用P从星表中选择落入视场大小为θE×θE星敏感器中的星，并生成模拟星图A，模拟星图A包括模拟真实星图和扩充星图；步骤三：将星敏感器拍摄到的当前时刻的第一星图B与步骤二中生成的模拟星图A组合，并将模拟星图A模拟真实星图中的星删除得到新的第二星图C；步骤四：从新星图的真实视场中选择参考星使用栅格算法进行识别；使用栅格算法进行星识别的具体实现步骤为：4.1从拍摄星图中选取一颗星作为参考星，将参考星连同其邻域半径pr一起移动，使得参考星移动到视场中央；4.2确定近邻星，近邻星是在参考星邻域半径pr之内，缓冲半径br以外离参考星最近的星；4.3以参考星和近邻星连线为基准，以主星为中心旋转星图，使得星图的x轴穿过近邻星；4.4生成g×g栅格，g为星图的某一边对应的栅格数目，得到一个有g2个元素的矢量，有伴星的网格为1，否则为0，从而得到一个参考星的星模式s＝[a1a2…am]；4.5将参考星的星模式与存储在数据库中的星的星模式进行对比，若与星库中第i颗星的星模式的相同元素数目超过门限值ξ，则两颗星匹配成功；步骤五：若识别成功的星点数目大于2，则星图识别成功，计算载体姿态，若识别成功的星点数目不大于2，则返回步骤一重新运行。2.跟据权利要求1所述的一种星敏感器的姿态确定方法，其特征在于：所述的模拟星图A中引入了因陀螺漂移产生的星点位置噪声，星敏感器与载体之间的安装矩阵为单位阵且惯性陀螺捷联安装在载体的三轴上，在t时刻，星点在像平面的位置为由绕y轴旋转的角速度ωy引起的星点移动速度为v1且沿x轴反方向，由绕x轴旋转的角速度ωx引起的星点移动速度为v2且沿y轴方向，由绕z轴旋转的角速度ωz引起的移动速度可以分解为沿着x轴的负方向速度v3和沿着y轴的正方向速度v4，星点的移动速度可以表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：钱华明，孙龙，蔡佳楠，黄蔚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23