一种基于主星的两步匹配星图识别方法技术

本发明专利技术提供一种基于主星的两步匹配星图识别方法，该方法在第一步匹配之后再选取定位星，基本解决了定位星选取错误的问题。两步匹配法不仅利用了传统的基于主星的识别方法常用的角距信息，还利用了伴星之间的相对位置。由于利用了主星邻域内的全部星点的位置信息，使得其拥有较高的识别率。通过仿真实验与栅格方法进行对比，实验结果显示该方法具有对位置噪声、缺失星和干扰星的良好鲁棒性，而且识别速度快。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天航空领域的敏感器测量方法，特别涉及一种基于主星的两步匹配星图识别方法。
技术介绍
星敏感器是目前精度最高的姿态敏感器，广泛应用于航天航空领域。星敏感器的工作过程主要包括星图预处理，星点提取，星图识别，姿态确定等。其中星图识别是关键环节，直接关系到星敏感器性能的优劣。星图识别就是寻找具有唯一度量的特征量(识别特征)，将未知星图与导航星表中存储的已知星图进行匹配，进而确定星敏感器视场中的观测星与导航星表中恒星的对应关系。目前已有不少星图识别算法，大致可分为两大类。第一类是子图同构类算法。这类算法以角距为边，星为顶点，构造几何图形，如三角形，四边形等，这些几何图形的边就构成了星图的识别特征。传统的星图识别算法大多可归为这一类，如角距算法，三角形算法，四边形算法，匹配组算法等。第二类是模式类识别算法。这类算法为每颗待识别的星(主星)构造一个独一无二的特征——“星模式”，通常以一定邻域内其他星(伴星)的几何分布特征来构成。因此以主星构造星图的识别特征是这类算法的显著特点。栅格算法，奇异值分解算法等可归为这类算法。第一类算法由于主要以角距构成识别特征，形式比较简单，冗余匹配多。第二类算法的识别特征包含的信息量更大，其星点数目普遍比第一类多，而且不是简单的以角距构造识别特征。因此冗余匹配少，识别率较高。识别特征是星图识别算法的核心，高效的星图特征提取方法也是国内外星图识别算法研究的一大趋势。识别特征包含的信息越多，意味着不同星图的识别特征之间的差别越大，从而越有利于成功识别。总结各种算法的优缺点，我们可以发现，星图中的信息利用越全，误识别率越低，识别成功率越高。三角形算法一次只利用了星图中的三颗星，信息利用太少，所以冗余匹配多，其他基于角距的算法同样是信息利用率低。相比之下，模式类识别算法利用了模式半径中的所有星的信息，大大减少了冗余匹配，提高了识别成功率。但定位星不易正确选取，使这一类方法需要多次选取主星进行匹配以解决定位星错误选取的问题。
技术实现思路
本专利技术在已有算法的基础上，从信息利用率角度提出了一种基于主星的两步匹配星图识别方法。该方法旨在提出一种高效的星图识别特征提取方法，从而取得良好的星图识别效果。该方法在第一步匹配之后再选取定位星，基本解决了定位星选取错误的问题。两步匹配法不仅利用了传统的基于主星的识别方法常用的角距信息，还利用了伴星之间的相对位置。由于利用了主星邻域内的全部星点的位置信息，使得其拥有较高的识别率。然后通过仿真实验与栅格方法进行对比，实验结果显示该方法具有对位置噪声、缺失星和干扰星的良好鲁棒性，而且识别速度快。两步匹配法的识别特征为两个序列，一个序列为主星与伴星的角距，另一个序列为星图上主星到伴星的矢量与参考矢量之间的夹角。每个序列对应一步匹配，该方法在第一步匹配后再选取参考星，避免了模式类方法普遍存在的参考星错误选取问题。由两个序列组成的识别特征包含了未离散化的伴星的角距与方位信息，在理论上该方法信息量比栅格方法大。较高的信息利用率奠定了该方法拥有较高识别率的基础。通过仿真实验与栅格方法以及另一种基于主星的识别方法进行了性能对比分析，实验结果显示该方法具有对位置噪声、缺失星和干扰星的良好鲁棒性，而且识别速度快，星表容量小。本专利技术的技术方案是：首先给出基本概念。星敏感器成像获取的图像称为星图，星图中心是指成像区域的正中心，即星敏感器光轴指向与成像CCD平面的交点。星敏感器坐标系坐标原点位于CCD传感器的透镜中心，即在星敏感器光轴上与CCD平面距离为f(f为CCD相机焦距)的地方。Z轴沿着星敏感器光轴，指向星敏感器视场。X轴和Y轴在满足使坐标系为右手直角坐标系的前提下，可位于任意位置。星敏感器的成像可简化为小孔成像模型，如图1所示，O-XYZ为星敏感器坐标系，阴影部分为CCD平面，o-xy为CCD平面坐标系，x轴y轴分别是X轴，Y轴在CCD平面上的投影。Oo长度为f。一种基于主星的两步匹配星图识别方法，包括以下步骤：第一步：构造识别特征；1)以S为主星，确定邻域半径R，R为角距，在以S为中心、半径为R邻域内的星称为S的伴星，设共有N颗伴星；2)依次计算第i颗伴星与主星的角距ri，并将这些角距由小到大排序，如图2所示形成角距序列：v1＝(r1,r2,r3…ri)，i∈[1,N](1)两颗星角距的计算方法为其中，s1，s2为这两颗星的方向矢量。(x1,y1)、(x2,y2)分别为两颗星在CCD平面坐标系的坐标；f为CCD相机焦距。3)在以主星为原点的CCD平面坐标系中求X轴正向到各伴星的角度θi(沿逆时针)，如图3所示形成角度序列，θi与ri对应同一个伴星v2＝(θ1,θ2,θ3…θi)，i∈[1,N](2)主星位于星图中心和不在星图中心两种情况得到的伴星与X轴的角度不一样。因此求角度序列v2时，若主星不在星图中心，需要进行坐标变换，将主星和伴星重新投影到CCD平面上。变换后主星位于CCD平面坐标系原点，此时的星图相当于星敏感器光轴指向主星时所成的星图。将主星转换到星图中心的坐标变换方法如下:设主星在星图中的坐标为(x1,y1)，某伴星的坐标为(x2,y2)，CCD相机焦距为f，则主星和伴星在星敏感器坐标系中的方向矢量分别表示为t1=-1x12+y12+f2x1y1-f,t2=-1x22+y22+f2x2y2-f---(3)]]>设t1在星敏感器坐标系下的球坐标表示为要使t1经过坐标转换后的笛卡尔坐标为(0,0,1)，则转换阵其中R2,R3分别为绕y轴和x轴旋转的转换矩阵。[x2′,y2′,z2′]T＝M·t2(5)可得伴星投影到CCD平面上的坐标x2′′=-x2′fz2′y2′′=-y2′fz2′---(6)]]>第二步，两步匹配。识别特征构造完毕后，分两步进行匹配。为了便于说明匹配过称，分别将由星图计算得到的匹配特征和导航星表中的匹配特征记为vi和vi′。1)首先匹配角距序列v1。匹配方法如下：假设由星图计算得到的角距序列v1＝(r1,r2,r3…ri)，导航星表中的角距序列v1′＝(R1,R2,R3…RM),设定匹配门限为δ，将两个序列的元素进行比较。如果|r1-Rt|≤δ，其中t∈[1,M]，则认为则两个元素匹配，若v1中的N个元素中有P个能在v1′中找到匹配项，且P满足序列相匹配所设的阀值(一般允许1-2个元素无匹配项)，则认为v1′和v1匹配成功。2)如果v1匹配成功则进行第二步匹配。在第二步匹配时，不能直接用v2进行匹配，需要先将v1中匹配上的最小的那组角距对应的伴星作为参考星，再利用角度序列v2计算参考星到其他伴星的角度，得到角度序列v3。这样可以保证参考星正确选取。例如，如果r1为匹配上的最小角距，则v3＝(θ2-θ1,θ3-θ1,…θi-θ1,360)(6)计算角度序列v3的过程如图4所示。同理，采用同样的方法利用导航星表中的角距序列v1′计算出导航星表相应的角度序列v3′，然后用角度序列v3进行第二步匹配。v3′和v3的匹配方法与v1′和v1相同。如果v1，v3都能匹配，则星图与导航星表中对应导航星匹配。基于主星的两步匹配星图识别方法的计算流程如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于主星的两步匹配星图识别方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，构造识别特征，识别特征包括角距序列v1和角度序列v2；1)以S为主星，确定邻域半径R，R为角距，在以S为中心、半径为R邻域内的星称为S的伴星，设共有N颗伴星；2)依次计算第i颗伴星与主星的角距ri，并将这些角距由小到大排序，形成角距序列：v1＝(r1,r2,r3…ri),i∈[1,N]3)在以主星为原点的CCD平面坐标系中求X轴正向到各伴星的沿逆时针方向的角度θi，形成角度序列：v2＝(θ1,θ2,θ3…θi)，i∈[1,N]第二步，两步匹配1)首先匹配角距序列v1匹配方法如下：假设由星图计算得到的角距序列v1＝(r1,r2,r3…ri)，导航星表中的角距序列v1′＝(R1,R2,R3…RM),设匹配门限为δ，将两个序列的元素进行比较；如果|r1‑Rt|≤δ，t∈[1,M],则认为则两个元素匹配，若v1中的N个元素中有P个能在v1′中找到匹配项，且P满足序列相匹配所设的阀值，则认为v1′和v1匹配成功；2)如果v1匹配成功则进行第二步匹配先将角距序列v1中匹配上的最小的那组角距对应的伴星作为参考星，再利用角度序列v2计算参考星到其他伴星的角度，得到角度序列v3；设r1为角距序列v1中匹配上的最小角距，则v3＝(θ2‑θ1,θ3‑θ1,…θi‑θ1,360)同理，采用相同的方法利用导航星表中的角距序列v1′计算出导航星表相应的角度序列v3′，然后用角度序列v3和v3′进行第二步匹配，v3′和v3的匹配方法与v1′和v1相同；如果v1，v3都能匹配，则星图与导航星表中对应导航星匹配。...

【技术特征摘要】
1.一种基于主星的两步匹配星图识别方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，构造识别特征，识别特征包括角距序列v1和角度序列v2；1)以S为主星，确定邻域半径R，R为角距，在以S为中心、半径为R邻域内的星称为S的伴星，设共有N颗伴星；2)依次计算第i颗伴星与主星的角距ri，并将这些角距由小到大排序，形成角距序列：v1＝(r1,r2,r3…ri),i∈[1,N]3)在以主星为原点的CCD平面坐标系中求X轴正向到各伴星的沿逆时针方向的角度θi，形成角度序列：v2＝(θ1,θ2,θ3…θi)，i∈[1,N]第二步，两步匹配1)首先匹配角距序列v1匹配方法如下：假设由星图计算得到的角距序列v1＝(r1,r2,r3…ri)，导航星表中的角距序列v1′＝(R1,R2,R3…RM),设匹配门限为δ，将两个序列的元素进行比较；如果|r1-Rt|≤δ，t∈[1,M],则认为则两个元素匹配，若v1中的N个元素中有P个能在v1′中找到匹配项，且P满足序列相匹配所设的阀值，则认为v1′和v1匹配成功；2)如果v1匹配成功则进行第二步匹配先将角距序列v1中匹配上的最小的那组角距对应的伴星作为参考星，再利用角度序列v2计算参考星到其他伴星的角度，得到角度序列v3；设r1为角距序列v1中匹配上的最小角距，则v3＝(θ2-θ1,θ3-θ1,…θi-θ1,360)同理，采用相同的方法利用导航星表中的角距序列v1′计算出导航星表相应的角度序列v3′，然后用角度序列v3和v3′进行第二步匹配，v3′和v3的匹配方法与v...

【专利技术属性】
技术研发人员：高玉东，曾国强，黄森林，聂侥，连一君，吴国福，项军华，韩大鹏，税海涛，李志军，袁福，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43