星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法技术

本发明专利技术公开了一种星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，包括以下步骤：将观测星的坐标转换至星敏感器参考系，以得到观测向量；对观测向量进行星图识别和姿态解算，组成候选列表；根据候选列表得到特征分布因子；对每一个姿态矩阵进行行列式校验；对候选列表中的每一个姿态矩阵进行正交校验；选取候选列表中姿态矩阵最接近正交的姿态矩阵作为最终的姿态解算结果，并选取对应的导航星组合作为最终的星图识别结果，进而认为星图识别和姿态解算成功。该方法可以校验的准确性，从而达到快速鲁棒校验结果正确性的目的，并且提高了校验的适用性，简单便捷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及姿态传感器
，特别涉及一种星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法。
技术介绍
近年来，随着社会生产及科学探索需求的不断提高，航天任务对卫星姿态的要求越来越高。星敏感器以精度高、功耗低、体积小等优点成为目前最具竞争力的航天器姿态测量器件，现在被广泛应用于航天领域，包括地球卫星和深空探测等。星图识别算法是星敏感器的核心技术之一，根据有无先验姿态信息进行区分，又可分为初始姿态捕获和跟踪递推两个阶段。初始姿态捕获阶段不需要先验的姿态信息，通过星图中星象点的匹配和对比完成全天姿态解算。跟踪递推阶段具有先验的姿态信息，通过递推增量匹配实现更快速更高精度的姿态解算。初始姿态捕获阶段是重中之重，该阶段常用的方法主要有三角形算法、多边形匹配法、极点法、栅格法及导航星域法，其中导航星域法因识别速度快、导航数据库较小、不依赖星等亮度等特性，近年来得到日益增多的关注。具体而言，三角形算法是目前使用最为广泛的一种识别算法。星敏感器捕获到一定数量的星后，在相平面内确定三颗星，构建一个星三角形，作为一个观测三角形模式，然后在导航星数据库中找到唯一的同构模式。三角形算法特征维数较低，对于误差较为敏感，但测量误差较大时，误差范围内的匹配将导致识别正确率迅速降低。多边形匹配法首先从视场内任意选取两颗星作为起始，计算二者星对角距，在误差范围内搜索导航星对，筛选出的匹配结果作为候选星对；然后以每一种候选星对作为基础，在视场中任意选取第三颗星，分别计算第三颗星与候选星对两颗星的星对角距，在误差范围内匹配星对角距，筛选出候选星编号；不断选择更多的星，重复上述过程直到唯一匹配为止。极点法要求视场内有较多的星，至少为7颗，首先以视场内任意一颗星作为主星，计算它与其余星之间的星对角距，在误差范围内匹配星对角距，得到多个候选星对集合，如果这些集合之间的交集元素存在且唯一，则认为主星识别成功。栅格法首先利用一种坐标变换生成导航星数据库，存储着关于对应导航星位置的稀疏矩阵作为特征；然后取视场内亮度较高的一颗星作为主星，并找到与之最近的基准星，利用生成数据库时相同的方法进行坐标变换，得到观测的稀疏矩阵，通过与数据库的对比和匹配，如果结果唯一，则认为识别成功。基于k矢量和导航星域的星图识别方法利用导航星域的映射变换建立以星对角距为特征的数据库，通过视场内的4颗星两两建立共6对星对角距，通过k矢量直线拟合法大幅提高匹配速度，得到可能的候选星对范围，然后利用逻辑判断对可能的候选星对进行角距拓扑关系筛选，如果筛选结果唯一，则认为识别成功，得到由4颗星组成的导航星组。跟踪递推阶段以星敏感器初始捕获阶段识别到的导航星组为先验知识，预判视场中可能出现的导航星，可以极大缩小搜索识别的范围，完成更加快速的导航星识别。此外，通过引入视场中的增量观测星加入计算过程，姿态的解算更为精确。但是实际中由于测量误差的存在，视场中观察星的位置存在扰动，两个阶段中星敏感器的星图识别均可能出现误识别，解算的姿态也是错误姿态。目前，通常采用工程方法进行重复式校验，通过引入额外的观察星对识别结果和姿态结果进行检验。这种工程上的校验方法主要存在三个问题：第一，视场中需要存在未参与识别过程的额外的星，这个条件有时难以满足；第二，需要付出较高的计算代价和时间代价进行与识别过程类似的搜索与匹配，不必要；第三，单纯的逻辑校验难以给出关于识别结果正确性的定论，不利于星敏感器选择性输出高可信度姿态结果。由于校验过程是工程实际中星图识别和姿态解算中必不可少的环节，因此上述三个问题也是目前星图识别和姿态解算方法普遍面临的技术问题。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，该方法可以提高校验的准确性，简单便捷。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，包括以下步骤：S1：在视场中选取N颗观测星，并将所述N颗观测星的坐标转换至星敏感器参考系，以归一化得到N个观测向量，其中，N为正整数；S2：对所述N个观测向量进行星图识别和姿态解算，以得到候选的姿态矩阵及其对应的导航星组合，进而组成候选列表；S3：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S4；S4：根据所述候选列表得到对应导航星向量所组成矩阵的特征分布因子；S5：对所述候选列表中的每一个姿态矩阵进行行列式校验，其中，如果行列式校验失败，则删除对应的姿态矩阵及导航星组合；S6：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S7；S7：对所述候选列表中的每一个姿态矩阵进行正交校验，如果正交校验失败，则删除对应的姿态矩阵及导航星组合；S8：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S9；S9：选取所述候选列表中姿态矩阵最接近正交的姿态矩阵作为最终的姿态解算结果，并选取对应的导航星组合作为最终的星图识别结果，进而认为星图识别和姿态解算成功。本专利技术实施例的星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，通过提供了判别星图误识别及错误姿态解算的指标体系，可以据此迅速排除误识别的导航星组合及错误的姿态矩阵，避免了常规从视场内选取更多观测星进行辅助判别的重复性做法，从而达到快速鲁棒校验结果正确性的目的，具有普遍适用性，并不限定于某种星图识别和姿态解算方法。另外，根据本专利技术上述实施例的星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述S4进一步包括：S401：获取每一组导航星组合包含的导航星得到导航星矩阵，对所述导航星矩阵进行奇异值分解；S402：根据奇异值矩阵得到所述奇异值矩阵的特征分布因子。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述S5进一步包括：S501：获取当前待校验的姿态矩阵，以得到所述当前待校验的姿态矩阵的行列式；S502：如果所述当前待校验的姿态矩阵的行列式在预设的行列式上限值和行列式下限值之间，则判定行列式校验成功。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述S7进一步包括：S701：获取前待校验的姿态矩阵，以根据所述前待校验的姿态矩阵的多个列向量两两之间内积绝对值的最大值；S702：如果所述多个列向量两两之间内积绝对值的最大值小于预设的内积绝对值上限，则判定正交校验成功。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，还包括：S703：遍历所述候选列表中每一个姿态矩阵进行所述S1和所述S2的同时，获取所述每个姿态矩阵的多个列向量两两之间内积绝对值的最大值，以得到多个内积绝对值的最大值中最小时对应的姿态矩阵及对应的导航星组合。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述S9中，所述选取候选列表中姿态矩阵最接近正交的姿态矩阵作为所述最终的姿态解算结果时，所述多个内积绝对值的最大值中最小时对应的姿态矩阵作为所述最终的姿态解算结果。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述S1进一步包括：S101：根据星敏感器成像质量的标定结果预先设定星点提取区；S102：在所述星点提取区内，分别按照水平坐标最大、水平坐标最小、垂直坐标最大、垂直坐标最小选取星点，以得到观测星集合；S103：如果所述观测星集合内观测星的数量小于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在视场中选取N颗观测星，并将所述N颗观测星的坐标转换至星敏感器参考系，以归一化得到N个观测向量，其中，N为正整数；S2：对所述N个观测向量进行星图识别和姿态解算，以得到候选的姿态矩阵及其对应的导航星组合，进而组成候选列表；S3：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S4；S4：根据所述候选列表得到对应导航星向量所组成矩阵的特征分布因子；S5：对所述候选列表中的每一个姿态矩阵进行行列式校验，其中，如果行列式校验失败，则删除对应的姿态矩阵及导航星组合；S6：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S7；S7：对所述候选列表中的每一个姿态矩阵进行正交校验，如果正交校验失败，则删除对应的姿态矩阵及导航星组合；S8：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S9；以及S9：选取所述候选列表中姿态矩阵最接近正交的姿态矩阵作为最终的姿态解算结果，并选取对应的导航星组合作为最终的星图识别结果，进而认为星图识别和姿态解算成功。

【技术特征摘要】
1.一种星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在视场中选取N颗观测星，并将所述N颗观测星的坐标转换至星敏感器参考系，以归一化得到N个观测向量，其中，N为正整数；S2：对所述N个观测向量进行星图识别和姿态解算，以得到候选的姿态矩阵及其对应的导航星组合，进而组成候选列表；S3：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S4；S4：根据所述候选列表得到对应导航星向量所组成矩阵的特征分布因子；S5：对所述候选列表中的每一个姿态矩阵进行行列式校验，其中，如果行列式校验失败，则删除对应的姿态矩阵及导航星组合；S6：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S7；S7：对所述候选列表中的每一个姿态矩阵进行正交校验，如果正交校验失败，则删除对应的姿态矩阵及导航星组合；S8：判断所述候选列表是否为空，如果是，则回到所述S1，否则执行所述S9；以及S9：选取所述候选列表中姿态矩阵最接近正交的姿态矩阵作为最终的姿态解算结果，并选取对应的导航星组合作为最终的星图识别结果，进而认为星图识别和姿态解算成功。2.根据权利要求1所述的星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，其特征在于，所述S4进一步包括：S401：获取每一组导航星组合包含的导航星得到导航星矩阵，对所述导航星矩阵进行奇异值分解；S402：根据奇异值矩阵得到所述奇异值矩阵的特征分布因子。3.根据权利要求1所述的星敏感器星图识别和姿态解算的快速鲁棒校验方法，其特征在于，所述S5进一步包括：S501：获取当前待校验的姿态矩阵，以得到所述当前待校验的姿态矩阵的行列式；S502：如果所述当前待校验的姿态矩阵的行列...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙婷，邢飞，尤政，王晓初，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11