星敏感器导航星选择方法技术

本发明专利技术公开了一种星敏感器导航星选择方法，根据星敏感器的极限星等，对原始星表作星等阈值处理，删除包括双星、变星、和星等的高于极限星等的恒星；设定星数阈值Nth，逐渐改变星敏感器光轴指向，遍历全天球，通过删除每个方位视场内的部分恒星，选定导航星；如果当前视场内的剩余星星数N≤Nth，则所有剩余星选为导航星；否则，选定聚类角θ和阈值t，采用星群聚类方法筛选导航星。本发明专利技术根据恒星在惯性坐标系中的赤经、赤纬位置数据，利用它们的对角间距开展星群聚类，没有复杂的运算，计算简单，易于实现；依据星敏感器的极限星等、视场角和星数阈值，自主调整导航星，具有较好的灵活性；所得导航星在全天球和局部天球分布均匀性好。

【技术实现步骤摘要】
星敏感器导航星选择方法
本专利技术属于天文导航
，涉及一种用于星敏感器选取导航星的方法。
技术介绍
星敏感器以恒星为观测对象，通过星像提取、星图识别和姿态估算等处理，测量飞行器的姿态，精度可达角秒级。目前，星敏感器主要用于卫星、航天飞机、宇宙飞船等的姿态测量，未来还将实现对飞机、导弹、车辆、舰船等近地面载体的高精度导航。导航星库构建是星敏感器研究的核心技术之一，是保障星图识别顺利开展的重要前提。为提高星图识别稳定性，降低星库冗余性，通常要求导航星在天球上分布均匀。在国内，林涛等提出的正交网格方法，李立宏等提出星等加权方法、郑胜等提出的回归选取算法获得的导航星分布还不够均匀。华中理工大学提出了基于玻尔兹曼熵的导航星优选算法，依据已选星玻尔兹曼熵最小的原则，逐个挑选导航星，该算法获得均匀的全天球导航星分布。2015年，第二炮兵工程大学陆敬辉等提出了一种基于极坐标细分法及“距离-星等”加权法相结合的导航星选取方法，获得了分布均匀性良好的导航星库。南京航空航天大学陈雪芬等通过区域分割和星密集度计算来实现优选导航星，提出了基于ITSI导航星优选算法，降低了星库冗余性。本专利技术的专利技术人提出了MIPS多尺度像面分割算法，根据极限星等和视场内观测导航星星数要求，分布均匀性进一步提高，但是由于需多次重复将每个天区恒星成像到像面，算法还较复杂。在国外，TexasA&M大学Hye-YoungKim等提出自组织导航星选取算法，在满足任意轴指向的视场内捕获一定导航星数的前提下，根据恒星的位置关系，逐个挑选导航星，导航星分布在局部和全天球上都较均匀。Samaan,MalakA等提出的球面分块法(TheSphericalPatchesmethod)、固定斜度螺旋线法(TheFixed-SlopeSpiralmethod)和带电粒子法(TheChargedParticlesmethod)等算法，将天球近似划分为许多等面积区域，从每个天区选出一颗星为导航星。以上算法还不能根据不同姿态下视场内星数的多少，自适应调整导航星筛选方案，灵活性还不够。当视场很大时，每次可观测到的导航星可能有冗余。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有技术的不足，对于某一极限星等，在满足任意姿态时星敏感器能捕获到足够数量导航星的条件下，提出一种基于星群聚类的导航星选择方法，删除冗余星，获得近似均匀的导航星分布。本专利技术的技术方案是：一种星敏感器导航星选择方法，根据星敏感器的极限星等，对原始星表作星等阈值处理，删除双星、变星、和星等高于极限星等的恒星。设定星数阈值Nth，逐渐改变星敏感器光轴指向，遍历全天球，通过删除每个方位视场内的部分恒星，选定导航星。如果当前视场内的剩余星星数N≤Nth，则所有剩余星选为导航星。否则，选定聚类角θ和阈值t，采用星群聚类方法筛选导航星，详细步骤如下：(1)定义一个包含N个元素的数组flag[N]，所有元素初始化为0。再定义一个变量cluster，并初始化为0。flag中的元素与每颗恒星相对应，用于记录所属的星群编号，元素值为0表示对应恒星尚未经过聚类处理。cluster表示当前恒星所属的星群编号。(2)统计数组flag中值为0的元素总数，设为Nvis。若Nvis＝0，则已将所有剩余星聚类到相应星群，执行步骤(6)。若Nvis大于0，即还有星未被处理，那么选择其中任意一颗星所在的位置作为星群聚类的起始位置，设其方向余弦矢量为C0＝{x0,y0,z0}。(3)统计与C0的角间距小于θ的所有剩余星，设有k颗星，其中包含C0处的恒星。(4)若这k颗星对应的flag元素值都为0，则cluster增加1，并将cluster赋值给flag中的对应元素，执行步骤(5)。否则，将这k颗星以及周围近邻的星聚类到同一个星群，并统一它们的星群编号。(5)计算这k颗星中心的方向余弦矢量C。若起始位置C0和C的角距不大于t，则完成了当前位置的星群聚类，执行步骤(6)。否则将{xnew,ynew,znew}赋给C0，返回步骤(3)。(6)星群聚类结束。此时，所有剩余星均分配了一个星群编号。具有相同星群编号的恒星属于同一个星群。逐个统计各星群中恒星个数，取其中星数最多的星群，设星数为M。当存在多个星群星数相等，且均最多，则任选其中一个星群。若M>1，则计算该星群中心的方向余弦矢量，并删除与该星群中心位置最接近的一颗星，N＝N-1。如有多颗星与该中心角间距都最小，那么删除其中最暗的一颗星。若所有剩余星均以单颗星组成星群，聚类角θ增加视场角的十分之一，并返回步骤(1)。该步骤处理，直至剩余星数N等于阈值Nth，剩余星选为导航星，当前视场的导航星优选结束，星敏感器转到下一方位挑选导航星。与现有技术相比，本专利技术具有如下的特点：(1)过程简单，操作简便。本专利技术根据恒星在惯性坐标系中的赤经、赤纬位置数据，利用它们的角间距开展星群聚类，没有复杂的运算，计算简单，易于实现。(2)方法灵活。本专利技术能依据星敏感器的极限星等、视场角和星数阈值，自主调整导航星，具有较好的灵活性。(3)所得导航星在全天球和局部天球分布均匀性好。附图说明图1是本专利技术优选导航星算法的流程图。图2是实例一星等阈值后的恒星分布图。图3是实例一当聚类角为2°时，筛选过程中均由单颗星组成星群时的恒星分布图。图4是实例一当聚类角为4°时，筛选过程中均由单颗星组成星群时的恒星分布图。图5是实例一当聚类角为6°时，筛选过程中均由单颗星组成星群时的恒星分布图。图6是实例一最终筛选得到的导航星分布图。图7是当极限星等为5.2等时，星等阈值处理后导航星在天球上的分布图。图8是当极限星等为5.2等和视场为20°×20°时，运用本专利技术方法优选后导航星在天球上的分布图。图9是当极限星等为5.2等和视场为20°×20°时，优选前视场中导航星星数的概率分布图。图10是当极限星等为5.2等和视场为20°×20°时，优选后视场中导航星星数的概率分布图。图11是当极限星等为5.2等和视场为20°×20°时，优选前和优选后视场中导航星星数的累积概率分布图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的基本思想是，在天球上，位置相互接近、连成一片的恒星组成一个星群，属于不同星群的恒星相距较远。通过运用星群聚类法，寻找天球上恒星分布密度最高的区域，逐个删除此类区域的一颗恒星，降低其星密度，最终实现导航星的均匀分布。优选导航星算法流程如图1所示，实现过程如下，第一步，对原始星表作星等阈值处理。根据极限星等删除暗星，同时删除变星、双星。第二步，星敏感器光轴指向天球上坐标(αi，δi)的位置，αi或δi每次改变1°，遍历全天球。提取每个方向视场内的剩余星，计算总数N。如果N≤Nth，所有剩余星选作导航星，星敏感器光轴转到下一方位，再判断，直到星数N>Nth。若全天球遍历结束，则执行第六步。第三步，初始化星群聚类参数，聚类角θ为视场角的十分之一，阈值t为θ的千分之一。当两颗星的角间距不大于θ时，它们属于同一星群。当前步骤计算得到的星群中心与上一步骤计算的中心之间的角间距不大于t时，星群聚类结束。第四步，做星群聚类处理，具体步骤如下。(1)定义一个包含N个元素的数组flag[N]，所有元素初始化为0。本文档来自技高网...

【技术保护点】
星敏感器导航星选择方法，其特征在于：根据星敏感器的极限星等，对原始星表作星等阈值处理，删除包括双星、变星、和星等的高于极限星等的恒星；设定星数阈值Nth，逐渐改变星敏感器光轴指向，遍历全天球，通过删除每个方位视场内的部分恒星，选定导航星；如果当前视场内的剩余星星数N≤Nth，则所有剩余星选为导航星；否则，选定聚类角θ和阈值t，采用星群聚类方法筛选导航星。

【技术特征摘要】
1.星敏感器导航星选择方法，其特征在于：根据星敏感器的极限星等，对原始星表作星等阈值处理，删除包括双星、变星、和星等的高于极限星等的恒星；设定星数阈值Nth，逐渐改变星敏感器光轴指向，遍历全天球，通过删除每个方位视场内的部分恒星，选定导航星；如果当前视场内的剩余星星数N≤Nth，则所有剩余星选为导航星；否则，选定聚类角θ和阈值t，采用星群聚类方法筛选导航星。2.根据权利要求1所述的星敏感器导航星选择方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：初始化包含N个元素的数组flag，和变量cluster；步骤2：若有剩余星未聚类到相应星群，则选择其中任意一颗星所在的位置作为星群聚类的起始位置，设其方向余弦矢量为C0；步骤3：统计与C0的角间距小于θ的所有剩余星，设有k颗星；步骤4：为所述k颗星赋予星群编号，并统一它们近邻剩余星的星群编号；步骤5：计算所述k颗星中心的方向余弦矢量C；若起始位置C0和C的角距不大于t，则执行步骤6；否则将C赋给C0，返回步骤3；步骤6：星群聚类结束；逐个统计各星群中星数，取其中星数最多的星群，删除与该星数中心位置最接近的一颗星，N＝N-1；若所有剩余星均以单颗星组成星群，聚类角θ增加视场角的十分之一，并返回步骤1，直至剩余星数N等于阈值Nth，剩余星选为导航星。3.根据权利要求2所述的星敏感器导航星选择方法，其特征在于：所述步骤1，定义一个包含N个元素的数组flag[N]，所有元素初始化为0；再定义一个变量cluster，并初始化为0；flag中的元素与每颗恒星相对应，用于记录所属的星群编号，元素值为0表示对应恒星尚未经过聚类处理；cluster表示当前恒星所属的星群编号。4.根据权利要求2所述的星敏感器导航星选择方法，其特征在于：所述步骤2，统计数组flag中值为0的元素总数，设为Nvis；若Nvis＝0，则已将...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴峰，朱锡芳，相入喜，卞维涛，缪志康，葛宜君，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32