适用于星敏感器的预测未知恒星星像质心算法

提出了一种自主预测视场内未知恒星星像质心算法.该算法采用星跟踪算法来提取视场内已知恒星星像坐标.根据已知恒星信息从主星表中搜索视场内所有未知恒星,并采用这些信息预测所有未知恒星的理想像平面中心,从以这些预测的理想坐标为中心的范围内提取相应的实际星像坐标.同时采用已知恒星来验证未知恒星星像坐标.最后,对该算法进行了外场观星测试.实验结果表明:该方法提取未知恒星星像坐标时,扫描星图的像元只有局部提取星像算法的0.12%,所以进一步提高了数据更新率.     

天文导航中的星敏感器技术

由于星敏感器仅仅工作在全天球的识别模式下远不能满足当前飞行器任务的需要,提出了当星敏感器有足够的先验信息情况下,可在星跟踪模式或者预测星像模式下工作,来提高星敏感器的数据更新率,降低由全天球识别带来误匹配的可能性.本文提出了一种新的星跟踪算法来克服飞行器在大角速度飞行情况下传统星跟踪算法处理时间过长等不足;为了消除由于系统噪声带来的误差,还提出了星图滤波和星像滤波的方法.实验结果表明,当飞行器在2.25°/s的角速度下飞行时,星敏感器能在10 pixel×10 pixel的范围内从星图中正确提取星像,星图经去噪后,星敏感器输出精度提高了近5″,从而使星敏器可在飞行器高动态飞行情况下实现高精度、高更新率的姿态输出.文中描述的所有方法已在2007年和2008年进行了地面观星测试,并于2009年即将应用于某些卫星的姿控系统中.     

一种星图模拟中观测星提取的方法

为了利用计算机动态实时地模拟生成星敏感器拍摄到的星图,针对球坐标系特点,提出了一种改进的高效且适应性强的观测星提取方法.通过对天球分区法在高纬度区域的完善,解决了星敏感器圆形视场在高纬度区域实际的赤经范围计算问题.进一步介绍了一种新的对分区节点进行判断的改进方法,还对提高观测星提取效率的措施(细化分区、采用坐标变换和分步提取)进行了探讨.分析表明,改进的分区法可减轻动态实时模拟星图时的计算压力,效率高,能适应天球中各纬度区域,且逻辑描述简洁,适宜编程.将该方法运用于软件的实现,满足了星图动态实时模拟的要求.     

高精度星敏感器天文标定方法及观测分析

提出了一种利用天顶观测来进行星敏感器标定的新方法.将地球当作均匀转动的转台,由一较精确的时钟代替刻度盘,用相对地球静止的星敏感器对天顶邻域进行观测.把星点作为目标,让其匀速扫过视场,建立星点坐标和对应恒星像点坐标的数学模型,求出位置传递函数.此方法简单、方便,标定精度高.通过实际星空观测,对连续拍摄的2037幅星图进行标定计算,每幅星图的积分时间为80 ms.实际观测星在α与δ方向上的标定误差分别为7.267 2″和6.922 0″,系统总的标定误差为10.036 2″.利用标定结果对连续拍摄的星图进行识别,得到星敏感器光轴指向误差为4.846 2″,标定结果比较理想.     

基于多特征匹配的快速星图识别

随着星敏感器探测灵敏度的提高,导航星表中恒星的数量急剧增加,导致星图识别的识别速度和识别率降低。因此,为了提高星图识别的识别速度和识别率,文中在三角形算法的基础上提出了一种基于多特征匹配的快速星图识别算法。首先,采用天球的内接正二十面体法对预处理后的星表进行分区。然后,将特征三角形的边长以及外接圆和内切圆半径的乘积作为特征值构建导航特征库,并根据后者的哈希函数对特征库进行分块。在识别的过程中,利用观测三角形外接圆和内切圆半径乘积的哈希函数实现导航特征库子块的快速定位,并在该子块内采用多特征匹配的方法得到观测三角形的识别结果,最后根据该结果确定星敏感器视场所包含的天球子区域,并在子区域内完成视场中其它导航星的识别。实验结果表明,文中算法的识别性能与导航特征库的分块数有关,在选择合适的分块数后,与常用三角形算法相比,算法在识别速度,识别率以及对星等误差和假目标的鲁棒性等方面具有明显的优势,算法的平均识别时间和识别率分别为17.161ms和98.58%,满足星敏感器对高识别速度和识别率的要求。     

星光制导中的凸多边形星图识别算法

提出了以凸多边形为基元、完全不依赖于星等的星图识别算法。首先,构造全部导航星的14°视场模式,共9 176个。然后逐一把这些视场中的导航星投影到像平面,得到一系列的点。依其坐标排序,采用由平面上的点生成凸多边形的算法,就能得到唯一的、以恒星为顶点的凸多边形。在导航星表中以凸多边形为储存单元,其内容为凸多边形的边和顶角。为此,设计了以导航星凸多边形和观测凸多边形之间距离最小为准则的识别算法。针对星光制导的导弹观星时间很短,提出了根据弹道生成弹上导航星表的方法,其导航星表只需存储30颗星的75个凸多边形。仿真结果表明:在任意视场中,基于凸多边形的星图识别成功率高于99%,并具有较强的鲁棒性。     

基于相似三角形的星图识别

星图识别算法是星敏感器快速获得姿态信息的关键,传统的星图识别算法,例如三角形算法、多边形算法以及一些改进算法,大多是以星对间的角距作为识别特征,而星对角距的计算精度严重依赖于星敏感器相机的焦距f的校准精度。如果校准精度不够或者由于环境原因导致相机焦距有较大变化时,这些基于星对角距的识别方法将无法正常工作,本文提出了一种基于相似三角形的星图识别算法,该算法利用观测星组成的三角形与CCD相机所成像点三角形相似来进行识别,由于识别过程不需要焦距信息,在焦距有较大变化时仍能正常工作。最后用蒙特卡罗方法进行了仿真验证,结果表明该算法在引入较大焦距误差时识别率无明显变化,其平均识别率为95.2%,平均识别时间为5.3ms,而相同仿真实验条件下传统三角形算法的平均识别时间为7.6ms,在引入0.5pixel的像面位置误差时该算法识别率为93.3%,而传统三角形算法识别率仅为86.5%,该算法较传统三角形算法在识别速度方面有一定优势,同时对像面位置噪声的鲁棒性更好。     

连通聚类星识别方法

采用星敏感器测卫星姿态是现行方法中精度最高的,其关键是星图识别.本文阐述了只采用观测星的位置信息,利用观测星图与导航星表的星对角距进行聚类匹配,根据观测星图的连通性进行匹配识别的方法,用图论理论解释了星识别过程;用120M主频的微机模拟分析了门限和位置噪声对识别时间的影响.在门限取0.05°,位置噪声(单轴)δ=0.02°以下时,在任一区域识别率达100%,识别时间平均少于0.2s.     

三视场天文导航视场间星图识别的导航星选取

研究了三视场天文导航视场间导航星的选取方法,以提高其视场间星图识别的效率,减小识别特征数据库规模。根据三视场天文导航星图识别的特点,分析了导航视场间导航星数目对视场间三角形星图识别的影响。考虑视场间三角形星图识别的需求,给出了任意视场至少包含1颗导航星和亮星优先选取的视场间导航星选取准则。然后,遵从上述准则提出了一种基于星等优先的一阶自组织导航星选取算法。利用提出的算法制备了视场间导航星星库,并对该导航星星库的性能进行了仿真分析和外场实验。实验结果表明:使用该算法制备的导航星星库规模较星等阈值过滤方法制备的星库规模降低了53.91%,且库中导航星分布均匀,符合视场间导航星的要求。     

适用于星敏感器的导航星星库制定

导航星星库对星图识别、最终姿态获取具有重要意义.导航星星库的容量,存储方式,存储内容,读取方式,是影响星图识别的识别时间和识别率的关键因素.本文介绍了采用球矩阵存储和读取导航星库的方法,阐述了导航星的选取规则及存储内容.球矩阵方法可以在全天球范围内快捷查找导航星的大致区域;年中平位置及导航星星对角距的存储,可使视位置转换时间及星图识别时间进一步减少.     

改进的基于主星的星图识别算法

为了建立更高效的星图识别算法,设计了一种以主星与邻星角距为识别特征的星图识别算法.构建了导航星库,将所有邻星与主星角距进行量化编码,并按照从小到大的顺序排列为特征模式字符串,串尾附加字符串长度项为聚簇索引,借以提高导航星库的检索速度;然后,利用改进的KMP字符串识别方法对观测星进行匹配识别.当存在2 pixels的高斯位置噪声时,该算法成功识别率高于97.38%,导航星库的存储容量为149.4 kB.在Pentium 1.6 GHz PC机上随机识别1 250幅星图,平均识别时间为42.78 ms.此识别算法对观测图像具有旋转不变性,对位置和星等噪声都有很好的鲁棒性,且导航星库的存储容量小、检索效率高、实时性好.     

船用星敏感器天体的跟踪辨识

为保证船用星敏感器载体姿态连续测量的高精度和高效率,通过对当前天体自动辨识算法的研究与分析,提出并实现一种基于天体目标连续跟踪处理的天体自动辨识技术。首先,根据星图采集周期、天体视运动速度和舰船姿态变化等因素,分析了船用星敏感器摄取的连续星图间的差别特征;然后,以连续两帧星图的关联信息为依据构建星图特征数组,通过区域搜索、斜率值与灰度值比对等方法建立了天体跟踪辨识模式;最后,介绍了天体跟踪辨识模式中区域搜索半径的解算方法。实验结果表明:天体连续跟踪辨识技术在保证天体辨识精度的前提下,平均单帧星图辨识时间为124ms,仅为传统辨识方法用时的1/8。有效地提高了船用星敏感器天体辨识效率和载体姿态动态测量效率。     

应用有限冲击响应滤波器消除星敏感器星像噪声

从图像处理的角度研究了提高星像坐标定位精度的方法。分析了星像噪声产生的原因,对去噪声前的星像坐标进行了频谱特性分析,根据分析结果,提出了一种基于Parks-McClellan算法的滤波器最优设计方法来设计有限冲击响应滤波器(FIR滤波器)。分析了通过该FIR滤波器后星像坐标的功率谱曲线。结果显示,该FIR滤波器能很好地消除星像噪声。最后,采用某型号卫星星敏感器原理样机的地面观星数据进行实验验证,结果表明,星敏感器输出姿态精度由原来的21.921″提高到了7.823″。