專利名稱：一種星敏感器快速星跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及對星跟蹤器跟蹤方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
星敏感器技術(shù)的出現(xiàn)為空間飛行器的姿態(tài)測量開辟了一個(gè)新的途徑。星敏感器有初始姿態(tài)捕獲和跟蹤模式兩種工作模式。星敏感器工作時(shí)，經(jīng)過全天星圖識別獲得初始姿態(tài)后，就進(jìn)入了跟蹤模式。星敏感器的大部分工作時(shí)間處于跟蹤模式，快速星跟蹤方法可以很好的提高星敏感器整體性能。目前的星跟蹤方法主要有跟蹤窗方式和匹配識別方式兩種跟蹤方法。其中匹配識別方式的跟蹤方法由于簡單、有效、快速而被采用。匹配識別方法又分為基于新星識別的匹配識別方法和基于星體映射的匹配識別方法。在基于星體映射的匹配識別方式的星跟蹤方法中，假設(shè)跟蹤過程中的第k幀及其以前幀星圖的識別結(jié)果均已知，對當(dāng)前第(k+1)幀采集到的星圖進(jìn)行識別跟蹤，如圖1所示。由第k幀星圖的識別結(jié)果，可以計(jì)算出星敏感器當(dāng)前的視軸指向。根據(jù)這個(gè)視軸指向，進(jìn)行星體映射，所謂的星體映射就是通過搜索星表得到在此視軸指向下某一定天區(qū)范圍的星體信息，并將此范圍內(nèi)星體的坐標(biāo)從天球坐標(biāo)系向圖像坐標(biāo)系的變換，得到圖像傳感器感光面上的位置坐標(biāo)信息。星體的信息是從星表中得到的，在星表中保存有星體在天球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(赤經(jīng)、赤緯)、星等、星號等信息。經(jīng)過星體映射，即可以得到第k+1幀參考星圖，參考星圖中所有的星體都是已知的。對于第(k+1)幀采集到的星圖的每一顆星，在第k+1幀參考星圖中通過比較尋找是否有星體位于其鄰域r范圍內(nèi)(r的取值與星敏感器運(yùn)動(dòng)的角速度有關(guān)，這里r取10個(gè)象素)，如果有且只有一顆星位于該鄰域，則第(k+1)幀采集到的星圖中的這顆星被成功匹配識別。如果沒有星位于該鄰域或者存在一顆以上的星位于該鄰域(如圖1中黑色8號星的鄰域，存在白色7’號和11’號兩顆星)，則這顆星匹配識別失敗?，F(xiàn)有匹配識別方式的跟蹤算法，有以下幾部分影響了提高星跟蹤速度(1)跟蹤過程中，星體映射產(chǎn)生參考星圖的計(jì)算過程部分是非常耗時(shí)的，如果每次跟蹤都要經(jīng)過這些星體坐標(biāo)變換計(jì)算，這樣就會耗費(fèi)大量的時(shí)間。
(2)在跟蹤過程中，星體映射消耗時(shí)間主要在從星表中搜索能夠映射到視場中的星體的過程。在搜索時(shí)，如果星表中每一顆星的坐標(biāo)信息都要經(jīng)過計(jì)算比較，以判斷是否滿足映射到視場中的條件，那么這個(gè)過程是很費(fèi)時(shí)的。
(3)在匹配識別過程中，有些距離較遠(yuǎn)的星體之間的比較是沒有必要的。如圖1所示，對于當(dāng)前幀星圖中的5號星，與當(dāng)前參考星圖的4’，5’、6’，8’號等星體之間的距離比較大，它們之間的比較是沒有意義的，是無謂的耗時(shí)的工作。
(4)距離的計(jì)算是基于平方和開根號運(yùn)算，這個(gè)運(yùn)算開銷相對硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)也是比較大的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種計(jì)算耗時(shí)短、速度快的星跟蹤方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種星敏感器快速星跟蹤方法，采用基于星體映射的匹配識別方法，假設(shè)跟蹤過程中的第k幀及其以前幀星圖的識別結(jié)果均已知，對當(dāng)前第(k+1)幀采集到的星圖進(jìn)行跟蹤識別，其步驟包括經(jīng)過星體映射，得到第k+1幀的參考星圖；將第(k+1)幀采集到的星圖中的每一顆星，與第k+1幀參考星圖中的星體進(jìn)行匹配識別；其特征在于，1、采用閾值映射的方法進(jìn)行星體映射，其步驟如下1.1、設(shè)置一個(gè)閾值δ，將閾值δ設(shè)置為10～15其中的自然數(shù)之一；1.2、當(dāng)?shù)趉幀采集到的星圖中，匹配識別到的星體不少于δ顆時(shí)，不進(jìn)行星體映射，直接將第k幀采集到星圖中被成功匹配識別的星體的信息設(shè)置為與其匹配的第k幀參考星圖中相應(yīng)的星體信息，并將此經(jīng)過匹配識別的第k幀星圖作為第(k+1)幀參考星圖；1.3、如果第k幀采集到的星圖中，匹配識別到的星體少于δ顆時(shí)，則進(jìn)行星體映射，產(chǎn)生第(k+1)幀參考星圖；2、進(jìn)行星體映射時(shí)，采用分區(qū)星表的搜索方法搜索星體，步驟如下2.1、由上次跟蹤識別求得的星敏感器的姿態(tài)，求出其視軸的方向矢量；
2.2、在分區(qū)星表中找出與該視軸方向矢量最接近的子塊；2.3、將該子塊及其相鄰的子塊構(gòu)成的子天區(qū)中的星體索引號存儲下來；2.4、根據(jù)存儲的星體索引號，在星表中找到相應(yīng)的星體，獲得星體的信息，然后通過計(jì)算比較此子天區(qū)范圍內(nèi)的星體信息，得到可以映射到視場中的星體，完成一次搜索；2.5、在下次搜索與星敏感器視軸的方向矢量最接近的子塊時(shí)，由于星體在視場中每次移動(dòng)的距離不大，所以只需要在上次用到的9個(gè)子塊中搜索即可；3、在匹配識別過程中，采用先排序后匹配識別的方法；具體的匹配識別步驟見專利申請“一種星跟蹤器快速匹配識別方法”專利申請?zhí)枮?00510077187.6。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算耗時(shí)短，速度快，提高了整個(gè)跟蹤過程的速度。體現(xiàn)在以下方面通過分天區(qū)搜索，有效的縮小了天區(qū)的搜索范圍；通過閾值映射，只有星體數(shù)目少于一定閾值才進(jìn)行映射，有效的減少了星體映射的次數(shù)；采用先排序后匹配的方法，有效的減少了星體間的匹配次數(shù)，縮短了星體間的匹配時(shí)間。


圖1是現(xiàn)有的匹配識別方法示意圖。
圖2是對兩幀星圖進(jìn)行排序的示意圖。
圖3是對排序后的兩幀星圖進(jìn)行匹配識別的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明針對匹配識別方式的跟蹤算法中存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，在跟蹤算法的三個(gè)耗時(shí)部分，分別采用了閾值映射，分區(qū)星表，先排序后匹配識別這三種方法。并且在匹配識別時(shí)，將比較星體間的距離簡化為比較星體間坐標(biāo)的差值。
本發(fā)明的改進(jìn)之一是采用閾值映射的方法進(jìn)行星體映射。跟蹤算法中，星體映射部分是非常耗時(shí)的。跟蹤的目的是通過跟蹤星體，經(jīng)過計(jì)算得到星敏感器的姿態(tài)。其實(shí)，只要成功跟蹤10顆星，根據(jù)其計(jì)算出的星敏感器姿態(tài)就非常精確。為了減少星體映射的次數(shù)，本發(fā)明采用了閾值映射的方法。
閾值映射就是設(shè)置一個(gè)星體數(shù)目閾值δ，如果第k幀星圖中被成功跟蹤的星體數(shù)目大于這個(gè)閾值δ，則不進(jìn)行星體映射，如果第k幀星圖中被成功跟蹤的星體數(shù)目小于這個(gè)閾值δ，則進(jìn)行星體映射。
具體的方法是這樣的(1)首先設(shè)置一個(gè)閾值δ，為了使跟蹤算法有較好的穩(wěn)定性，并且有較高的姿態(tài)精度，可以將閾值δ設(shè)置為稍大于10的值，一般為10～15其中的自然數(shù)之一。
(2)當(dāng)?shù)趉幀采集到的星圖中，匹配識別到的星體不少于δ顆時(shí)，不進(jìn)行星體映射，而是將第k幀采集到星圖中被成功匹配識別的星體的信息(赤經(jīng)、赤緯、星等、星號等信息)設(shè)置為與其匹配的第k幀參考星圖中相應(yīng)的星體信息，并將此經(jīng)過匹配識別的第k幀星圖作為第(k+1)幀參考星圖。
(3)如果第k幀采集到的星圖中，匹配識別到的星體少于δ顆時(shí)，則進(jìn)行星體映射，產(chǎn)生第(k+1)幀參考星圖。
(4)將以上得到的第(k+1)幀參考星圖與第(k+1)幀采集到的星圖進(jìn)行匹配識別。如此循環(huán)，完成跟蹤過程。
本發(fā)明的改進(jìn)之二是進(jìn)行星體映射時(shí)，采用分區(qū)星表的搜索方法搜索星體。星體映射消耗時(shí)間主要在從星表中搜索能夠映射到視場中的星體的過程，如果能縮小搜索的范圍，就能大大加快星體映射的過程，因此這里采用了分天區(qū)搜索的方法，具體分區(qū)過程見專利申請“一種劃分導(dǎo)航星表的方法”，專利申請?zhí)枮?00510002220.9。
采用分區(qū)星表后的具體搜索方法簡述如下(1)由上次跟蹤識別求得的星敏感器的姿態(tài)，求出其視軸的方向矢量。
(2)在分區(qū)星表中找出與該視軸方向矢量最接近的子塊。
(3)將該子塊及其相鄰的子塊構(gòu)成的子天區(qū)中的星體索引號存儲下來。
(4)根據(jù)存儲的星體索引號，在星表中找到相應(yīng)的星體，獲得星體的信息，然后通過計(jì)算比較此子天區(qū)范圍內(nèi)的星體信息，得到可以映射到視場中的星體，完成一次搜索。
(5)在下次搜索與星敏感器視軸的方向矢量最接近的子塊時(shí)，由于星體在視場中每次移動(dòng)的距離不大，所以只需要在上次用到的9個(gè)子塊中搜索即可。采用了分區(qū)星表之后，不用搜索整個(gè)天區(qū)，只搜索9個(gè)子塊中的星體，縮小了搜索范圍(整個(gè)天區(qū)的 從而加快了搜索速度，提高了跟蹤的快速性。
本發(fā)明的改進(jìn)之三是采用了先排序后匹配識別的方法。
跟蹤算法中，在第k+1幀參考星圖和第(k+1)幀星圖中的星體進(jìn)行匹配時(shí)，那些距離較遠(yuǎn)的星體是沒有必要進(jìn)行比較的，這里我們采用了先排序后匹配識別的方法，先排序后匹配識別的方法能大大減少在跟蹤過程中匹配次數(shù)和匹配時(shí)間。具體的匹配識別方法見專利申請“一種星跟蹤器快速匹配識別方法”，專利申請?zhí)枮?00510077187.6。
這里以圖1為例說明先排序后匹配的識別過程。首先將圖1中的第k+1幀星圖和第(k+1)幀參考星圖中的星體按照x坐標(biāo)由小到大排序，得到序列A和B，如圖2所示，然后將序列A和B從左到右依次進(jìn)行匹配識別。如圖3所示，圖中虛線表示參與匹配的星體，實(shí)線表示匹配上的星體。從圖3中我們看到，(1)序列A中的9號星與序列B中的10’號星唯一匹配，則9號星匹配識別成功，其星體信息由序列B中的10’號星提供，(2)序列A中的第10號星由于是新進(jìn)入視場，沒有找到匹配的星體。
(3)序列A中的2號星只需要與序列B中的3’，9’，4’，10’號星進(jìn)行比較，因?yàn)檫@些星體之前和之后的星體與2號星之間的x坐標(biāo)的差值已經(jīng)超過了閾值，沒有進(jìn)行比較的意義了。
(4)序列A中的8號星通過與1’，7’，11’，3’號星進(jìn)行比較后，得到兩顆匹配的星體7’和11’，因此8號星匹配失敗。
(5)最終匹配成功的星體5，1，7，2，9，3，6，4號星分別從參考星圖中相對應(yīng)的星體中獲得星體信息，并進(jìn)行姿態(tài)運(yùn)算，匹配失敗的星體則舍棄。
這種先排序后匹配方法，有效的減少了那些無謂的星體間的比較，只是比較坐標(biāo)值相近的星，減少了匹配識別時(shí)的比較次數(shù)，提高了匹配識別的速度。
實(shí)施例采用以上三種改進(jìn)使得現(xiàn)有跟蹤算法的速度有了很大提高。對此，在賽揚(yáng)900(m)的機(jī)器上進(jìn)行了仿真測試。測試的具體方法如下(1)仿真程序中采用的分區(qū)星表是將天區(qū)分成了486塊的分區(qū)星表。將映射的閾值δ設(shè)為13。下面是軟件仿真測試的結(jié)果。
(2)設(shè)置星敏感器的初始姿態(tài)(俯仰角70°，偏航角20°，滾轉(zhuǎn)角0°)和最終姿態(tài)(俯仰角80°，偏航角30°，滾轉(zhuǎn)角0°)。在模擬星敏感器從初始姿態(tài)運(yùn)動(dòng)到最終狀態(tài)的跟蹤過程中，共分了139步來跟蹤。每一步都會根據(jù)每步的姿態(tài)產(chǎn)生一幅星圖模擬星敏感器采集到的星圖，然后利用上一幀的參考星圖對此星圖進(jìn)行跟蹤識別，求出此時(shí)的星敏感器姿態(tài)(與這一步的姿態(tài)對比可以驗(yàn)證跟蹤的正確性)。
(3)比較采用此三種方法和沒有采用時(shí)的效果，測試結(jié)果如表1～4所示。
表1 采用分區(qū)星表方法的映射時(shí)間對比

表2 采用閾值映射方法的跟蹤時(shí)間對比

表3 采用先排序后匹配識別方法的匹配識別時(shí)間對比

表4 總體仿真效果對比(跟蹤時(shí)間)

注“步驟”顯示的是跟蹤過程的步驟；“姿態(tài)”是當(dāng)時(shí)星敏感器的姿態(tài)(格式俯仰角，偏航角，滾轉(zhuǎn)角)；“前”顯示的是跟蹤算法沒有用相應(yīng)方法時(shí)的耗時(shí)；“后”顯示采用此相應(yīng)方法后的耗時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種星敏感器快速星跟蹤方法，采用基于星體映射的匹配識別方法，假設(shè)跟蹤過程中的第k幀及其以前幀星圖的識別結(jié)果均已知，對當(dāng)前第(k+1)幀采集到的星圖進(jìn)行跟蹤識別，其步驟包括經(jīng)過星體映射，得到第k+1幀的參考星圖；將第(k+1)幀采集到的星圖中的每一顆星，與第k+1幀參考星圖中的星體進(jìn)行匹配識別；其特征在于，1.1、采用閾值映射的方法進(jìn)行星體映射，其步驟如下1.1.1、設(shè)置一個(gè)閾值δ，將閾值δ設(shè)置為10～15其中的自然數(shù)之一；1.1.2、當(dāng)?shù)趉幀采集到的星圖中，匹配識別到的星體不少于δ顆時(shí)，不進(jìn)行星體映射，直接將第k幀采集到星圖中被成功匹配識別的星體的信息設(shè)置為與其匹配的第k幀參考星圖中相應(yīng)的星體信息，并將此經(jīng)過匹配識別的第k幀星圖作為第(k+1)幀參考星圖；1.1.3、如果第k幀采集到的星圖中，匹配識別到的星體少于δ顆時(shí)，則進(jìn)行星體映射，產(chǎn)生第(k+1)幀參考星圖；1.2、進(jìn)行星體映射時(shí)，采用分區(qū)星表的搜索方法搜索星體，步驟如下1.2.1、由上次跟蹤識別求得的星敏感器的姿態(tài)，求出其視軸的方向矢量；1.2.2、在分區(qū)星表中找出與該視軸方向矢量最接近的子塊；1.2.3、將該子塊及其相鄰的子塊構(gòu)成的子天區(qū)中的星體索引號存儲下來；1.2.4、根據(jù)存儲的星體索引號，在星表中找到相應(yīng)的星體，獲得星體的信息，然后通過計(jì)算比較此子天區(qū)范圍內(nèi)的星體信息，得到可以映射到視場中的星體，完成一次搜索；1.2.5、在下次搜索與星敏感器視軸的方向矢量最接近的子塊時(shí)，由于星體在視場中每次移動(dòng)的距離不大，所以只需要在上次用到的9個(gè)子塊中搜索即可；1.3、在匹配識別過程中，采用先排序后匹配識別的方法；具體的匹配識別步驟見專利申請“一種星跟蹤器快速匹配識別方法”專利申請?zhí)枮?00510077187.6。
全文摘要
本發(fā)明屬于天文導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及對星跟蹤器跟蹤方法的改進(jìn)。本發(fā)明的步驟包括經(jīng)過星體映射，得到第k+1幀的參考星圖；將第(k+1)幀采集到的星圖中的每一顆星，與第k+1幀參考星圖中的星體進(jìn)行匹配識別；其特征在于，采用閾值映射的方法進(jìn)行星體映射；進(jìn)行星體映射時(shí)，采用分區(qū)星表的搜索方法搜索星體；在匹配識別過程中，采用先排序后匹配識別的方法。本發(fā)明計(jì)算耗時(shí)短、速度快。
文檔編號G01C21/02GK1896681SQ200510084010
公開日2007年1月17日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者江潔, 張廣軍, 李霄, 魏新國 申請人:北京航空航天大學(xué)