本发明专利技术公开了一种三角形星图识别方法，属于航天器导航、制导与控制领域，所述方法包括以下几个步骤：步骤一：建立导航数据库，包括构造特征三角形、计算平面单位法向量、求解最优投影主轴与投影点值、星等归一化；步骤二：形成观测三角形；步骤三：在导航数据库中寻找与观测三角形最匹配的特征三角形，利用分级检索的方式，依次对投影点值分块索引表、特征三角形表和星等归一化表进行检索，最终完成对观测三角形的匹配。本发明专利技术提出的三角形星图识别方法解决了传统的三角形星图识别方法存在的对噪声的鲁棒性差、冗余匹配多、识别率低的缺点；显著加快了导航数据库的搜索速度，降低了冗余匹配，提高了识别率，对噪声的鲁棒性更好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天器导航、制导与控制领域，具体涉及。
技术介绍
星敏感器是天文导航系统中一个重要的组成部分，星图识别方法是星敏感器的核 心算法，通过星图识别，可以快速准确获得载体的姿态信息，因此，研究一种识别速度快、识 别准确率高的全天自主星图识别方法具有重要的理论和现实意义。早在1997年，Padgett C等人就提出了最初的三角形星图识别方法，利用三角形 的三个角距进行匹配，观测三角形由视场中任意三颗星组成，根据该观测三角形的三个角 距，与导航星库中导航三角形的三个角距进行匹配，若三对角距对应的误差在一个设定的 阈值范围之内，则认为该观测三角形与导航三角形匹配。由于三角形星图识别方法是一种 比较简单实用的星图识别方法，在实际工程中得到了广泛的应用。但是，传统的三角形星图 识别方法存在计算量大，冗余匹配多，对噪声的鲁棒性差等缺点。对传统三角形识别方法的改进一般从以下几个方面来考虑一是限定三角形的数 量、减少星表的容量，提高匹配效率，这可以通过导航星(主星)的选取方法来实现；二是对 星表的结构进行改造，如增加多维索引，缩短搜索时间；三是利用粗姿态缩小搜索范围。而 这些方面的改进都没有减少三角形匹配所需的比较次数，为识别一个观测三角形，必须要 经过三次以上比较才能判断两个三角形是否匹配。文献1 张磊，何昕，魏仲慧等.三角形 星图识别算法的改进[J].光学精密工程，2010，Vol. 18(2) :458-462中提出了一种改进的 三角形星图识别方法，首先将满足三边判决门限的导航星对记录到匹配数组，然后对导航 星出现的次数进行计数，利用三角形三边之间两两相交的相关性，将导航星出现次数小于2 的星等作为整体提出，然后在余下的导航星对中寻找与观测三角形同构的三角形。该方法 减少了识别过程中特征量比较的次数，提高了识别速度，增加了识别成功率，但是无法减少 冗余匹配。文献2:孙晓雄，王宏力，陆敬辉.一种基于星三角形的星图识别算法[J].传感 器与微系统，2009，Vol. 28 (12) :8-10中提出了一种基于星三角形的星图识别方法，根据星 三角形构造其对应的模式向量，按照三角形周长进行升序排列，并构造辅助向量，通过分析 三角形方法产生误匹配或冗余匹配的主要原因，根据估计最大位置误差建立相近模式向量 表来提高识别成功率。但当位置噪声超过估计最大位置误差范围以外时，本方法识别率不 尚ο
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出，解决了传统 的三角形星图识别方法存在的对噪声的鲁棒性差、冗余匹配多、识别率低的问题。本专利技术提 出的三角形星图识别方法显著的加快了导航数据库搜索的速度，降低了冗余匹配，对噪声 的鲁棒性更好，识别率大大提高。本专利技术提出，具体包括以下几个步骤步骤一建立导航数据库(1)构造特征三角形；在基本星库中，选择其中任意一颗恒星作为主星，并在距离该主星半径范围r内， 选择距离主星最近的两颗恒星作为近邻星A和近邻星B，r满足br < r彡pr，其中br为距 离主星半径范围的最小值，pr为距离主星半径范围的最大值，且pr彡1. 5rmax，rmax为星敏感 器的视场半径。将其中距离主星最近的恒星作为近邻星A，距离主星第二近的星作为近邻星 B。由主星、近邻星A和近邻星B构造特征三角形。(2)构造平面单位法向量；计算特征三角形的三个角距，分别为R01、R02和R03。其中R01为主星与近邻星A 之间的角距，R02为主星与近邻星B之间的角距，R02为近邻星A与近邻星B之间的角距。在 任意空间三维直角坐标系中，以角距R01作为χ坐标值，形成空间点A，坐标为(R01，O，O)，以 角距R02作为y坐标值，形成空间点B，坐标为(O，R02，0)，以角距R03作为ζ坐标值，形成空 间点C，坐标为(0，0，R0 3)，则由空间点A、空间点B和空间点C可组成一个平面，计算该平面 单位法向量相对于坐标原点的终点坐标为N = (xn, yn, ζη)τ。(3)重复步骤(1) ( 的过程，直至基本星库中每一颗恒星作为主星均构建出该 主星的特征三角形及平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标后终止。(4)将基本星库中的所有主星信息存储在导航数据库中，形成主星表。将所有的主 星所对应的特征三角形在构建时对应的三颗恒星的编号和三个角距存储在导航数据库中， 形成特征三角形表。(5)求解最优投影主轴；(A)形成空间点集根据每颗主星构造的特征三角形和对应的平面单位法向量相对于坐标原点的终 点坐标，将所有平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标视作三维空间中的多个空间 点，形成一个空间点集。(B)计算最优投影主轴设最优投影主轴为H = Lh1, h2，ti3]T，设第i颗主星所对应的第i个平面单位法向 量在空间点集中所对应的空间点的坐标为Ni = (xi; Zi)T，相应的投影点的坐标为Pi = HTNi;则空间点集中所有空间点的投影点P的均值戶和方差D(P)分别为本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三角形星图识别方法，其特征在于：包括以下几个步骤：步骤一：建立导航数据库：（１）构造特征三角形；在基本星库中，选择其中任意一颗恒星作为主星，并在距离该主星半径范围ｒ内，选择距离主星最近的两颗恒星作为近邻星Ａ和近邻星Ｂ，由主星、近邻星Ａ和近邻星Ｂ构造特征三角形；其中ｒ满足ｂｒ≤ｒ≤ｐｒ，ｂｒ为距离主星半径范围的最小值，ｐｒ为距离主星半径范围的最大值，且ｐｒ≤１．５ｒ↓［ｍａｘ］，ｒ↓［ｍａｘ］为星敏感器的视场半径；（２）构造平面单位法向量；计算特征三角形的三个角距，分别为Ｒ↓［θ１］、Ｒ↓［θ２］和Ｒ↓［θ３］；其中Ｒ↓［θ１］为主星与近邻星Ａ之间的角距，Ｒ↓［θ２］为主星与近邻星Ｂ之间的角距，Ｒ↓［θ２］为近邻星Ａ与近邻星Ｂ之间的角距；在任意空间三维直角坐标系中，以角距Ｒ↓［θ１］作为ｘ坐标值，形成空间点Ａ（Ｒ↓［θ１］，０，０），以角距Ｒ↓［θ２］作为ｙ坐标值，形成空间点Ｂ（０，Ｒ↓［θ２］，０），以角距Ｒ↓［θ３］作为ｚ坐标值，形成空间点Ｃ（０，０，Ｒ↓［θ３］），则由空间点Ａ、空间点Ｂ和空间点Ｃ组成一个平面，计算该平面的平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标为Ｎ＝（ｘ↓［ｎ］，ｙ↓［ｎ］，ｚ↓［ｎ］）↑［Ｔ］；（３）重复步骤（１）～（２）的过程，直至基本星库中每一颗恒星作为主星均构建出特征三角形及计算其平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标后终止；（４）将基本星库中的所有主星的信息存储在导航数据库中，形成主星表，包括每颗主星在基本星表中的编号、星等、赤经和赤纬；将所有的主星所对应的特征三角形的三颗恒星的编号和三个角距存储在导航数据库中，形成特征三角形表；（５）求解最优投影主轴；Ａ：形成空间点集：根据每颗主星构造的特征三角形和对应的平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标，将所有平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标视作三维空间中的多个空间点，形成一个空间点集；Ｂ：计算最优投影主轴：设最优投影主轴为Ｈ＝［ｈ↓［１］，ｈ↓［２］，ｈ↓［３］］↑［Ｔ］，设第ｉ颗主星所对应的第ｉ个平面单位法向量在空间点集中所对应的空间点坐标为Ｎ↓［ｉ］＝（ｘ↓［ｉ］，ｙ↓［ｉ］，ｚ↓［ｉ］）↑［Ｔ］，相应的投影点的坐标为Ｐ↓［ｉ］＝Ｈ↑［Ｔ］Ｎ↓［ｉ］，则空间点集中所有空间点的投影点Ｐ的均值＊和方差Ｄ（Ｐ）分别为：＊＝１／Ｍ＊Ｐ↓［ｉ］＝１／Ｍ＊Ｈ↑［Ｔ］Ｎ↓［ｉ］Ｄ（Ｐ）＝１／Ｍ＊（Ｐ↓［ｉ］－＊）↑［２］＝１／Ｍ＊（Ｈ↑［Ｔ］Ｎ↓［ｉ］）↑［２］－＊↑［２］其中，Ｍ为投影点数量即主星的个数，Ｈ↑［Ｔ］为最优投影主轴Ｈ的转置；最优投影主轴满足如下条件：所有投影点Ｐ的方差Ｄ（Ｐ）具有最大值，正交向量的约束条件Ｈ↑［Ｔ］Ｈ＝１，即：＊＊＊其中Ｚ为对称矩阵，Ｚ＝１／Ｍ＊Ｎ↓［ｉ］Ｎ↓［ｉ］↑［Ｔ］；解出的最优投影主轴方向就是对称矩阵Ｚ最大特征值对应的特征向量，得到唯一的最优投影主轴；（６）根据公式：Ｈ↑［Ｔ］×Ｎ↓［ｉ］＝［ｈ↓［１］，ｈ↓［２］，ｈ↓［３］］×（ｘ↓［ｉ］，ｙ↓［ｉ］，ｚ↓［ｉ］）↑［Ｔ］＝Ｐｒｏ，计算空间点集中所有空间点向最优投影主轴投影得到的投影点值Ｐｒｏ；（７）建立投影点值分块索引表；将所有的投影点值按照从小到大的顺序排列，并将其分为Ｎ个子表；将Ｎ个子表中每个子表建立一个索引项，索引项中包括关键字项与指针项，所述的关键字项为每个子表中包含的所有投影点值最小值至最大值范围区间；所述的指针项为按照各个子表中的投影点值的大小，顺次定义各个投影点值所对应的特征三角形的编号；（８）星等归一化：将基本星库中每颗主星对应的特征三角形中的主星、近邻星Ａ和近邻星Ｂ的星等均转化为相应的灰度，并将三颗恒星中的最大灰度设为１，其他两颗星的灰度与最大灰度做比值，得到其他两个归一化系数，进而得到所有特征三角形中三颗恒星所对应的星等归一化系数；（９）将所有特征三角形中三颗恒星分别进行星等归一化后，得到的星等归一化系数，存储在导航数据库中，形成星等归一化表；步骤二：观测三角形形成；（１）在观测视场中，选择离观测视场中心最近的一颗星作为观测主星；所述的观测视场为星敏感器视场；按照与步骤一（１）相同方法构造该观测视场中观测主星的特征三角形，作为观测三角形；（２）按照步骤一（２）的相同方法计算该观测三角形的平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标；（３）利用步骤一（５）中求解得到的最优投影主轴，计算该观测三角形的平面单位法向量向最优投影轴投影得到的投影点值；（４）根据该观测三角形的三颗恒星的灰度，将其中最大灰度设为１，其他两颗恒星的灰度与该最大灰度１做比值，得到其他两颗恒星的星等归一化系数；步骤三：在导航数据库中寻找与观测三角形最匹配的特征三角形；（１）利用投影点值分块索引表，将观测视场中形成的观测三角形的投影点值在导航数据库的投影点值分块索引表中索引，得到一次...
【技术特征摘要】
1. 一种三角形星图识别方法，其特征在于包括以下几个步骤步骤一建立导航数据库(1)构造特征三角形；在基本星库中，选择其中任意一颗恒星作为主星，并在距离该主星半径范围r内，选择 距离主星最近的两颗恒星作为近邻星A和近邻星B，由主星、近邻星A和近邻星B构造特征 三角形；其中r满足br < r彡pr,br为距离主星半径范围的最小值，pr为距离主星半径范 围的最大值，且pr彡1. 5rfflax, rfflax为星敏感器的视场半径；(2)构造平面单位法向量；计算特征三角形的三个角距，分别为R01、R02和R03 ；其中R01为主星与近邻星A之间 的角距，R02为主星与近邻星B之间的角距，R02为近邻星A与近邻星B之间的角距；在任意 空间三维直角坐标系中，以角距R01作为χ坐标值，形成空间点A(R01，O，O)，以角距R02作 为y坐标值，形成空间点B(0，R02，0)，以角距R03作为ζ坐标值，形成空间点C(0，0，R03), 则由空间点A、空间点B和空间点C组成一个平面，计算该平面的平面单位法向量相对于坐 标原点的终点坐标为N = (xn, yn，zn)τ ；(3)重复步骤(1) ( 的过程，直至基本星库中每一颗恒星作为主星均构建出特征三 角形及计算其平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐标后终止；(4)将基本星库中的所有主星的信息存储在导航数据库中，形成主星表，包括每颗主星 在基本星表中的编号、星等、赤经和赤纬；将所有的主星所对应的特征三角形的三颗恒星的 编号和三个角距存储在导航数据库中，形成特征三角形表；(5)求解最优投影主轴；A 形成空间点集根据每颗主星构造的特征三角形和对应的平面单位法向量相对于坐标原点的终点坐 标，将所有平面单位...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨静，伍玲玲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11
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