CN101236084A - 一种剔除星表中密集星场的方法 - Google Patents

Abstract

一种剔除星表中密集星场的方法，包括(1)从总星数为t的天文星表中选取所有星等值低于M_T的n颗恒星组成预选星表；(2)为预选星表中的所有恒星均设置一个初值为零的分值计数器；(3)选取第i颗恒星的一个邻域Ω_i；(4)对Ω_i进行检查，如果其中存在第j颗恒星，且恒星j的星等M_j低于恒星i的星等M_i，则恒星i的分值计数器Count_i加1；(5)重复步骤(3)和步骤(4)，直至预选星表中所有恒星都经过同样的处理；(6)遍历预选星表，从预选星表中删除所有分值计数器大于0的恒星，剩余的恒星组成导航星表。本发明消除了将两颗相距较近的恒星都选作导航星的问题，有利于提高导航星在全天球分布的均匀性，有利于提高星敏感器的恒星识别概率。

Description

一种剔除星表中密集星场的方法

技术领域

本发明属于恒星识别技术领域，适用于构造恒星敏感器导航星表。

背景技术

恒星敏感器是一种目前广泛应用的航天产品，是以恒星为观测对象的光学姿态敏感器，主要用于卫星、飞船等航天器在轨飞行时的姿态测量任务。

当前通常意义上的星敏感器属于星图仪方式的星敏感器。它首先需要拍摄获取某一区域内恒星，然后将其与内存星表中的恒星进行比对，利用恒星识别技术来确认所观测恒星的“身份”，最终完成姿态测量任务。

内存星表中所记录的恒星称为导航星，内存星表也称为导航星表或者任务星表。导航星表中记载了恒星的位置、亮度等重要信息，是恒星识别的根本依据。因此，建立导航星表是研究恒星识别算法的重要前提。导航星表来源于天文星表，是在天文星表中去除了与恒星敏感器工作不相关的部分内容之后得到的。导航星表中的数据全部来自天文星表，是天文星表的一个子表。

恒星在天球上的分布是高度不均匀的，某些区域内恒星相当稀少，而另外一些区域恒星又非常稠密。恒星敏感器的研究实践证明：如果某一区域内的导航星数量过多，恒星敏感器对该区域进行恒星识别时，不但发生误识别的几率会显著增加，而且会增加处理时间。特别是当两颗导航星非常接近时，星敏感器发生误识别的概率特别高。因此对于某些恒星过于稠密天区，应适当从中删去一些恒星，这就是所谓的剔除密集星场。此外，剔除密集星场还可以降低导航星总数，减小对存储容量的需求。

同时，若某一天区中导航星过于稀少，低于星敏感器进行恒星识别所需的最少星数时，星敏感器也不能正常工作。因此，在完成密集星场剔除的同时，还需防止出现导航星密度过低的情况。

文献1(LinTAo，Zhou J L，Zhang J P，Qian G H.A General methodof the automatical selection.of guide star.Signal.ProcessingProceedings，1998。ICSP’98，1998，2)中提出了采用“正交网格法”去除冗余导航星，其简要原理是：将整个天球表面均匀划分为若干个面积相等互不重叠的区域，逐一检查这些区域，如果一个区域中存在一颗以上的恒星，则仅将其中最亮的一颗保存入导航星表，而舍弃其余恒星。

“正交网格法”具有方法简单的优点，其主要不足在于：一，不利于解决导航星均匀性问题，极区附近导航星密度与赤道附近导航星密度存在明显差别。二，不能完全避免将两颗非常接近的恒星都选作导航星情况。

文献2(李立宏，林涛，宁永臣等.一种改进的全天自主三角形星图识别算法.光学技术.2000年7月刊)中提出了采用“星等加权法”组织导航星库，其简要原理是：以候选导航星为中心，以某一半径在天球上取一个圆。半径的确定原则是恒星越亮半径越大，恒星越暗半径越小。如果在这个圆中不存在其他导航星，则将该候选导航星表添加入导航星表中。

“星等加权法”克服了“正交网格法”的不足，完全消除了将两颗相距很近的恒星都入选导航星表的可能。“星等加权法”的主要不足在于：一，若某一恒星附近存在其他恒星，则这两颗恒星均不能作为导航星，其后果是可能使某些天区中导航星过于稀少，从而影响星敏感器恒星识别概率。二，在星敏感器需探测的暗星较多时，大多数恒星所涉及的圆半径都是不同的，因此在遴选后的导航星表仍然可能出现某些区域恒星稠密，而某些区域中恒星比较稀少的问题。三，在筛选中不可避免会出现先被选为候选导航星的恒星被删除，而后被选作候选导航星的恒星被保留下来的情况，即导航星筛选结果与选星顺序有关。通常不同天文星表的恒星排序是不同的，因此用“星等加权法”对于不同的天文星表进行处理，会得到截然不同的导航星表；或者用不同的选星顺序处理同一天文星表，也可能得到不同的导航星表，显然这样的处理结果不够合理。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种剔除星表中密集星场的方法，克服了以往正交网格法的缺点，完全消除了将两颗相距较近的恒星都选作导航星的问题，有利于提高导航星在全天球分布的均匀性。同时消除了“星等加权法”导致某些天区中恒星过于稀少的可能性，有利于提高星敏感器的恒星识别概率，同时避免了选星顺序不同，导航星表也不同的缺陷。

本发明所采用的技术解决方案：一种剔除星表中密集星场的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)从总星数为t的天文星表中选取所有星等值低于M_T的n颗恒星组成预选星表，其中M_T为目标恒星敏感器的探测灵敏度；

(2)为预选星表中的所有恒星均设置一个初值为零的分值计数器Count；

(3)从预选星表中选取第i颗恒星，根据预设角距门限θ_max在天球上取第i颗星的一个邻域Ω_i；

(4)对Ω_i进行检查，如果其中存在第j颗恒星，且恒星j的星等M_j低于恒星i的星等M_i，则恒星i的分值计数器Count_i加1；

(5)重复步骤(3)和步骤(4)，直至预选星表中所有恒星都经过同样的处理；

(6)遍历预选星表，从预选星表中删除所有分值计数器Count大于0的恒星，将预选星表中剩余的恒星组成导航星表。

所述步骤(6)完成后，还包括对导航星表进行评价的方法，评价步骤如下：

(1)逐一计算导航星表中任意两颗恒星的角距，检查是否存在角距小于预设门限θ_max的情况，如果存在角距小于预设门限θ_max的情况则判定导航星表不可用，否则进入下一步；

(2)统计星敏感器视场中的导航星分布，如果接近泊松分布则表明导航星表中的恒星在天球上的分布比较均匀，接受当前导航星表的筛选结果。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明的“计分法”继承了“正交网格法”的指导思想，即若某个区域内存在多颗恒星，只选择其中最亮的一颗作为导航星。在步骤上采用了在为预选星表中所有恒星计分后，再根据各恒星的计分值决定是否将其添加入导航星表。采用这样的步骤，由于充分考虑到一颗候选导航星在自身邻域中亮度最高，而在其他候选导航星的邻域中并非最亮的可能性，因此不仅严格消除了将两颗相距较近的恒星都选作导航星的问题，而且不会出现将应当保留的导航星剔除的情况。

“计分法”克服了“正交网格法”的主要不足：第一，由于逐一检测每颗导航星的邻域，因此完全消除了将两颗相距较近的恒星都选作导航星的问题；第二，所有恒星的邻域均是相同的，与恒星位置无关，因而不会出现低纬度带导航星较为稠密、高纬度带导航星较为稀疏的情况，有利于提高导航星在全天球分布的均匀性。

“计分法”同时克服了“星等加权法”的主要不足：第一，不仅在每颗候选导航星的邻域中检查是否存在其他恒星，而且对候选导航星和其他恒星的亮度加以判断，因此可在若干相距较近的恒星中保留且只保留其中最亮的一颗作为导航星，避免了将这些恒星全部剔除的情况，从而消除了“星等加权法”导致某些天区中恒星过于稀少的可能性；第二，在所需导航星中暗星较多时，若采用“星等加权法”则大多数恒星的领域的大小是不相同的，由此可能导致部分天区中恒星较为稠密的情况，从而影响星敏感器正确识别恒星。而“计分法”中所有恒星的邻域的大小是一致的，因此既不会出现某些区域恒星过于稠密的情况，也不会出现某些区域恒星过于稀疏的情况。有利于提高导航星表中导航星分布的均匀性，有利于提高星敏感器的恒星识别概率。第三，由于“计分法”采用了在为所有恒星评分后，再根据分值决定是否将各恒星列入导航星表的策略，因此导航星筛选结果与选星顺序完全无关，采用计分法处理不同的天文星表，或者以不同的选星顺序处理同一天文星表，都会得到相同的导航星表。

计分法已用于“嫦娥一号”卫星星敏感器导航星表的生成，该仪器飞行试验的成功证明了计分法筛选导航星表方法是可行的。

附图说明

图1为生成预选星表的流程图；

图2为预选星表中恒星计分流程图；

图3为预选星表形成导航星表流程图；

图4为剔除密集星场前导航星对角距分布图，其中，图4a为限制星等6.3M_T时星对角距分布情况，图4b为限制星等6.5M_T时星对角距分布情况；

图5为剔除密集星场前导航星分布示意图，其中，图5a为限制星等6.3M_T时导航星分布情况，图5b为限制星等6.5M_T时导航星分布情况；

图6为剔除密集星场后导航星对角距分布示意图，其中，图6a为限制星等6.3M_T时导航星对角距分布情况，图6b为限制星等6.5M_T时导航星对角距分布情况；

图7为剔除密集星场后导航星分布示意图，其中，图7a为限制星等6.3M_T时导航星分布情况，图7b为限制星等6.5M_T时导航星分布情况。

具体实施方式

本发明提出了采用计分法剔除密集星场。计分法原理简述如下：首先根据恒星敏感器探测灵敏度等指标从天文星表中筛选出一个预选星表。检查预选星表中的第i颗恒星，如果在其邻域内存在一个亮度高于恒星i的相邻恒星j，则恒星i的计分值加1。若此邻域内亮度高于恒星i的邻星越多，恒星i的计分值越高。在为预选星表中所有恒星打分后，对全部恒星进行遍历，剔除其中高分值的恒星，将剩余的恒星组成导航星表。为了确保筛选结果可用，还可以对组成的导航星表进行检验，检查其中是否仍然有相距很近的恒星，检查其中是否存在恒星过于密集或过于稀疏的区域。如通过检查，则接受当前筛选结果；否则重新进行筛选。

本发明的详细步骤如下：

(1)已知目标恒星敏感器的探测灵敏度为M_T，从总星数为t的天文星表中选取所有星等值低于M_T的n颗恒星组成预选星表。流程图参见图1，详细步骤如下：

a、开始时设定i＝1；

b、当i大于天文星表中的总星数t时，结束进程，否则读取第i颗恒星的信息；

c、判断第i颗星的星等M_i是否低于已知目标恒星敏感器的探测灵敏度M_T，低于则将第i颗星存入预选星表，然后设定i＝i+1后返回步骤b，否则直接设定i＝i+1后返回步骤b。

(2)为预选星表中的所有恒星均设置一个初值为零的分值计数器Count：

(3)从预选星表中选取第i颗恒星，根据预设角距门限θ_max在天球上取第i颗星的一个邻域Ω_i，所述的预设角距门限θ_max指根据星敏感器恒星识别算法需要，希望导航星表中参与恒星识别的任意两颗导航星之间角距不小于θ_max，则以θ_max作为预设角距门限值。所述的邻域Ω_i的选取方法为：以第i颗恒星为圆心、以预设角距门限θ_max为半径，在天球上取一个圆，作为第i颗星的邻域Ω_i。

(4)对Ω_i进行检查，如果其中存在第j颗恒星，且恒星j的星等M_j低于恒星i的星等M_i，则恒星i的分值计数器Count_i加1；

(5)重复步骤(3)和步骤(4)，直至预选星表中所有恒星都经过同样的处理；

(6)遍历预选星表，从预选星表中删除所有分值计数器Count大于0的恒星，将预选星表中剩余的恒星组成导航星表。

所述步骤(6)的详细实现过程如下：

a、开始时设定i＝1；

b、判断i是否大于预选星表中的总星数n，是则退出程序，否则进入下一步；

c、读取恒星i的分值计数器Count_i，当Count_i＞0时，设定i＝i+1后返回步骤b，否则将第i颗星存入导航星表，然后设定i＝i+1后返回步骤b。

(7)逐一计算导航星表中任意两颗恒星的角距，如果不存在角距小于预设门限θ_max的情况则表示消除星场中两颗导航星过于接近的情况。

(8)用蒙特卡洛法统计恒星敏感器视场中的导航星分布，如接近泊松分布则表明：导航星表中所录恒星在天球上的分布比较均匀。

(9)在满足步骤(7)和步骤(8)所述的条件下，接受当前导航星表的筛选结果，否则重新筛选。

所述的步骤(2)-步骤(5)的具体实现如图2所示，过程如下：

a、开始时设定i＝1；

b、判断i是否大于预选星表中的总星数n，是则进入下一步，否则设定第i颗恒星的分值计数器Count_i＝0，然后令i＝i+1后重复该步骤b；

c、设定i＝1；

d、判断i是否大于预选星表中的总星数n，是则结束程序，否则设定j＝1；

e、判断j是否大于预选星表中的总星数n，是则设定i＝i+1后返回步骤d，否则判断j与i是否相等，是则设定j＝j+1后重复该步骤，否则进入下一步；

f、判断恒星j是否在恒星i的邻域中，是则进入下一步，否则设定j＝j+1后返回步骤e；

g、判断恒星j亮度高于是否高于恒星i的亮度，是则进入下一步，否则设定j＝j+1后返回步骤e；

h、设定分值计数器Count_i＝Count_i+1，然后设定j＝j+1后返回步骤e。

下面以SAO星表作为原始星表，J2000.0历元，包含258,997颗恒星为例，阐述本发明的效果。

首先要根据恒星敏感器的探测灵敏度从天文星表中筛选出预选星表。以下分别以M_T＝6.3M_V、M_T＝6.5M_V的两种为例，预选星表的筛选结果如表1所示：

表1预选星表的筛选结果

序号	限制星等(MT)	导航星总数	导航星密度ρG(颗/平方度)	均值(μ＝ΩρG)	P{X≥4}
						1	≤6.3	10,470	0.25380	8.8018	0.94440
2	≤6.5	13,267	0.32160	11.1531	0.98275

在剔除密集星场前两个预选导航星表中恒星对角距分布如图4所示。从图中可以看出有大量星对角距很小，表明存在密集星场。

图5给出了此时视场中导航星的分布。由图中可以看出，在剔除密集星场前，恒星敏感器一个视场内导航星的分布与标准泊松分布存在明显差异，表明导航星在天球上的空间分布较不均匀。

按照下列步骤进行密集星场剔除：

(1)为预选星表中的所有恒星设置一初值为零的分值计数器Count_i＝0；

(2)某星敏感器所用的恒星识别算法希望任意两颗导航星之间角距不要小于0.5°，故取预设角距门限θ_max＝0.5°。

(3)从预选星表中选取第i颗恒星，以该恒星为圆心、以预设角距门限θ_max为半径，在天球上取一个圆，作为第i颗星的邻域Ω_i。

(4)对Ω_i进行检查，如果其中存在第j颗恒星，且恒星j的星等M_j低于恒星i的星等M_i，则恒星i的分值计数器Count_i加1；

(5)对预选星表中所有恒星都经过同样的处理；

(6)遍历预选星表，如果第i颗恒星的分值计数值Count_i＞0，则将第i颗恒星从预选星表中删除；

(7)将预选星表中剩余的恒星组成导航星表；

采用计分法剔除密集星场后结果见表2，导航星对角距分布如图6所示，显见此时导航星表已不存在任何角距小于0.5°的星对。这表明计分法剔除密集星场完全消除了两颗导航星过于接近的情况。

表2剔除密集星场后的结果

序号	限制星等(MT)	导航星总数	导航星密度ρG(颗/平方度)	均值(μ＝ΩρG)	P{X≥4}
						1	≤6.3	8,746	0.21201	7.35247	0.92805
2	≤6.5	10,610	0.25719	8.91947	0.97185

此时视场中导航星的分布如图7所示，在剔除密集星场后，恒星敏感器一个视场内导航星的分布与标准泊松分布非常接近，表明导航星在天球上分布的均匀性得到了很大改善。

因此这两组筛选结果均可接受为导航星表。

Claims (6)

1、一种剔除星表中密集星场的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)从总星数为t的天文星表中选取所有星等值低于M_T的n颗恒星组成预选星表，其中M_T为目标恒星敏感器的探测灵敏度；

(2)为预选星表中的所有恒星均设置一个初值为零的分值计数器Count；

(3)从预选星表中选取第i颗恒星，根据预设角距门限θ_max在天球上取第i颗星的一个邻域Ω_i；

(4)对Ω_i进行检查，如果其中存在第j颗恒星，且恒星j的星等M_j低于恒星i的星等M_i则恒星i的分值计数器Count_i加1；

(5)重复步骤(3)和步骤(4)，直至预选星表中所有恒星都经过同样的处理；

(6)遍历预选星表，从预选星表中删除所有分值计数器Count大于0的恒星，将预选星表中剩余的恒星组成导航星表。

2、根据权利要求1所述的一种剔除星表中密集星场的方法，其特征在于：所述步骤(6)完成后，还包括对导航星表进行评价的方法，评价步骤如下：

(1)逐一计算导航星表中任意两颗恒星的角距，检查是否存在角距小于预设门限θ_max的情况，如果存在角距小于预设门限θ_max的情况则判定导航星表不可用，否则进入下一步；

(2)统计星敏感器视场中的导航星分布，如果接近泊松分布则表明导航星表中的恒星在天球上的分布比较均匀，接受当前导航星表的筛选结果。

3、根据权利要求1或2所述的一种剔除星表中密集星场的方法，其特征在于：所述步骤(3)中邻域Ω_i的选取方法为：以第i颗恒星为圆心、以预设角距门限θ_max为半径，在天球上取一个圆，作为第i颗星的邻域Ω_i。

4、根据权利要求1或2所述的一种剔除星表中密集星场的方法，其特征在于：所述步骤(1)的实现过程如下：

a、开始时设定i＝1；

b、当i大于天文星表中的总星数t时，结束进程，否则读取第i颗恒星的信息；

c、判断第i颗星的星等M_i是否低于已知目标恒星敏感器的探测灵敏度M_T，低于则将第i颗星存入预选星表，然后设定i＝i+1后返回步骤b，否则直接设定i＝i+1后返回步骤b。

5、根据权利要求1或2所述的一种剔除星表中密集星场的方法，其特征在于：所述步骤(2)-步骤(5)的详细实现过程如下：

a、开始时设定i＝1；

b、判断i是否大于预选星表中的总星数n，若是则进入下一步，否则设定第i颗恒星的分值计数器Count_i＝0，然后令i＝i+1后重复该步骤b；

c、设定i＝1；

d、判断i是否大于预选星表中的总星数n，是则结束程序，否则设定j＝1；

e、判断j是否大于预选星表中的总星数n，是则设定i＝i+1后返回步骤d，否则判断j与i是否相等，是则设定j＝j+1后重复该步骤，否则进入下一步；

f、判断恒星j是否在恒星i的邻域中，是则进入下一步，否则设定j＝j+1后返回步骤e；

g、判断恒星j亮度高于是否高于恒星i的亮度，是则进入下一步，否则设定j＝j+1后返回步骤e；

h、设定分值计数器Count_i＝Count_i+1，然后设定j＝j+1后返回步骤e。

6、根据权利要求1或2所述的一种剔除星表中密集星场的方法，其特征在于：所述步骤(6)的详细实现过程如下：

a、开始时设定i＝1；

b、判断i是否大于预选星表中的总星数n，是则退出程序，否则进入下一步；

c、读取恒星i的分值计数器Count_i，当Count_i＞0时，设定i＝i+1后返回步骤b，否则将第i颗星存入导航星表，然后设定i＝i+1后返回步骤b。

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