CN103335648A - 一种自主星图识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主星图识别方法，给出了观测星模式建立方法，将星点坐标引入了星的模式，并用同样的方法建立导航星模式数据库；并提出了一种模式匹配的方法，首先判断模式一是否匹配，在模式一匹配成功的条件下，再判断模式二是否匹配……，这种逐次判断的方法提高了识别的速度，而在模式三，也就是标准坐标匹配时，引入匹配门限，根据星敏感器的使用精度，可以方便的调整该门限值的大小，不影响需要的存储空间和处理时间，便于工程应用。

Description

一种自主星图识别方法

技术领域

本发明涉及星光导航领域。

背景技术

随着深空探测任务的增多，深空探测器的自主导航已成为一项亟待解决的关键技术。天文导航具有自主工作、精度高、隐蔽性好、不受电磁干扰、可靠性高、可全天候工作，误差不随时间积累的特点和优势；是一种非常重要的深空探测器自主导航手段。

深空探测任务要求天文导航设备必须具有自主式姿态确定的能力，因此，在硬件上需要采用大视场天文导航设备(大视场星体跟踪器，又被称为大视场星敏感器)，一次观测到多颗恒星的信息，利用观测到的多个恒星信息，进行星图匹配，识别对应的导航星，利用多星矢量定姿原理，不依赖其它导航设备辅助，自主确定探测器在惯性空间中三轴绝对姿态。

由上所述可知：自主星图识别是实现自主天文定姿的关键环节，导航星识别的成功与否直接决定了天文导航系统的成败。

目前常用的自主星图识方法有：三角形匹配算法、匹配组算法、栅格算法。

三角形算法是最早提出的星图识别算法，也是目前使用最广泛、工程领域应用最广的算法。后来又有人提各种改进的三角形算法，经过多年的发展和完善，已基本能满足工程应用，但是仍存在当测量噪声变大时，鲁棒性差的缺点。主要表现在这些算法在角距匹配时，需要预先设置一个匹配门限，当匹配门限确定时，任两个恒星之间角距对应的导航星对的最大个数也是确定的，因此，保存导航星对的存储空间大小也可确定。在实际应用中，当测量噪声增大后，则受制于存储空间的影响，不可随意增大匹配门限。当然也可以将存放导航星对的存储空间设置的充分大，这必然会增大信息处理机的尺寸和运算时间，同时也增加了软件调试的复杂度。

匹配组算法由美国斯坦福大学的V.Bezooijen提出，大致步骤如下：首先，选择星图中最亮的一颗恒星，于是其它的恒星和这颗恒星就构成恒星星对；接下来就是将星对与导航星数据库进行比较，如果，星对角距值最大的匹配成功，那么恒星识别也就完成。该算法目的是为了简化三角形算法，上述三角形算法的缺点，它同样也有。

Padgett和Delgado在1997年提出网格算法，但是他们的方法没有能够减少导航星数据库搜寻的时间。当测量噪声增大时，也同样存在鲁棒性差的缺点。

总之，目前现有的自主星图识别算法存在的主要问题有三个：①当测量噪声变化时，鲁棒性差；②导航星库所占的存储空间大；③计算复杂，运算时间较长。不能满足当今完全自主、快速、高可靠性的天文导航任务的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种计算简单、识别速度快、鲁棒性能好的自主星图识别方法，便于工程应用。

本发明包括如下技术方案：

一种自主星图识别方法，包括如下步骤：

（1）建立导航星模式数据库，导航星模式数据库中存储了主星表中的每一导航星Nstar_i的四个模式；对于主星表中的每一导航星Nstar_i，所述四个模式的确定方法如下：

计算星敏感器光轴指向该导航星Nstar_i时星敏感器视场范围内的导航星集合，

计算所述导航星集合中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系的坐标，

在所述导航星集合中，确定与导航星Nstar_i距离最近的导航星Nb，将所述导航星集合中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系的坐标转换成标准坐标，从而获得星敏感器光轴指向该导航星Nstar_i时的标准星图；

将导航星Nstar_i与Nb之间的距离作为导航星Nstar_i的模式一；

根据导航星集合中每个导航星Nstar_j'的标准坐标确定每个导航星Nstar_j'的位置编号；将导航星集合中所有导航星的位置编号作为导航星Nstar_i的模式二；

将导航星集合中所有导航星的标准坐标作为导航星Nstar_i的模式三；

将导航星集合中所有导航星在主星表中的编号作为导航星Nstar_i的模式四；

（2）对星敏感器获得的星图进行预处理获得观测星集合；

（3）在观测星集合中，选取距离星敏感器光轴最近的一颗星，标记为观测星a；确定与观测星a距离最近的观测星，标记为观测星b；将观测星集合中每个观测星在CCD图像坐标系中的坐标转换成标准坐标，从而获得观测星的标准星图；

（4）将观测星a与观测星b之间的距离作为观测星a的模式一；根据观测星集合中每个观测星的标准坐标确定每个观测星的位置编号，将观测星集合中的所有观测星的位置编号作为观测星a的模式二；将观测星集合中的所有观测星的标准坐标作为观测星a的模式三；

（5）将观测星a的模式一、模式二和模式三分别与导航星模式数据库中存储的模式一、模式二、模式三进行比较，获得识别结果。

所述主星表的建立方法如下：

选择满足一定星等条件的导航星组成第一导航星集合；

计算第一导航星集合中任意两颗导航星之间的角距，对于距离小于距离门限ξ的两颗导航星，去掉星等较高的一颗，剩余的导航星作为主星表中的导航星；

所述主星表中存储了每一颗导航星在主星表中的编号、赤经、赤纬和星等，其中导航星在主星表中的编号按导航星赤经递增顺序编排。

所述步骤（1）中，将导航星Nstar_i的模式二、三、四放在一个数据结构中，并将该导航星Nstar_i的模式一与所述数据结构建立链接。

将所述导航星集合中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系的坐标转换成标准坐标的方法如下：

将CCD图像坐标系旋转角度φ获得旋转后的坐标系及旋转后的坐标，其中φ为

与CCD图像坐标系的

的夹角；

将旋转后的坐标系进行平移使得坐标原点平移到（256*k,-256*k）处；从而获得所述标准坐标系及导航星Nstar_j'的标准坐标。

所述步骤（2）中预处理的方法如下：

对星敏感器获得的星图进行误差补偿获得误差补偿后的星图；

对误差补偿后的星图，计算任意两颗星之间的角距，对于距离小于距离门限ξ的两颗观测星，去掉星等高的一颗，剩余的观测星组成观测星集合。

对观测星集合中每个观测星在CCD图像坐标系中的坐标进行转换获得每个观测星的标准坐标的实现方法如下：

（3.1）将CCD图像坐标系中的原点平移至观测星a的位置，获得平移后的坐标系及平移后的观测星坐标；

（3.2）将平移后的坐标系旋转角度φ获得旋转后的坐标系及旋转后的观测星坐标；其中φ为与CCD图像坐标系的

轴的夹角；

（3.3）将旋转后的坐标系进行平移，使得坐标原点平移到（256*k,-256*k）处；从而获得所述标准坐标系及观测星的标准坐标。

所述步骤（5）具体包括如下步骤：

（5.1）将观测星a的模式一与导航星模式数据库中的模式一进行比较，记录满足模式一匹配条件的所有导航星的个数，假设有M个；获取观测星a的模式二、三中的数据个数N；

（5.2）令i=0；

（5.3）i=i+1，NUM（i）=0；判断i是否大于M，当i小于等于M时，转入步骤（5.4）；当i大于M时，转入步骤（5.10）；

（5.4）获得满足模式一匹配条件的第i个导航星的模式二、模式三中的数据；并获取所述第i个导航星的模式二中的数据个数N’;令j=0；

（5.5）j=j+1，判断j是否大于N；如果j大于N，则转入步骤（5.3）；如果j小于等于N，则转入步骤（5.6）；

（5.6）令j’=0；

（5.7）j’=j’+1;判断j’是否大于N’；如果大于N’；则转入步骤（5.5）；否则转入步骤（5.8）；

（5.8）判断观测星a的模式二中的第j个观测星的位置编号是否与所述第i个导航星的模式二中的第j’个导航星的位置编号相等；如果相等，则转入步骤（5.9）；如果不相等，则转入步骤（5.7）；

（5.9）根据观测星a的模式三中的第j个观测星的标准坐标与所述第i个导航星的模式三中的第j’个导航星的标准坐标计算两者的距离平方，判断所述距离平方是否小于等于星敏感器成像误差的平方；

如果小于等于星敏感器成像误差的平方，则所述第j个观测星与所述第j’个导航星匹配成功，第i个导航星的模式匹配成功的个数NUM（i）=NUM（i）+1；记录匹配成功的观测星的位置编号，匹配成功的导航星在主星表中的编号；然后转入步骤（5.5）；

如果大于星敏感器成像误差的平方，则返回步骤（5.7）；

（5.10）取NUM（i）,i=1,2,,M中的最大值，判断所述最大值是否大于数量门限值；

若所述最大值大于数量门限值，则星图识别成功，输出所述最大值对应的所有匹配成功的观测星的位置编号以及所有匹配成功的导航星在主星表中的编号；

否则，星图识别失败。

当观测星a的模式一与导航星Nstar_i的模式一之差的绝对值小于等于星敏感器成像误差时，则该导航星Nstar_i为满足模式一匹配条件的导航星。

观测星集合中每个观测星的位置编号通过如下方法确定；

将标准星图分成dim×dim个子区域，对于每一个子区域细分成9个部分；

判断每个观测星标准坐标(x3(j),y3(j))是否满足下列条件：

$\left\{\begin{array}{c}X*\mathrm{unit}+\mathrm{\&delta;}<x3\left(j\right)<(X+1)*\mathrm{unit}-\mathrm{\&delta;}\\ Y*\mathrm{unit}+\mathrm{\&delta;}<y3\left(j\right)<(Y+1)*\mathrm{unit}-\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.;$

如果满足，则该观测星的位置编号仅为：Zbn(j)=Y*dim+X；

其中，X=取整(x3(j)/unit);Y=取整(y3(j)/unit)，unit为子区域的大小；δ为星敏感器成像误差；

如果不满足，则该观测星的位置编号除了为Y*dim+X之外；并在观测星集合中增加与该观测星标准坐标相同的观测星；其中，增加的观测星的位置编号根据如下方法确定：

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足：Y*unit<|y3(j)|<Y*unit+δ

则位置编号为：Zbn2(j)=(Y-1)*dim+X；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足X*unit<x3(j)<X*unit+δ

则位置编号为：Zbn3(j)=Y*dim+X-1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(Y+1)*unit-δ<|y3(j)|<(Y+1)*unit

则位置编号为：Zbn4(j)=(Y+1)*dim+X；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(X+1)*unit-δ<x3(j)<(X+1)*unit

则位置编号为：Zbn5(j)=Y*dim+X+1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x(j)-X*unit)²+(|y3(j)|-Y*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn6(j)=(Y-1)*dim+X-1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-(X+1)*unit)²+(|y3(j)|-Y*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn7(j)=(Y-1)*dim+X+1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-X*unit)²+(|y3(j)|-(Y+1)*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn8(j)=(Y+1)*dim+X-1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-(X+1)*unit)²+(|y3(j)|-(Y+1)*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn9(j)=(Y+1)*dim+X+1。

将星敏感器光轴指向导航星Nstar_i时的标准星图分成dim×dim个子区域，根据导航星集合中每个导航星Nstar_j'的标准坐标(x'3(j'),y'3(j'))确定每个导航星Nstar_j'的位置编号Zbn(j′)的公式如下：

Zbn(j′)=Y*dim+X，Y=取整(y′3(j′)/unit)，X=取整(x′3(j′)/unit);unit为子区域的大小。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的星图识别方法给出了观测星模式建立方法，观测星的模式包括：离光轴最近的观测星与其最近邻星间的距离；每个观测星在星图中的位置编号，每个观测星的标准坐标。并用同样的方法建立导航星模式数据库。该模式建立方法与经典的网格算法相比大大减少了模式数据库所占的存储空间。

本发明提出了一种模式匹配的方法，首先判断模式一是否匹配，在模式一匹配成功的条件下，再判断模式二是否匹配……，这种逐次判断的方法提高了识别的速度，而在模式三，也就是星点坐标匹配时，引入匹配门限，根据星敏感器的使用精度，可以方便的调整该门限值的大小，不影响需要的存储空间和处理时间，便于工程应用，而传统的基于角距匹配的识别算法，改变匹配门限后。算法的中间匹配结果的大小和算法的运行时间都将改变，增大了软件调试的复杂度，不利于工程应用。

本发明提出了一种观测星点坐标位置编号的计算方法，该方法首先对星图进行分区，然后在进行星点所在位置编号的计算。对位于子区域边缘的星点，给出了对误差具有鲁棒性的处理方法。该处理方法可以充分利用每一个观测星的信息，提高了对误差的适应性。

因此，该发明在所占存储空间、识别速度、软件调试复杂度等方面均有更大的优势，便于工程应用。

附图说明

图1为星图处理过程示意图；

图2为标准星图分为dim×dim个区域的示意图；

图3为星敏感器存在测量误差条件下，观测星点可能的分布情况；

图4为星图子区域细划分；

图5地心惯性坐标系定义OX_IY_IZ_I及其与星敏感器坐标系O'X_dY_dZ_d间的转换关系；

图6星敏感器体坐标系O'X_dY_dZ_d和CCD图像坐标系O'X_CCDY_CCD的定义；

图7为模式识别流程图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

下面以某星敏感器为例，介绍本发明自主星图识别方法的最佳实施例。该星敏感器视场大小10°×10°（用像素数表示为512×512），像素角距离当量k=0.019663°/像素，焦距f=57.1893°，星敏感器体坐标系O'X_dY_dZ_d和CCD图像坐标系O'X_CCDY_CCD的定义如图6所示。

一、星图预处理获得观测星集合

（1）误差补偿：

星敏感器在使用前通常需要进行精确标定，然后再进行误差补偿，补偿公式通常和具体使用的星敏感器有关，该星敏感器拍摄的星图经过补偿后的结果如图1中的（A）所示。

（2）双星的删除

计算任意两颗恒星之间的角距，对于距离小于一定距离门限ξ（具体的门限根据星敏感器精度确定）的两颗观测星，去掉星等高的一颗，保留的观测星组成观测星集合。

二、转换为标准坐标，获得观测星的标准星图。

（1）星点坐标平移

选取距离光轴（即CCD图像坐标系原点）最近的一颗星，标记为观测星a，并选取距离观测星a最近的一颗星，标记为观测星b。将CCD图像坐标系中的原点平移至观测星a的位置，获得平移后的坐标系（如图1中的（B）所示）及平移后的观测星坐标x1(j)，y1(j)。

（2）星点坐标旋转

星图旋转φ弧度，使

与CCD图像坐标系的

轴重合，如图1中的（C）所示。坐标旋转计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}x2\left(j\right)=x1\left(j\right)\cos \mathrm{\&phi;}+y1\left(j\right)\sin \mathrm{\&phi;}\\ y2\left(j\right)=-x1\left(j\right)\sin \mathrm{\&phi;}+y1\left(j\right)\cos \mathrm{\&phi;}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，φ为

与

轴之间的角度，x2(j)，y2(j)为新坐标。

（3）星点坐标平移

为了便于编号将星点坐标原点平移到（256*k,-256*k）（步骤（2）中经过坐标旋转后的坐标系中的点）处，从而获得所述标准坐标系及观测星的标准坐标。。平移后的星图作为标准星图，如图1中的（D）所示，平移后的星点坐标作为标准坐标x3(j),y3(j)。

三、建立观测星的模式

（1）观测星模式一的选取

将观测星a与观测星b之间的距离作为观测星a的模式一（记作pat1_a）；

（2）观测星模式二的选取

对图1中的星图（D）进行分区，分为dim×dim个区域，如图2所示，并对dim×dim个区域进行统一编号，进行分区。分区后的最小单位unit应该小于任意两个导航星之间的最小距离，也就是可以等于所述距离门限ξ（ξ为双星删除的门限值）。通过下列计算，可得到各星点坐标所在区域位置的编号Zbn(j)。将这些位置编号作为观测星a的模式二（记作pat2_a（j）,j=1,2，……N）；

最小单位为：unit=k*512/dim；

令X=取整(x3(j)/unit);

Y=取整(取绝对值(y3(j)/unit));

则星点编号为：Zbn(j)=Y*dim+X。        （2）

由于CCD成像系统的各种误差的影响，和这种分区的局限性，有可能出现观测星所在区域的理想编号与实测的不一致，例如，实际测试的观测星位于图3中的子区域I中，由于误差的影响，理想的星点有可能位于II～IX区。由于匹配的时候，先比对编号，在编号相同的情况下再比对星点坐标，因此若编号出现偏差，就会造成该观测星的匹配失败或误匹配。采取如下处理方法，则会减少这种情况的出现。也就是在存在较大的测量误差时，也会减少位于子区域边缘的观测星的匹配失败的概率。

如图4所示，对dim×dim个区域中的每一个子区域进行细分成9个部分，当观测星的坐标位于图4中2～9的区域时，其编号除了为Y*dim+X之外，并分配其它的可能的编号。例如，当观测星的位置在子区域I中的2范围内时，由于测试误差的存在，则该观测星理想的位置可能是图3中的子区域I，也可能是子区域II。则该种情况下进行扩展，将该观测星看作是两个观测星，并分别分配子区域I，II对应的编号，其它的模式信息相同，类似的，当位于其它位置时，也做这种处理，详细的过程如下：

①判断每个观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))是否满足下列条件

$\left\{\begin{array}{c}X*\mathrm{unit}+\mathrm{\&delta;}<x3\left(j\right)<(X+1)*\mathrm{unit}-\mathrm{\&delta;}\\ Y*\mathrm{unit}+\mathrm{\&delta;}<y3\left(j\right)<(Y+1)*\mathrm{unit}-\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.$

如果满足，则该观测星的位置编号为：Zbn(j)=Y*dim+X；其中δ为星敏感器的成像误差。

如果不满足，则该观测星的位置编号为Y*dim+X；并在观测星集合中增加一个与该观测星标准坐标相同的观测星；其中，增加的观测星的位置编号根据如下方法确定：

②若观测星的位置位于图4中区域2中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满足：

Y*unit<|y3(j)|<Y*unit+δ

则星点位置编号为：Zbn2(j)=(Y-1)*dim+X

③若观测星的位置位于图4中区域3中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满

X*unit<x3(j)<X*unit+δ

则星点位置编号为：Zbn3(j)=Y*dim+X-1

④若观测星的位置位于图4中区域4中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(Y+1)*unit-δ<|y3(j)|<(Y+1)*unit

则星点位置编号为：Zbn4(j)=(Y+1)*dim+X

⑤若观测星的位置位于图4中区域5中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(X+1)*unit-δ<x3(j)<(X+1)*unit

则星点位置编号为：Zbn5(j)=Y*dim+X+1

⑥若观测星的位置位于图4中区域6中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x(j)-X*unit)²+(|y3(j)|-Y*unit)²<δ²

则星点位置编号为：Zbn6(j)=(Y-1)*dim+X-1

⑦若观测星的位置位于图4中区域7中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-(X+1)*unit)²+(|y3(j)|-Y*unit)²<δ²

则星点位置编号为：Zbn7(j)=(Y-1)*dim+X+1

⑧若观测星的位置位于图4中区域8中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-X*unit)²+(|y3(j)|-(Y+1)*unit)²<δ²

则星点位置编号为：Zbn8(j)=(Y+1)*dim+X-1

⑨若观测星的位置位于图4中区域9中，即星点标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-(X+1)*unit)²+(|y3(j)|-(Y+1)*unit)²<δ²

则星点位置编号为：Zbn9(j)=(Y+1)*dim+X+1

（3）观测星模式三的选取

将标准的星点坐标x3(j),y3(j)作为观测星a的模式三,记作pat3_a(j)),j=1,2…N。

四、建立主星表

①导航星选取：

选择满足一定星等条件的导航星组成导航星集合，导航星的星等范围应该包含星敏感器能测量到的（或经过筛选之后的）星等范围。

②双星删除：计算导航星集合中任意两颗恒星之间的角距，对于距离小于一定距离门限ξ（与观测星双星删除的门限值相同）的两颗导航星，去掉星等高的一颗，剩余的导航星组成一个集合，作为主星表。

③主星表的数据结构

主星表由每一颗导航星在主星表中的编号、每一颗导航星的赤经、赤纬和星等组成，其中导航星在主星表中的编号按导航星赤经递增顺序编排。

五、导航星模式数据库的建立

假设星敏感器光轴指向依次取遍主星表中的导航星，计算光轴指向每一颗导航星条件下的模式，即每一颗导航星的模式。该过程可以分三步实现。对任意一颗导航星Nstar_i，首先计算光轴指向它时的视场范围内的导航星，然后计算视场范围内的这些导航星在CCD图像坐标系下的坐标，最后经过转换得到标准的星点坐标。下面以计算任一颗导航星Nstar_i模式的计算为例，详细阐述该过程。

①.计算星敏感器光轴指向该导航星Nstar_i时星敏感器视场范围内的导航星集合：

I.确定光轴指向

光轴指向即为导航星Nstar_i的赤经和赤纬；其中赤经（α_i,α_i∈[0° 360°]），

赤纬（β_i,β_i∈[-90°,90°]）。

II.计算赤经跨度范围

$\mathrm{RangeRa}=\left\{\begin{array}{cc}360\&times;\arcsin (b_s/2/\cos \left({\mathrm{\&beta;}}_i\right))/\mathrm{\&pi;}& \cos \left({\mathrm{\&beta;}}_i\right)>h_s/2\\ 180& \cos \left({\mathrm{\&beta;}}_i\right)=h_s/2\\ 360-\{(360/\mathrm{\&pi;})\&times;\mathrm{rac}\cos [(h_s/2-\cos \left({\mathrm{\&beta;}}_i\right))/\cos \left]\left({\mathrm{\&beta;}}_i\right)\right\}& \cos \left({\mathrm{\&beta;}}_i\right)<h_s/2\end{array}\right.$

其中：b_s=2sin(FOV_x/2);h_s=2sin(FOV_y/2)*sin(β_i)；

FOV_x,FOV_y为视场大小。

III.在主星表中搜索视场内的导航星

视场内的导航星赤经和赤纬(α,β)需满足如下条件，并保存成为集合Nsubi。

$\left\{\begin{array}{cc}\left(\right|\mathrm{\&alpha;}-{\mathrm{\&alpha;}}_i|\&le;\frac{\mathrm{RangeRa}}{2})\&cap;\left(\right|\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}_i|\&le;\frac{{\mathrm{FOV}}_y}{2});& \frac{\mathrm{RangeRa}}{2}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_i<360-\frac{\mathrm{RangeRa}}{2}\\ \left(\right|\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}_i|\&le;\frac{{\mathrm{FOV}}_y}{2})\&cap;[(\mathrm{\&alpha;}>{\mathrm{\&alpha;}}_i-\frac{\mathrm{RangeRa}}{2})\&cup;(\mathrm{\&alpha;}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_i+\frac{\mathrm{RangeRa}}{2}-360)];& {\mathrm{\&alpha;}}_i\&GreaterEqual;360-\frac{\mathrm{RangeRa}}{2}\\ \left(\right|\mathrm{\&beta;}-{\mathrm{\&beta;}}_i|\&le;\frac{{\mathrm{FOV}}_y}{2})\&cap;[(\mathrm{\&alpha;}\&le;{\mathrm{\&alpha;}}_i+\frac{\mathrm{RangeRa}}{2})\&cup;(\mathrm{\&alpha;}\&GreaterEqual;{\mathrm{\&alpha;}}_i-\frac{\mathrm{RangeRa}}{2}+360)];& {\mathrm{\&alpha;}}_i<\frac{\mathrm{RangeRa}}{2}\end{array}\right.$

②.计算集合Nsubi中的任一导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系下的坐标

首先由光轴指向计算得到地心惯性系下的矢量和地心惯性系到星敏感器体坐标系的转换矩阵；然后地心惯性系下的矢量经坐标转换后得到星敏感器体坐标系下的矢量；最后根据焦距，星敏感器体坐标系和CCD图像坐标系之间的关系，计算得到CCD图像坐标系下的星点坐标。详细的过程如下：

I.计算导航星Nstar_j'在地心惯性坐标系下的矢量：

地心惯性坐标系OX_IY_IZ_I的定义如图5所示，导航星Nstar_j'在地心惯性坐标系矢量为：

${\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_j=\left[\begin{array}{c}{V}_{j^{\&prime;}x}\\ V_{j^{\&prime;}y}\\ j^{\&prime;}z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_{j^{\&prime;}}*{\cos \mathrm{\&beta;}}_{j^{\&prime;}}\\ \sin {\mathrm{\&alpha;}}_{j^{\&prime;}}*\cos {\mathrm{\&beta;}}_{j^{\&prime;}}\\ \sin {\mathrm{\&beta;}}_{j^{\&prime;}}\end{array}\right]$

其中β_j'为导航星Nstar_j'的赤纬，α_j'为导航星Nstar_j'的赤经（单位：弧度）

II.计算地心惯性系到星敏感器体坐标系的坐标转换矩阵

：

地心惯性坐标系OX_IY_IZ_I和星敏感器体坐标系O'X_dY_dZ_d的关系如图5所示，坐标转换矩阵可表示为：

$C_E^S=C_1\left({\mathrm{\&gamma;}}_i\right)C_2(-{\mathrm{\&beta;}}_i)C_3\left({\mathrm{\&alpha;}}_i\right)$

$=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\&gamma;}}_i& \sin {\mathrm{\&gamma;}}_i\\ 0& -{\sin \mathrm{\&gamma;}}_i& {\cos \mathrm{\&gamma;}}_i\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\&beta;}}_i& 0& -{\sin \mathrm{\&beta;}}_i\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\&beta;}}_i& 0& \cos {\mathrm{\&beta;}}_i\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i& {\sin \mathrm{\&alpha;}}_i& 0\\ -\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i& {\cos \mathrm{\&alpha;}}_i& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\cos (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i& \cos (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i& -\sin (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\\ \sin {\mathrm{\&gamma;}}_i\sin (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i-\cos {\mathrm{\&gamma;}}_i\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i& \sin {\mathrm{\&gamma;}}_i\sin (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i+\cos {\mathrm{\&gamma;}}_i\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i& \sin {\mathrm{\&gamma;}}_i\cos (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\\ \cos {\mathrm{\&gamma;}}_i\sin (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i+\sin {\mathrm{\&gamma;}}_i\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i& \cos {\mathrm{\&gamma;}}_i\sin (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\sin {\mathrm{\&alpha;}}_i-\sin {\mathrm{\&gamma;}}_i\cos {\mathrm{\&alpha;}}_i& \cos {\mathrm{\&gamma;}}_i\cos (-{\mathrm{\&beta;}}_i)\end{array}\right]$

式中α_i，β_i表示光轴的指向，α_i表示赤经，β_i表示赤纬；_γi表示横滚角，这里可以取0。。

III.计算导航星Nstar_j'在星敏感器体坐标系下的矢量

${\stackrel{\&RightArrow;}{S}}_{j^{\&prime;}}=\left[\begin{array}{c}{X^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}\\ {Y^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}\\ {Z^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}\end{array}\right]=C_E^S\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{j^{\&prime;}},$ 其中 $\left[\begin{array}{c}{X^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}\\ {Y^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}\\ {Z^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}\end{array}\right]$ 为星敏感器体坐标系下三个轴的坐标分量。

IV.计算导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系上的坐标(x'_j',y'_j')

星敏感器体坐标系O'X_dY_dZ_d和CCD图像坐标系O'X_CCDY_CCD之间的转换关系如图6所示,则导航星Nstar_j在CCD图像坐标系上的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{y^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}=f*\frac{{Y^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}}{{X^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}}\\ {x^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}=-f*\frac{{Z^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}}{{X^{\&prime;}}_{j^{\&prime;}}}\end{array}\right.$

其中，f为星敏感器的焦距。

由此可以得到集合Nsubi中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系下的星点坐标。

③.将集合Nsubi中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系下的坐标转换成标准坐标(x'3(j'),y'3(j'))；从而获得星敏感器光轴指向该导航星Nstar_i时的标准星图。

在集合Nsubi中确定与导航星Nstar_i距离最近的星，记为Nb，计算与CCD图像坐标系

轴之间的角度φ（单位弧度），坐标旋转φ，使

与

轴重合，计算公式同（1）式，并将星点坐标原点平移到（256*k,-256*k）处，并只保留以（256*k,-256*k）为中心，大小为(512·k)×(512·k)范围内的标准坐标。

④.导航星的模式确定

导航星Nstar_i与Nb之间的距离作为导航星Nstar_i的模式一，记作pat1_nstari。

将星敏感器光轴指向导航星Nstar_i时的标准星图分成dim×dim个子区域，根据导航星集合中每个导航星Nstar_j'的标准坐标(x'3(j'),y'3(j'))确定每个导航星Nstar_j'的位置编号Zbn(j′)的公式如下：

Zbn(j′)=Y*dim+X，X=取整(x′3(j′)/unit);Y=取整(y′3(j′)/unit)，unit为子区域的大小。

将这些编号Zbn(j′)作为导航星Nstar_i的模式二，记作pat2_nstari。

将集合Nsubi中的每一个导航星Nstar_j'标准坐标作为导航星Nstar_i的模式三，记作pat3_nstari。

最后将集合Nsubi中的每一个导航星Nstar_j在主星表中的编号做为导航星Nstar_i的模式四，记作pat4_nstari。

对主星表中的每一个导航星均按照导航星Nstar_i模式建立方法处理，得到所有导航星的模式，由此得到导航星模式数据库。

导航星模式数据库存储时，可以将每一个导航星的模式二、三、四放在一个数据结构中，如表1所示，并将其模式一与其余模式的数据结构建立链接，模式一按角距离递增顺序存储。

表1数据结构

pat2nstari	pat3nstari	pat4nstari
			编号1	星点坐标1	在主星表中的编号

六、观测星模式与导航星模式匹配

如图7所示，观测星模式与导航星模式匹配具体包括如下步骤：

（5.1）将观测星a的模式一与导航星模式数据库中的模式一进行比较，记录满足模式一匹配条件的所有导航星，假设有M个，分别记为导航星i，i=1…M。获取观测星a的模式二、三中的数据个数N；当观测星a的模式一与导航星Nstar_i的模式一之差的绝对值小于等于星敏感器成像误差时，即|pat1_a-pat1_nstari|≤δ，则该导航星Nstar_i为满足模式一匹配条件的导航星。

式中δ为星敏感器的成像误差，例如，δ可以取60角秒。

假设观测星的模式二、三中有N颗星，已经匹配过的模式二、三的个数记作j，假设任一导航星i的模式二、三、四中有N'颗星，已经匹配过的模式二、三的个数记作j'。

（5.2）令i=0；

（5.3）i=i+1，判断i是否大于M，当i小于等于M时，转入步骤（5.4）；当i大于M时，转入步骤（5.10）；

（5.4）NUM（i）=0，获得满足模式一匹配条件的第i个导航星的模式二、模式三中的数据；并获取所述第i个导航星的模式二中的数据个数N’;令j=0；

（5.5）j=j+1，判断j是否大于N；如果j大于N，则转入步骤（5.3）；如果j小于等于N，则转入步骤（5.6）；

（5.6）令j’=0；

（5.7）j’=j’+1;判断j’是否大于N’；如果大于N’；则转入步骤（5.5）；否则转入步骤（5.8）；

（5.8）判断观测星a的模式二中的第j个观测星的位置编号是否与所述第i个导航星的模式二中的第j’个导航星的位置编号相等；如果相等，则转入步骤（5.9）；如果不相等，则转入步骤（5.7）；

（5.9）根据观测星a的模式三中的第j个观测星的标准坐标与所述第i个导航星的模式三中的第j’个导航星的标准坐标计算两者的距离平方，判断所述距离平方是否小于等于星敏感器成像误差的平方；即||pat3_a(j)-pat3_i(j')||₂≤δ²，其中||pat3_a(j)-pat3_i(j')||₂表示两个星之间的距离的平方；

如果小于等于星敏感器成像误差的平方，则所述第j个观测星与所述第j’个导航星匹配成功，第i个导航星的模式匹配成功的个数NUM（i）=NUM（i）+1；记录匹配成功的观测星的位置编号，匹配成功的导航星在主星表中的编号；然后转入步骤（5.5）；

如果大于星敏感器成像误差的平方，则返回步骤（5.7）；

（5.10）取NUM（i）,i=1,2,,M中的最大值，判断所述最大值是否大于数量门限值；

若所述最大值大于数量门限值sm，则星图识别成功，输出所述最大值对应的所有匹配成功的观测星的位置编号以及所有匹配成功的导航星在主星表中的编号；根据导航星在主星表中的编号可以在主星表中找到对应的赤经、赤纬，根据所述观测星的位置编号可以查找到该观测星的误差补偿后的坐标信息；以便进行姿态结算。所述数量门限值sm（sm根据δ大小、导航星主星表中星的数量和试验统计数据确定，当δ为0.02°时，sm可以取5）；

否则，星图识别失败。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种自主星图识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）建立导航星模式数据库，导航星模式数据库中存储了主星表中的每一导航星Nstar_i的四个模式；对于主星表中的每一导航星Nstar_i，所述四个模式的确定方法如下：

计算星敏感器光轴指向该导航星Nstar_i时星敏感器视场范围内的导航星集合，

计算所述导航星集合中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系的坐标，

在所述导航星集合中，确定与导航星Nstar_i距离最近的导航星Nb，将所述导航星集合中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系的坐标转换成标准坐标，从而获得星敏感器光轴指向该导航星Nstar_i时的标准星图；

将导航星Nstar_i与Nb之间的距离作为导航星Nstar_i的模式一；

根据导航星集合中每个导航星Nstar_j'的标准坐标确定每个导航星Nstar_j'的位置编号；将导航星集合中所有导航星的位置编号作为导航星Nstar_i的模式二；

将导航星集合中所有导航星的标准坐标作为导航星Nstar_i的模式三；

将导航星集合中所有导航星在主星表中的编号作为导航星Nstar_i的模式四；

（2）对星敏感器获得的星图进行预处理获得观测星集合；

（3）在观测星集合中，选取距离星敏感器光轴最近的一颗星，标记为观测星a；确定与观测星a距离最近的观测星，标记为观测星b；将观测星集合中每个观测星在CCD图像坐标系中的坐标转换成标准坐标，从而获得观测星的标准星图；

（4）将观测星a与观测星b之间的距离作为观测星a的模式一；根据观测星集合中每个观测星的标准坐标确定每个观测星的位置编号，将观测星集合中的所有观测星的位置编号作为观测星a的模式二；将观测星集合中的所有观测星的标准坐标作为观测星a的模式三；

（5）将观测星a的模式一、模式二和模式三分别与导航星模式数据库中存储的模式一、模式二、模式三进行比较，获得识别结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述主星表的建立方法如下：

选择满足一定星等条件的导航星组成第一导航星集合；

计算第一导航星集合中任意两颗导航星之间的角距，对于距离小于距离门限ξ的两颗导航星，去掉星等较高的一颗，剩余的导航星作为主星表中的导航星；

所述主星表中存储了每一颗导航星在主星表中的编号、赤经、赤纬和星等，其中导航星在主星表中的编号按导航星赤经递增顺序编排。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，将导航星Nstar_i的模式二、三、四放在一个数据结构中，并将该导航星Nstar_i的模式一与所述数据结构建立链接。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述导航星集合中的每一个导航星Nstar_j'在CCD图像坐标系的坐标转换成标准坐标的方法如下：

将CCD图像坐标系旋转角度φ获得旋转后的坐标系及旋转后的坐标，其中φ为

与CCD图像坐标系的

的夹角；

将旋转后的坐标系进行平移使得坐标原点平移到（256*k,-256*k）处；从而获得所述标准坐标系及导航星Nstar_j'的标准坐标。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中预处理的方法如下：

对星敏感器获得的星图进行误差补偿获得误差补偿后的星图；

对误差补偿后的星图，计算任意两颗星之间的角距，对于距离小于距离门限ξ的两颗观测星，去掉星等高的一颗，剩余的观测星组成观测星集合。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：对观测星集合中每个观测星在CCD图像坐标系中的坐标进行转换获得每个观测星的标准坐标的实现方法如下：

（3.1）将CCD图像坐标系中的原点平移至观测星a的位置，获得平移后的坐标系及平移后的观测星坐标；

（3.2）将平移后的坐标系旋转角度φ获得旋转后的坐标系及旋转后的观测星坐标；其中φ为

与CCD图像坐标系的

轴的夹角；

（3.3）将旋转后的坐标系进行平移，使得坐标原点平移到（256*k,-256*k）处；从而获得所述标准坐标系及观测星的标准坐标。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（5）具体包括如下步骤：

（5.1）将观测星a的模式一与导航星模式数据库中的模式一进行比较，记录满足模式一匹配条件的所有导航星的个数，假设有M个；获取观测星a的模式二、三中的数据个数N；

（5.2）令i=0；

（5.3）i=i+1，NUM（i）=0；判断i是否大于M，当i小于等于M时，转入步骤（5.4）；当i大于M时，转入步骤（5.10）；

（5.4）获得满足模式一匹配条件的第i个导航星的模式二、模式三中的数据；并获取所述第i个导航星的模式二中的数据个数N’;令j=0；

（5.5）j=j+1，判断j是否大于N；如果j大于N，则转入步骤（5.3）；如果j小于等于N，则转入步骤（5.6）；

（5.6）令j’=0；

（5.7）j’=j’+1;判断j’是否大于N’；如果大于N’；则转入步骤（5.5）；否则转入步骤（5.8）；

（5.8）判断观测星a的模式二中的第j个观测星的位置编号是否与所述第i个导航星的模式二中的第j’个导航星的位置编号相等；如果相等，则转入步骤（5.9）；如果不相等，则转入步骤（5.7）；

（5.9）根据观测星a的模式三中的第j个观测星的标准坐标与所述第i个导航星的模式三中的第j’个导航星的标准坐标计算两者的距离平方，判断所述距离平方是否小于等于星敏感器成像误差的平方；

如果小于等于星敏感器成像误差的平方，则所述第j个观测星与所述第j’个导航星匹配成功，第i个导航星的模式匹配成功的个数NUM（i）=NUM（i）+1；记录匹配成功的观测星的位置编号，匹配成功的导航星在主星表中的编号；然后转入步骤（5.5）；

如果大于星敏感器成像误差的平方，则返回步骤（5.7）；

（5.10）取NUM（i）,i=1,2,,M中的最大值，判断所述最大值是否大于数量门限值；

若所述最大值大于数量门限值，则星图识别成功，输出所述最大值对应的所有匹配成功的观测星的位置编号以及所有匹配成功的导航星在主星表中的编号；

否则，星图识别失败。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：当观测星a的模式一与导航星Nstar_i的模式一之差的绝对值小于等于星敏感器成像误差时，则该导航星Nstar_i为满足模式一匹配条件的导航星。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：观测星集合中每个观测星的位置编号通过如下方法确定；

将标准星图分成dim×dim个子区域，对于每一个子区域细分成9个部分；

判断每个观测星标准坐标(x3(j),y3(j))是否满足下列条件：

$\left\{\begin{array}{c}X*\mathrm{unit}+\mathrm{\&delta;}<x3\left(j\right)<(X+1)*\mathrm{unit}-\mathrm{\&delta;}\\ Y*\mathrm{unit}+\mathrm{\&delta;}<y3\left(j\right)<(Y+1)*\mathrm{unit}-\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.;$

如果满足，则该观测星的位置编号仅为：Zbn(j)=Y*dim+X；

其中，X=取整(x3(j)/unit);Y=取整(y3(j)/unit)，unit为子区域的大小；δ为星敏感器成像误差；

如果不满足，则该观测星的位置编号除了为Y*dim+X之外；并在观测星集合中增加与该观测星标准坐标相同的观测星；其中，增加的观测星的位置编号根据如下方法确定：

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足：Y*unit<|y3(j)|<Y*unit+δ

则位置编号为：Zbn2(j)=(Y-1)*dim+X；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足X*unit<x3(j)<X*unit+δ

则位置编号为：Zbn3(j)=Y*dim+X-1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(Y+1)*unit-δ<|y3(j)|<(Y+1)*unit

则位置编号为：Zbn4(j)=(Y+1)*dim+X；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(X+1)*unit-δ<x3(j)<(X+1)*unit

则位置编号为：Zbn5(j)=Y*dim+X+1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x(j)-X*unit)²+(|y3(j)|-Y*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn6(j)=(Y-1)*dim+X-1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-(X+1)*unit)²+(|y3(j)|-Y*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn7(j)=(Y-1)*dim+X+1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-X*unit)²+(|y3(j)|-(Y+1)*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn8(j)=(Y+1)*dim+X-1；

若观测星的标准坐标(x3(j),y3(j))满足

(x3(j)-(X+1)*unit)²+(|y3(j)|-(Y+1)*unit)²<δ²

则位置编号为：Zbn9(j)=(Y+1)*dim+X+1。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将星敏感器光轴指向导航星Nstar_i时的标准星图分成dim×dim个子区域，根据导航星集合中每个导航星Nstar_j'的标准坐标(x'3(j'),y'3(j'))确定每个导航星Nstar_j'的位置编号Zbn(j′)的公式如下：

Zbn(j′)=Y*dim+X，Y=取整(y′3(j′)/unit)，X=取整(x′3(j′)/unit);unit为子区域的大小。

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