CN103852079A - 一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法 - Google Patents

一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法，本发明涉及船舶天文导航方法。本发明是要解决现有定位导航方法定位精度低、基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法定位导航技术受到天气和海况的影响、克服卫星导航信号易受干扰、惯性导航设备误差随时间发散不足的问题。（1）剖分史密松森星表并建立特征星库；（2）垂直于船舶平面正上方拍摄星图；（3）比较两个可能星集合中星之间的星角距，星角距最小的即为所求星对，实现星图识别；（4）根据拍摄时船舶读取的倾斜角，确定真天顶赤经和赤纬，结合准确时间，即完成了一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法。本发明属于船舶导航技术领域。

Description

一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法
技术领域
本发明涉及船舶天文导航方法。
背景技术
目前国内外有三种天文导航的体系结构。第一种是以航海中使用的六分仪为基础的天文导航系统。二战以后该方法开始大量应用，在先进导航技术发展的今天舰船航海中仍然保留有游标卡尺六分仪和机械六分仪导航手段，它是使用天文钟和航海天文历通过天体的高度差原理来定位，这种机械六分仪导航方法成为一种基本航海技能。当然此种技术和设备现已演化出电子六分仪。但这种系统的自治程度和自动化程度相对较低。对计算机中的天文历进行查询以获得恒星的格林时角和赤纬信息，结合被观测天体的高度信息，对其进行具体定位。
星库建立：星图识别的概念由Soosaar、Vagle和Iuzzalino在1969年率先提出。星图识别是指将天空中星体的所有特征（如星等、相邻星体的角距）预先存储到计算机的数据库中，建立导航星表数据库。根据星体特征，对星敏感器在某片星空中拍摄到的星体与导航星数据库中的导航星进行匹配，以确定被观测星体的名称及在星空中的准确位置。但是由于现有的特征星库单星体星均特征值少，导致只能对较大视场下拍摄的星图进行识别。
星图识别：第一种方法是基于同构思想进行星图识别。采用这种方法时，将星体作为定点，星体之间的距离用星角距来表示，依据星体星等和星体间的星角距进行识别。三角识别法、星角距识别法、匹配组识别法和多边形识别法都属于这种方法。第二种方法是基于图像识别思想进行星图识别。这种方法将被测星体与其临近星空区域的特点作为识别特征，将被测星体与存储在导航星表中的导航星进行特征匹配从而完成识别过程，再进一步确定被测星体的名称及确切位置。神经网络法、栅格识别法和奇异值识别法都属于这种方法。K.Ha和D.Mortari将星角距作为识别特征，提出了星角距识别法。所谓星角距识别法，是指在星敏感器捕获到数目充足的星体时，将其中的两颗被测星体的星等和它们之间的星角距作为特征，将被测星体与计算机星数据库中导航星表中的星进行匹配从而完成星图识别，确定被测星体名称具体位置的方法。星角距识别法的识别效果比较好，但因其对星敏感器的精度和可靠性有较高的要求，导致其执行起来比较困难。
发明内容
本发明是要解决现有定位导航方法定位精度低、基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法定位导航技术受到天气和海况的影响、克服卫星导航信号易受干扰、惯性导航设备误差随时间发散不足的问题，而提供了一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法。
基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法包括以下步骤：
（1）使用delaunay三角剖分方法剖分史密松森星表并建立特征星库；
（2）垂直于船舶平面正上方拍摄星图，使用delaunay三角剖分法剖分星图，从星图中取出临近双星，取出双星的弧度剖分向量在特征星库中进行模糊匹配，得到两个可能星点特征向量X、Y，同时从船舶水平仪中读取倾斜角度；
（3）比较两个可能星点特征向量X、Y中星之间的星角距，星角距最小的即为所求星对，实现星图识别；
（4）根据拍摄时船舶读取的倾斜角，确定真天顶赤经和赤纬，结合准确世界时，确定船舶经度和纬度，实现船舶定位，即完成了一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法。
发明效果：
本发明克服了航行船舶在干扰下无法进行卫星导航、长航时下惯性导航系统误差发散等缺点，构建了一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶全自主、高精度的天文导航方法，它有着如下优点：（1）采用星光弧度向量特征作为比较量的天文导航方法，仅需利用船载星敏感器和船舶水平仪，而不需要额外增加其他硬件设备，船舶也不与外界交换任何信息，该方法可以定义为一种完全自主的导航方法；（2）采用双星模糊识别算法，克服了如三角形识别等方法存在的特征信息量少、识别精度低以及识别速度慢等缺点，该方法能够在同一张星图中取得更多的特征信息和实现更快更准确的星识别。
采用以恒星之间构成的独特的位置关系，提取出以恒星为识别体弧度剖分识别向量，通过模糊查找该向量完成船舶上垂直拍摄星图的识别过程，根据识别出的恒星位置实现船舶的导航定位。
本发明涉及船舶导航技术领域，可用于船舶夜间无源导航定位，属于船舶导航技术领域，可应用于长航时强干扰的夜间船舶导航参数的确定。特别涉及一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法，适用于夜间船舶无源导航定位。
本发明的原理是：因为天文导航的导航信标为自然天体，自然天体的位置与运动都是具有固有规律的，它们在特定时刻的相对位置矢量是可以精确计算得到的，因此在海上长时间航行过程中那些便于拍摄的自然天体就构成了为船舶导航的信标，通过对拍摄星图的识别、计算，就可以获得船舶的所在位置。具体方法是首先建立以星为顶点的Delaunay三角剖分特征星库，即用来比较的标准特征星库，然后垂直于船体平面正上方拍摄的星图，使用delaunay三角剖分法剖分该星图。从中取出临近双星，取出双星的弧度剖分向量在特征星库中进行模糊匹配，得到两个可能星集合，然后再比较两个可能星集合中星之间的星角距，星角距最小的即为所求星对，实现星图识别，最后根据拍摄时船舶读取的倾斜角，确定真天顶赤经和赤纬，结合准确时间，确定船舶经度和纬度，实现船舶定位。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是具体实施方式一中的剖分的星图保存成为基准特征星库图；
图3是仿真试验在星空模拟软件中的模拟星空截图；其中，白色圆点为图像中心点；
图4是仿真试验中的星点剖分图；
图5是仿真试验中的根据倾斜角在星图确定真天顶赤经和赤纬图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法包括以下步骤：
（1）使用delaunay三角剖分方法剖分史密松森星表并建立特征星库；
（2）垂直于船舶平面正上方拍摄星图，使用delaunay三角剖分法剖分星图，从星图中取出临近双星，取出双星的弧度剖分向量在特征星库中进行模糊匹配，得到两个可能星点特征向量X、Y，同时从船舶水平仪中读取倾斜角度；
（3）比较两个可能星点特征向量X、Y中星之间的星角距，星角距最小的即为所求星对，实现星图识别；
（4）根据拍摄时船舶读取的倾斜角，确定真天顶赤经和赤纬，结合准确世界时，确定船舶经度和纬度，实现船舶定位，即完成了一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤（1）所述的特征星库是使用delaunay三角剖分SAO星表，以每一颗星作为一个特征标示，将这颗星周围的2π空间剖分成的不同弧度值存入数据库其表结构为星名、弧度值1、弧度值2…弧度值n的表中，成为特征星库。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤（2）所述的双星的弧度剖分向量在特征星库中进行模糊匹配具体步骤是：
一、在星图中取出可能星点特征向量X、Y；
二、将可能星点特征向量X、Y模糊比较特征星库中每个星点特征向量特征；其中，所述模糊比较的具体方法是：通过比较特征星库中每个星点特征向量的差异度量的平均值来描述,在可能星点特征向量X、Y中查找最相近元素采用的是笛卡尔积对应比较法：
X×Y={(xi,yi)}{(x,y)x∈X,y∈Y}
上式用一个矩阵来表示
x 1 x 2 . . . x n . . . x 1 x 2 . . . x n y 1 y 1 y 1 y 1 . . . y n y n y n y n
推出该笛卡尔积的距离公式：
x 1 x 2 . . . x n . . . x 1 x 2 . . . x n y 1 y 1 . . . y 1 . . . y m y m . . . y m | x 1 - y 1 | | x 2 - y 2 | . . . | x n - y 1 | . . . | x 1 - y m | | x 2 - y m | . . . | x n - y m |
可能星点特征向量X、Y的相似度就可以表示为
Σ i = 1 n Σ j = 1 m min ( | x i - y j | ) min ( n , m )
上式将可能星点特征向量X、Y中的元素按照最相近方式进行匹配，并求出差异度量，求出差异度量期望，即为相似度的数值表示，数值越小相似度越大，n表示可能星点特征向量X中向量个数；m表示可能星点特征向量Y中向量个数；xi集合X中的某一个弧度值，yi集合Y中的某一个弧度值；i表示集合X中元素的标号，j表示集合Y中元素的标号。
利用相似度方法获得待识别星图中两个相邻星点的可能星集合，可能星集合是由与待识别星最相近的50颗星构成的型集合。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤（3）所述的比较两个可能星集合中星之间的星角距，其具体过程是：将两个可能星集合命名为集合A、B，从集合A中取出一颗星的赤经与赤纬依次计算与集合B中每颗星的星角距，保留其中星角距最小值，再从集合A中取出另一颗星的赤经与赤纬依次计算与集合B中每颗星的星角距，如果这次比较的最小值是比已保留的最小值还要小，就将这个值替换原来保留的最小值，如果这次比较的最小值不是比已保留的最小值小，就保留的原来的最小值，直到集合A中的所有星全部取完，找到星角距最小的即为所求星对。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤（4）所述根据拍摄时船舶读取的倾斜角，确定真天顶赤经和赤纬，结合此刻世界时，确定船舶经度和纬度，实现船舶定位具体是根据船舶水平仪读取船舶俯仰角、横摇角，根据找到真天顶点该点即为船舶在天球上的投影，根据星图上星角距相对像素大小及识别出星的赤经与赤纬，计算真天顶赤经与赤纬，结合准确地世界时，将赤经与赤纬换算成经度和纬度，实现船舶定位。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
仿真实验：
首先在星空模拟软件中截取一个星图（所有恒星星等均已筛选为7.0），如图3所示，白色圆点为图像中心点。
此图是模拟星敏感器在舰船上星空取景图，白色圆点为取景器中心,该点不参与delaunay三角剖分，但是参与舰船的定位工作。
将图3中的星点进行三角剖分，得到图4。
经过对星点剖分我们可以得到一个关于这张星图的剖分表，表1。
表1Delaunay三角剖分表
Figure BDA0000480374440000061
选取编号为27、29的相邻星点作为星图识别特征点，其特征集合如表1所示，编号27的特征集为
{1.282931102302372,1.427892223185747,1.755692537625416,1.816669444066052}，编号29的特征集合为{1.351580335023664,1.430114721308593,1.012486599438500,1.371326368039700,1.117677283369129}。
将以上两个特征集合使用模糊匹配算法到已建好的数据库中逐一查找，在经过大量的实验发现查找比对的可能星集合中的元素在50个左右为宜，若大于50个可能星元素不但会导致计算更复杂、计算时间更长，还会使得匹配的错误率增加；可是如果小于50个星元素有可能会导致集合中不包含真实的星元素，导致无法匹配。经过程序的查找和比对下表列出了下表2，为查找到的可能恒星及其相似度。
表2可能恒星与相似度表
Figure BDA0000480374440000071
我们认为在这两个可能星集合内存在着要寻找恒星星点，而且这两个星点之间的角距是最近的，按照这个思路我们将编号27的可能星集合中的赤经和赤纬从数据库中取出，与同样从数据库取出的编号29的可能星的赤经和赤纬做求角距运算。这样得到的至最小的就是那两颗需要辨识的星。具体的运算过程是将两个星集合中的赤经赤纬做三个维度上笛卡尔积造作，也就是说将赤经和赤纬作为一个序偶对元素与另一个赤经和赤纬序偶对元素做笛卡尔积，这样就会使集合中每个星点与另一个集合中的每个星点都对应一次且只对应一次。由于每个集合有50个可能星点元素，因此所形成的笛卡尔积结果为50×50=2500个元素。
在SAO星表中查询两个可能星集合的角距表。
表3可能星角距表
Figure BDA0000480374440000091
通过查找2500个结果中的最小值就可以找到其对应的要查找的星，它们分别是编号27的星点为“SAO132944”，编号29的星点为“SAO132924”。
通过该仿真实验可以看出，仅依靠图中29个星点，便可以识别出其中的恒星，该方法可以提供识别的特征值高达233个，而传统的三角识别方法仅为78个，这样就可以使用很小视场完成星识别过程，或者即使拍摄星图有云层遮挡，这要小部分星空可见也可完成星图识别操作，提高了系统的鲁棒性。

Claims (5)

1.一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法，其特征在于基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法包括以下步骤：
（1）使用delaunay三角剖分方法剖分史密松森星表并建立特征星库；
（2）垂直于船舶平面正上方拍摄星图，使用delaunay三角剖分法剖分星图，从星图中取出临近双星，取出双星的弧度剖分向量在特征星库中进行模糊匹配，得到两个可能星点特征向量X、Y，同时从船舶水平仪中读取倾斜角度；
（3）比较两个可能星点特征向量X、Y中星之间的星角距，星角距最小的即为所求星对，实现星图识别；
（4）根据拍摄时船舶读取的倾斜角，确定真天顶赤经和赤纬，结合准确世界时，确定船舶经度和纬度，实现船舶定位，即完成了一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法，其特征在于：步骤（1）所述的特征星库是使用delaunay三角剖分SAO星表，以每一颗星作为一个特征标示，将这颗星周围的2π空间剖分成的不同弧度值存入数据库其表结构为星名、弧度值1、弧度值2…弧度值n的表中，成为特征星库。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法，其特征在于：步骤（2）所述的双星的弧度剖分向量在特征星库中进行模糊匹配具体步骤是：
一、在星图中取出可能星点特征向量X、Y；
二、将可能星点特征向量X、Y模糊比较特征星库中每个星点特征向量特征；其中，所述模糊比较的具体方法是：通过比较特征星库中每个星点特征向量的差异度量的平均值来描述,在可能星点特征向量X、Y中查找最相近元素采用的是笛卡尔积对应比较法：
X×Y={(xi,yi)}{(x,y)x∈X,y∈Y}
上式用一个矩阵来表示
x 1 x 2 . . . x n . . . x 1 x 2 . . . x n y 1 y 1 y 1 y 1 . . . y n y n y n y n
推出该笛卡尔积的距离公式：
x 1 x 2 . . . x n . . . x 1 x 2 . . . x n y 1 y 1 . . . y 1 . . . y m y m . . . y m | x 1 - y 1 | | x 2 - y 2 | . . . | x n - y 1 | . . . | x 1 - y m | | x 2 - y m | . . . | x n - y m |
可能星点特征向量X、Y的相似度就可以表示为
Σ i = 1 n Σ j = 1 m min ( | x i - y j | ) min ( n , m )
上式将可能星点特征向量X、Y中的元素按照最相近方式进行匹配，并求出差异度量，求出差异度量期望，即为相似度的数值表示，数值越小相似度越大，n表示可能星点特征向量X中向量个数；m表示可能星点特征向量Y中向量个数；xi集合X中的某一个弧度值，yi集合Y中的某一个弧度值；i表示集合X中元素的标号，j表示集合Y中元素的标号。
4.根据权利要求3所述的一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法，其特征在于：步骤（3）所述的比较两个可能星集合中星之间的星角距，其具体过程是：将两个可能星集合命名为集合A、B，从集合A中取出一颗星的赤经与赤纬依次计算与集合B中每颗星的星角距，保留其中星角距最小值，再从集合A中取出另一颗星的赤经与赤纬依次计算与集合B中每颗星的星角距，如果这次比较的最小值是比已保留的最小值还要小，就将这个值替换原来保留的最小值，如果这次比较的最小值不是比已保留的最小值小，就保留的原来的最小值，直到集合A中的所有星全部取完，找到星角距最小的即为所求星对。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于双星顶点剖分弧度集合模糊匹配的船舶天文导航方法，其特征在于：步骤（4）所述根据拍摄时船舶读取的倾斜角，确定真天顶赤经和赤纬，结合此刻世界时，确定船舶经度和纬度，实现船舶定位具体是根据船舶水平仪读取船舶俯仰角、横摇角，根据找到真天顶点该点即为船舶在天球上的投影，根据星图上星角距相对像素大小及识别出星的赤经与赤纬，计算真天顶赤经与赤纬，结合准确地世界时，将赤经与赤纬换算成经度和纬度，实现船舶定位。
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