CN107576326B - 适用于高机动载体的星跟踪方法 - Google Patents

Abstract

适用于高机动载体的星跟踪方法，涉及天文导航技术领域，解决现有技术中载体高机动时星跟踪稳定性差的问题，首先在前邻时刻t星图已识别星像中选择距离图像中心最近的三颗星确定为三角形模模板，然后在时刻t+Δt星图中寻找与三角形模板匹配的三角形，估计星敏感器粗姿态及视轴粗指向，最后，将时刻t+Δt星图中未被识别星像点投影到赤惯坐标系，与星表中视轴附近天区的恒星坐标进行窗口比较，完成跟踪识别过程。本发明根据前邻时刻识别星像点间的图像距离即可在载体高动态下完成星跟踪功能，克服了传统窗口法对角速度信息的依赖，能够在载体机动性较强时完成星跟踪功能，性能稳定。

Description

适用于高机动载体的星跟踪方法

技术领域

本发明涉及天文导航技术领域，具体涉及一种适用于高机动载体的星跟踪 方法。

背景技术

近年来，具备自主定姿能力的星敏感器以其自主性强、精度高、成本低廉 等特点在航天领域得到了越来越广泛的应用，但自主定姿解决的是初始姿态捕 获的问题，也就是在“太空迷失”中如何确定自己的方向，因初始姿态捕获需要将 拍摄星图与全天球某星等下所有恒星比较，故时间较长。而在找到方向之后， 星敏感器应进入并稳定在跟踪识别阶段，为载体提供稳定的姿态数据，传统的 星跟踪采用窗口匹配法跟踪识别，在载体运动角速度较小时能较好工作，但是 对于如舰船、飞机、导弹等机动性较强的载体，传统的窗口跟踪法在没有辅以 角速度测量单元的情况下难以可靠稳定的工作，所以在载体高机动时星敏感器 如何能够稳定跟踪、进而能够为载体提供姿态信息事关重要。

发明内容

本发明为解决现有技术中载体高机动时星跟踪稳定性差的问题，提供一种 适用于高机动载体的星跟踪方法。

适用于高机动载体的星跟踪方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、计算t时刻拍摄星图中所有已识别星点距离图像中心的平面距离d_i， 将所述平面距离按升序排列，选出距离图像中心最近的三颗星像点构成三角形 模板，计算构成三角形模板的三角形边长的平面距离，组成三角形模板的匹配 特征d_m,n；

步骤二、构造两个数组，分别为二维数组A[N][p]和三维数组B[p][N][q]，N 为t+Δt时刻星图中提取的星像点数目，p为三角形模板边长序号，二维数组 A[N][p]为计数数组，三维数组B[p][N][q]用于记录星像点序号，计算t+Δt时刻星 图中，所有星像点两两之间的平面距离d_i,j，设置距离门限δ_d，将d_i,j按升序排列， 分别与步骤一中三角形模板匹配特征d_m,n按|d_i,j-d_m,n|≤δ_d比较，将符合条件的星 像点序号记录在三维数组B[p][N][q]中，所述二维数组A[N][p]进行相应计数；

遍历t+Δt时刻星图中提取的N个星像点，根据二维数组A[N][p]中计数值提 取三维数组B[p][N][q]中星像点序号，当所有星点在二维数组A[N][p]中计数值均 大于1时，三角形跟踪成功；

步骤三、根据恒星矢量在惯性坐标系和星敏感器坐标系下的几何关系， W＝AV，代入步骤二中已跟踪星像三角形的坐标数据，计算得到星敏感器坐标 系到惯性坐标系的姿态矩阵A^-1以及星敏感器视轴在赤惯坐标系中的粗指向 (α₀，β₀)；

步骤四、将时刻t+Δt星图中未被跟踪识别的星像点坐标转换为赤惯坐标系中 的坐标(α_i，β_i)；

步骤五、根据步骤三获得的星敏感器视轴在赤惯坐标系中的粗指向(α₀，β₀)， 提取能够被探测器探测的恒星(α_I，β_I)并组成集合I，将所述集合I与步骤四转换 为赤惯坐标系中的星像点坐标(α_i，β_i)按窗口法比较、识别，获得最终的匹配跟 踪结果，完成t+Δt时刻对t时刻的星跟踪。

本发明的有益效果：

本发明所述的方法只根据前邻时刻识别的星像点平面距离信息即可在载体 高动态下完成星跟踪功能，克服了传统窗口法对角速度信息的依赖，性能稳定。

附图说明

图1中的图1a和图1b分别为本发明所述的适用于高机动载体的星跟踪方 法中连续拍摄t时刻和t+Δt时刻拍摄星图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，适用于高机动载体的星跟踪 方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、计算拍摄时刻t星图中所有已识别星点距离图像中心的平面距离， 而非星角距，距离计算如下：

其中，(x_i，y_i)是星像点图像坐标，(x₀，y₀)是图像中心坐标，d_i为星像点(x_i，y_i) 距离图像中心的图像距离。按距离d_i由小及大排序，选出距离图像中心最近的三 颗星像点构成三角形模板，如图1左图中ΔABC，假设三角形三边分别为 a₁、a₂、a₃。计算各三角形边长的平面距离，组成匹配特征d_m,n。

因为载体在运动时，视场边缘的星像点最容易移出视场，如图1左图中D 星像点经载体运动后，在右图中移出视场，而右图中星像点D′为新进入视场 的星点。为了保证载体运动角速度较大时，也就是高动态时，匹配模板依然有 效，所以此处选择距离中心最近的星像点。

步骤二、构造两个数组，分别是二维数组A[N][p]和三维数组B[p][N][q]，其 中，p＝3,q＝4，即B[3][N][4]，N为t+Δt时刻星图中提取的星像点数目，p为三角 形模板边长序号，p＝1,2,3。二维数组A[N][p]为计数数组，数组B[p][N][q]用于记 录星像点序号。

计算t+Δt时刻星图中，所有星像点两两之间的平面距离d_i,j，将d_i,j按由小及 大的顺序分别与步骤一中三角形模板的匹配特征d_m,n按|d_i,j-d_m,n|≤δ_d比较，δ_d为 匹配门限。

以三角形模板中的a₁边为例，假设时刻t+Δt星图中提取与a₁边符合匹配门限 δ_d条件的星对为(i,j)，那么分别在二维数组A对应位置的计数值A[i][1]++， A[j][1]++；星对中星像点序号j记录在B[1][i][A[i][1]]，星对中另一星像点序号i记 录在B[1][j][A[j][1]]。同理，完成与a₂边、a₃边的匹配比较，在对应的位置A[i][2]、 A[i][3]计数值加1，星像点序号j记录在B[2][i][A[i][2]]、B[3][i][A[i][3]]。

遍历星像点序号，假设与ΔABC中A点匹配的星像点序号为i，则满足 (A[i][1]＞0)∩(A[i][2]＞0)，B点星序号为B[1][i][l₁]，l₁＝1,…,A[i][1]，满足 (A[B[1][i][l₁]][2]＞0)∩(A[B[1][i][l₁]][3]＞0)，C点星序号为B[2][i][l₂]，l₂＝1,…,A[i][2]， 满足(A[B[2][i][l₂]][2]＞0)∩(A[B[2][i][l₂]][3]＞0)。满足上述条件的组合即为与时刻t星图中三角形模板ΔABC匹配的星像点序号。

步骤三、恒星矢量在惯性坐标系和星敏感器坐标系下的几何关系式为：

W＝AV

可得，

为恒星在星敏感器坐标系中的观测矢量，f为星敏感器焦距，(u_i,v_i)为星敏感器像面坐标系中的坐标；A为赤惯坐标系到 星敏感器坐标系的姿态矩阵。则，A^-1即为星敏感器坐标系到惯性坐标系的姿态 矩阵。

V_i＝(L_i M_i N_i)^T为星敏感器视场中已跟踪识别恒星在赤惯直角坐标系中的 单位矢量，L_i M_i N_i为赤惯直角坐标系的三轴分量；

依据已跟踪三颗星在星敏感器坐标系和赤惯坐标系中的矢量信息，可计算 得到星敏感器坐标系到惯性坐标系的姿态矩阵A^-1以及星敏感器视轴在赤惯坐标 系中的粗指向(α₀，β₀)。

步骤四、将时刻t+Δt星图中未被跟踪识别的星像点观测矢量依据下式转换为 赤惯坐标系中的单位矢量。

以赤经、赤纬表示即为

步骤五、根据步骤三得到的星敏感器视轴在赤惯坐标系中的粗指向(α₀，β₀) 以及根据星敏感器的探测能力、视场大小，提取赤惯坐标满足下式的恒星(α_I，β_I) 组成集合I。

与步骤四未被识别的星像点投影到赤惯坐标系中的坐标(α_i，β_i)按下式窗口 法比较、识别。得到最终的匹配跟踪结果，完成时刻t+Δt对时刻t的星跟踪过程。

δ_α、δ_β为恒星天球坐标赤经α方向和赤纬β方向的容差门限。

Claims (1)

1.适用于高机动载体的星跟踪方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、计算t时刻拍摄星图中所有已识别星点距离图像中心的平面距离d_i，将所述平面距离按升序排列，选出距离图像中心最近的三颗星像点构成三角形模板，计算构成三角形模板的三角形边长的平面距离，组成三角形模板的匹配特征d_m,n；

步骤二、构造两个数组，分别为二维数组A[N][p]和三维数组B[p][N][q]，N为t+Δt时刻星图中提取的星像点数目，p为三角形模板边长序号，q为星对数目，二维数组A[N][p]为计数数组，三维数组B[p][N][q]用于记录星像点序号，计算t+Δt时刻星图中，所有星像点两两之间的平面距离d_i,j，设置距离门限δ_d，将d_i,j按升序排列，分别与步骤一中三角形模板匹配特征d_m,n按|d_i,j-d_m,n|≤δ_d比较，将符合条件的星像点序号记录在三维数组B[p][N][q]中，所述二维数组A[N][p]进行相应计数；

遍历t+Δt时刻星图中提取的N个星像点，根据二维数组A[N][p]中计数值提取三维数组B[p][N][q]中星像点序号，当所有星点在二维数组A[N][p]中计数值均大于1时，三角形跟踪成功；

步骤三、根据恒星矢量在惯性坐标系和星敏感器坐标系下的几何关系，W＝AV，代入步骤二中已跟踪星像三角形的坐标数据，计算得到星敏感器坐标系到惯性坐标系的姿态矩阵A^-1以及星敏感器视轴在赤惯坐标系中的粗指向(α₀，β₀)，V为星敏感器视场中已跟踪识别恒星在赤惯直角坐标系中的单位矢量；

步骤四、将时刻t+Δt星图中未被跟踪识别的星像点坐标转换为赤惯坐标系中的坐标(α_i，β_i)；

步骤五、根据步骤三获得的星敏感器视轴在赤惯坐标系中的粗指向(α₀，β₀)，提取能够被探测器探测的恒星(α_I，β_I)并组成集合I，将所述集合I与步骤四转换为赤惯坐标系中的星像点坐标(α_i，β_i)按窗口法比较、识别，获得最终的匹配跟踪结果，完成t+Δt时刻对t时刻的星跟踪。

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