CN107883946A - 一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法 - Google Patents
一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法,包括以下步骤：S1:基本截止星等和候选截止星等确定；S2:特殊恒星剔除S3:恒星自行补偿算法S4:邻近恒星角距阈值确定S5:全天球螺旋线遍历S6:相对亮星的判定S7:星间角距数据库生成。
Description
技术领域
本发明属于星库构建领域，具体涉及一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法。
背景技术
根据相关检索，目前星敏感器星库构建方法较为简单。导航星库一般以可见光天文星库为基础，依据光学系统设计的极限观测星等为限，将天文星表中视星等小于该阈值的恒星全部列入导航星数据库中。星间角距数据库则是穷尽导航星库中任意两颗角距小于视场角的恒星。
星敏感器是高度自主性的导航设备，因此导航星库等先验信息一般固化在片上的只读存储器上。诸如以上简单的星库构建策略带来最显著的问题是数据库存储量庞大。这一方面对于星敏感器有限的片上存储资源是极大的挑战；另一方面由于类似角距的星对数量庞大，为了找到唯一匹配的恒星三角形将需要耗费大量运算资源进行比较搜索，严重影响着星图识别的实时性。
一些改进的筛选方法会根据星图识别的比较次数或者数据库的大小来缩减导航星个数和星间角距对的个数。然而，恒星在全天球的分布是不均匀的，在天赤道附近恒星较为密集，而在两个天极附近区域的恒星则较为稀疏。采用统一标准剪裁星库可能导致在恒星分布稠密天区数据的精简不够彻底，而在恒星分布稀疏天区数据不能保证自主识别的需求。
此外，由于恒星自身的特性原因，很多恒星并不适合作为导航基准。这其中，很大一部分是由于恒星的运动引起的。天文星表在观测历元下的恒星方向矢量有着极高的精度，但恒星的运动使得观测时刻的指向不再准确。虽然诸如依巴谷等星表给出了恒星视向运动的速度信息(自行信息)，但是利用这些信息估计的位置偏差也随着星敏感器测量时刻与观测历元的时间间隔的增大而增大。除去恒星运动之外，恒星与观测者的距离、恒星亮度的稳定性等对于导航星库的筛选也至关重要。
星敏感器成像探测系统除决定极限探测星等之外，还决定着相邻星点的空间能力。为了得到准确的星点亚像素位置，一般星点图像故意弥散至3×3至5×5 个像元。若两个星点的间隔与此相当，则有可能连成一颗大的“星点”，该“星点”的亚像素位置在两颗实际星点之间。纵使两颗星点能够分辨开来，在星图识别时两者的真实星号也容易混淆。在姿态解算时，上述情形将引入额外的误差。
综上所述，在星敏感器导航星库和星间角距数据库构建的过程中，往往缺乏对于存储消耗、天区恒星分布不均匀性、恒星特征、星敏感器探测特征的系统全面考虑。
发明内容
本发明的目的在于克服简单星库生成方法在存储消耗、天区分布不均匀性、指向精度等方法面存在的不足，提出一种三角形匹配式星敏感器星库构建方法。该方法系统全面地对恒星目标特征、星敏感器探测能力、数据存储等制约因素进行考虑，先后生成导航星库和星间角距数据库，广泛使用于各类星敏感器的导航星库生成。
本发明的技术方案如下：一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法,包括以下步骤：
S1:基本截止星等和候选截止星等确定；
假定星敏感器的探测视场角为θFOV，则基本截止视星等Mv-base与视场内平均恒星数n存在经验关系如式(1)所示：
候选截止星等是目标星敏感器光电探测系统所能敏感到的最暗星等，该极限星等根据信噪比约束得出；噪声近似满足正态分布，如式(2)所示：
其中，μ(u,v)是像元信号能量的大小，nd是暗电流噪声，nDSNU是暗电流相应非均一性，nPRNU是光响应非均一性，nFPN是固定模式噪声，nKTC是复位噪声，nADC是量化噪声；
S2:特殊恒星剔除
包括：1)剔除视星等变化超过0.6mag的恒星；2)剔除距离太阳系近的恒星，该距离由视差角反映，视差角大于50mas则应予剔除；3)剔除恒星自行速度大于1000mas/y的恒星；4)对于提供观测数据不确定度的天文星表，剔除位置不确定度大于100mas和速度信息不确定度大于50mas/y的恒星；
S3:恒星自行补偿算法
恒星在天文星表观测历元的位置由天球坐标系下的赤经α0和赤纬δ0进行描述。则该方向矢量r0在赤道坐标系下为：
恒星在任意历元下的矢量uB(t)可以表示为：
uB(t)＝<r0+μ0t>。 (4)
其中，自行运动向量μ0为：
μ0＝p0μα*0+q0μδ0， (5)
其中，μα*0和μδ0是星表中给出的观测历元的自行量，p0和q0是在r0矢量处赤经和赤纬增量方向，
S4:邻近恒星角距阈值确定
假定星敏感器的视场角为θFOV，单方向上像元个数为NFOV，星点成像大小为 Nstar，则邻近恒星的角距判决阈值θnear为：
任何相互角距在邻近恒星角距阈值内的恒星都予以剔除；
S5:全天球螺旋线遍历
为保证指向的均匀分布，采用螺旋线方程在球面天球坐标系下均匀地生成视轴指向；各个视轴指向在球坐标系下的表达式为：
式中的与直角坐标的转换关系为：
其中，N是视轴指向个数；假定星敏感器视场角为θFOV，则其在单位球面的面积 aFOV为：
又已知单位球面表面积为4π，则为保证天球覆盖足够充分，视场数N应满足：
在各个视场中，首先确定稠密天区和稀疏天区的恒星数量判决阈值N1和N2；随后，判定基本截止星等以内恒星的个数：
1)若多于N1颗，则判定为稠密天区，将最亮的N1颗恒星选入导航星库；
2)若少于N2颗，则判定为稀疏区，判断该区域内暗于基本截止星等且亮于候选截止星等的恒星个数；
①若恒星数量大于等于N1-N2，则选取最亮的若干颗候选恒星将该区域恒星数补充至N2颗；
②若恒星数量小于N1-N2，则把所有候选恒星都选入导航星库；
3)其它情况时，则判定为一般天区，不进行增减操作；
S6:相对亮星的判定
遍历每颗导航恒星，以该恒星为中心得到θFOV视场的圆形区域。设定相对亮星排名阈值Nbright。记录下该区域内所有导航恒星的视星等信息并按进行排序，若该恒星排名在Nbright位之前，则该恒星为相对亮星；反之亦然；
S7:星间角距数据库生成
在所有相对亮星构成的子集合中遍历任两颗星之间的角距，若数值小于等于则记录下两颗星的序号和对应角距值。
所述S1中，星点信号能量由黑体辐射公式近似得到；候选截止星等是信噪比等于6dB对应的星等。
所述S7中，将所有记录按照角距数值从小到大进行排序，并分成若干组以方便星图识别的快速查找。
所述S7中，角距库分组以500～800组。
本发明的显著效果在于：本星库构建方法提出两类截止星等，进而为调整天区恒星分布不均提供了条件。在筛选导航星时，本方法充分考虑到恒星在亮度、位置以及运动稳定性方面的各项特征因素，从而保证了星敏感器的识别正确率和测量精度。方法根据目标星敏感器探测系统的分辨能力确定了邻近恒星的剔除标准，减小了恒星错误识别的概率并提升了测量计算的精度。全天球视场遍历在尽可能控制存储数据量的同时也避免了无法自主识别的盲区出现。利用亮度信息对于角距信息的选择性存储进一步对于星间角距数据库的数据量进行了精简。
综上，本方法结合天文星表中恒星的特征信息与目标星敏感器探测系统的具体指标，对于与导航星库数据量、星图识别正确率以及测量计算精度紧密相关的各个环节进行了全面考虑。尤其在星库截止星等、导航恒星均匀性调整以及角距对信息精简方面的做法具有创新性。方法简单易行，适用于各类自主识别式星敏感器的导航星库生成，对于提升星敏感器识别实时性和测量精度水平有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明所述三角形匹配式星敏感器星库的构建方法星库构建步骤图
图2为本发明所述三角形匹配式星敏感器星库的构建方法恒星自行矢量补偿示意图
具体实施方式
一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法,包括以下步骤：
S1:基本截止星等和候选截止星等确定
假定星敏感器的探测视场角为θFOV，则基本截止视星等Mv-base与视场内平均恒星数n存在经验关系如式(1)所示：
候选截止星等是目标星敏感器光电探测系统所能敏感到的最暗星等，该极限星等根据信噪比约束得出。噪声近似满足正态分布，如式(2)所示：
其中，μ(u,v)是像元信号能量的大小，nd是暗电流噪声，nDSNU是暗电流相应非均一性，nPRNU是光响应非均一性，nFPN是固定模式噪声，nKTC是复位噪声，nADC是量化噪声。星点信号能量由黑体辐射公式近似得到。候选截止星等是信噪比等于6dB对应的星等。
S2:特殊恒星剔除
包括：1)剔除视星等变化超过0.6mag的恒星；2)剔除距离太阳系近的恒星，该距离由视差角反映(在日心与在地心上恒星指向的角度差)，视差角大于 50mas则应予剔除；3)剔除恒星自行速度大于1000mas/y的恒星；4)对于提供观测数据不确定度的天文星表，应当剔除位置不确定度大于100mas和速度信息不确定度大于50mas/y的恒星。
S3:恒星自行补偿算法
恒星在天文星表观测历元的位置由天球坐标系下的赤经α0和赤纬δ0进行描述。则该方向矢量r0在赤道坐标系下为：
如图2所示，恒星在任意历元下的矢量uB(t)可以表示为：
uB(t)＝<r0+μ0t>。 (4)
其中，自行运动向量μ0为：
μ0＝p0μα*0+q0μδ0， (5)
其中，μα*0和μδ0是星表中给出的观测历元的自行量，p0和q0是在r0矢量处赤经和赤纬增量方向，如图2所示：
S4:邻近恒星角距阈值确定
假定星敏感器的视场角为θFOV，单方向上像元个数为NFOV，星点成像大小为 Nstar，则邻近恒星的角距判决阈值θnear为：
任何相互角距在邻近恒星角距阈值内的恒星都予以剔除。
S5:全天球螺旋线遍历
为保证指向的均匀分布，采用螺旋线方程在球面天球坐标系下均匀地生成视轴指向。各个视轴指向在球坐标系下的表达式为：
式中的与直角坐标的转换关系为：
其中，N是视轴指向个数。假定星敏感器视场角为θFOV，则其在单位球面的面积 aFOV为：
又已知单位球面表面积为4π，则为保证天球覆盖足够充分，视场数N应满足：
在各个视场中，首先确定稠密天区和稀疏天区的恒星数量判决阈值N1和N2。随后，判定基本截止星等以内恒星的个数：
1)若多于N1颗，则判定为稠密天区，将最亮的N1颗恒星选入导航星库。
2)若少于N2颗，则判定为稀疏区，判断该区域内暗于基本截止星等且亮于候选截止星等的恒星个数；
①若恒星数量大于等于N1-N2，则选取最亮的若干颗候选恒星将该区域恒星数补充至N2颗；
②若恒星数量小于N1-N2，则把所有候选恒星都选入导航星库。
3)其它情况时，则判定为一般天区，不进行增减操作。
S6:相对亮星的判定
遍历每颗导航恒星，以该恒星为中心得到θFOV视场的圆形区域。设定相对亮星排名阈值Nbright。记录下该区域内所有导航恒星的视星等信息并按进行排序，若该恒星排名在Nbright位之前，则该恒星为相对亮星；反之亦然。
S7:星间角距数据库生成
在所有相对亮星构成的子集合中遍历任两颗星之间的角距，若数值小于等于则记录下两颗星的序号和对应角距值。最后将所有记录按照角距数值从小到大进行排序，并分成若干组以方便星图识别的快速查找。角距库分组以500～800组为宜。
Claims (4)
1.一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法,其特征在于：包括以下步骤：
S1:基本截止星等和候选截止星等确定；
假定星敏感器的探测视场角为θFOV，则基本截止视星等Mv-base与视场内平均恒星数n存在经验关系如式(1)所示：
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候选截止星等是目标星敏感器光电探测系统所能敏感到的最暗星等，该极限星等根据信噪比约束得出；噪声近似满足正态分布，如式(2)所示：
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其中，μ(u,v)是像元信号能量的大小，nd是暗电流噪声，nDSNU是暗电流相应非均一性，nPRNU是光响应非均一性，nFPN是固定模式噪声，nKTC是复位噪声，nADC是量化噪声；
S2:特殊恒星剔除
包括：1)剔除视星等变化超过0.6mag的恒星；2)剔除距离太阳系近的恒星，该距离由视差角反映，视差角大于50mas则应予剔除；3)剔除恒星自行速度大于1000mas/y的恒星；4)对于提供观测数据不确定度的天文星表，剔除位置不确定度大于100mas和速度信息不确定度大于50mas/y的恒星；
S3:恒星自行补偿算法
恒星在天文星表观测历元的位置由天球坐标系下的赤经α0和赤纬δ0进行描述。则该方向矢量r0在赤道坐标系下为：
<mrow>
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恒星在任意历元下的矢量uB(t)可以表示为：
uB(t)＝〈r0+μ0t〉。 (4)
其中，自行运动向量μ0为：
μ0＝p0μα*0+q0μδ0， (5)
其中，μα*0和μδ0是星表中给出的观测历元的自行量，p0和q0是在r0矢量处赤经和赤纬增量方向，
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S4:邻近恒星角距阈值确定
假定星敏感器的视场角为θFOV，单方向上像元个数为NFOV，星点成像大小为Nstar，则邻近恒星的角距判决阈值θnear为：
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任何相互角距在邻近恒星角距阈值内的恒星都予以剔除；
S5:全天球螺旋线遍历
为保证指向的均匀分布，采用螺旋线方程在球面天球坐标系下均匀地生成视轴指向；各个视轴指向在球坐标系下的表达式为：
式中的与直角坐标的转换关系为：
其中，N是视轴指向个数；假定星敏感器视场角为θFOV，则其在单位球面的面积aFOV为：
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在各个视场中，首先确定稠密天区和稀疏天区的恒星数量判决阈值N1和N2；随后，判定基本截止星等以内恒星的个数：
1)若多于N1颗，则判定为稠密天区，将最亮的N1颗恒星选入导航星库；
2)若少于N2颗，则判定为稀疏区，判断该区域内暗于基本截止星等且亮于候选截止星等的恒星个数；
①若恒星数量大于等于N1-N2，则选取最亮的若干颗候选恒星将该区域恒星数补充至N2颗；
②若恒星数量小于N1-N2，则把所有候选恒星都选入导航星库；
3)其它情况时，则判定为一般天区，不进行增减操作；
S6:相对亮星的判定
遍历每颗导航恒星，以该恒星为中心得到θFOV视场的圆形区域。设定相对亮星排名阈值Nbright。记录下该区域内所有导航恒星的视星等信息并按进行排序，若该恒星排名在Nbright位之前，则该恒星为相对亮星；反之亦然；
S7:星间角距数据库生成
在所有相对亮星构成的子集合中遍历任两颗星之间的角距，若数值小于等于则记录下两颗星的序号和对应角距值。
2.根据权利要求1所述的一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法，其特征在于：所述S1中，星点信号能量由黑体辐射公式近似得到；候选截止星等是信噪比等于6dB对应的星等。
3.根据权利要求1所述的一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法，其特征在于：所述S7中，将所有记录按照角距数值从小到大进行排序，并分成若干组以方便星图识别的快速查找。
4.根据权利要求3所述的一种三角形匹配式星敏感器星库的构建方法，其特征在于：所述S7中，角距库分组以500～800组。
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