CN109540129B - 一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法。根据全天时星敏工作的环境特点确定了其探测波段分析，选择了2MASS短波红外星库作为机载式全天时星敏感器的备选导航星库，根据星等不确定度属性以及观测结果数据置信度初次筛选得到J波段和H波段的基础星库，以0.5°为步长遍历全天球，并计算视场内每颗恒星的密集程度和暗密因子，进一步精简星库，同时根据星敏感器的光学参数将视场内的恒星映射到二维平面坐标上，采用一种扇形视场亮度优选原则，分别筛选四个扇区的恒星作为备选导航星。本发明能够在兼顾探测能力和恒星分布的条件下保证导航星库的覆盖性和鲁棒性，既可以实现星敏感器的定姿功能，也拓展实现星敏感器的工作时间和应用领域。

Description

一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法

技术领域

本发明航天测量控制技术，特别涉及一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法。

背景技术

大型飞机、巡航导弹、临近空间飞行器等飞行平台在军事上有着广泛的应用。精确导航系统是长航时航空飞行器实现精确制导和打击的关键因素之一。现有的导航系统主要依赖卫星、无线电、惯导系统等，存在抗干扰性差、误差随时间累积等问题。星敏感器是一种利用恒星信息进行飞行器姿态确定的高精度测量器件，具有精度高、抗干扰性强，误差不随时间累积等特点，已广泛用于卫星、飞船等空间探测领域。若将星敏感器应用于机载平台的导航系统中，可大幅提升导航系统的精度和抗干扰性。常规星敏感器的可见光探测手段无法满足机载式星敏感器全天时工作的使用要求，有研究表明，采用短波红外探测手段可有效降低白天大气背景光对目标探测的影响，可用作全天时星敏感器的目标探测波段，已经成为星敏感器的研究热点之一。

导航星库是星敏感器进行星图识别和跟踪的关键信息，其合理性和完备性对星敏感器工作的鲁棒性和精度都有着重要的影响。然而绝大数星敏感器探测波段为可见光波段(500nm～800nm)，其采用的基础星库也为可见光波段星库(如SAO星表，依巴谷星表等)，并不适用于全天时使用的机载式星敏感器，且可见光星库与短波红外星库结构上、筛选方法上均存在较大的差异。

因此有必要对现有短波红外星库进行深入研究，发明一种适用机载式全天时星敏感器的导航星库制作方法，为后续机载式全天时星敏感器的应用提供数据基础和理论支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种机载式全天时星敏感器导航星库制作方法。通过对2MASS短波红外星库各个波段恒星颗数和位置的分析，并通过在J波段和H波段对2MASS星库进行星等以及双星、变星的筛选得到J、H波段基础星库，进而采用暗密因子加权筛选和均匀分布原则筛选的方法得到导航星库。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法，应用于全天时星敏感器导航星库的筛选制作中，根据全天时星敏感器的探测波段特点及定姿需求制作导航星库，包含如下步骤：

a、根据机载式星敏感器的探测波段，选择2MASS短波红外星表作为备选星表，并选择探测波段；

b、先根据星等再根据星等不确定度属性rd筛选恒星精简2MASS星表；

c、在所述步骤b精简后的星表基础上剔除双星，并按观测结果标识cc保留cc＝0的恒星，得到精简星表，不同星敏感器产品可以此为基础进行导航星库筛选；

d、根据给定的机载式星敏感器的探测极限和光学参数，遍历全天球，保留星等小于5的恒星，并计算对应视场内该颗恒星在ω＝8°范围内的恒星密集程度S，并计算该恒星的“暗密因子”；

e、将每个视场内的恒星星矢量映射到像平面上，同时将星敏感器视场划分为4个扇区，根据精度要求，参与姿态解算有N_star颗星，确定像平面星颗数的阈值N_FOV，计算得到每个扇形区域的阈值N_q，N_q≥N_FOV/4，依次统计每个视场，得到待删星库，将待删星库从备选星库中删除，得到最终导航星库。

优选地，步骤a中所述的备选探测波段为J波段和H波段。

优选地，步骤b中所述的星等的筛选条件为小于6.5Mv。

优选地，步骤b中所述的星等不确定度属性的筛选条件为rd＝1～3。

优选地，步骤d中所述的恒星密集程度S的公式为：

其中，N表示以恒星S₀为中心，在指定范围内的恒星数量。rad0n(n＝1,2,3,…,N)表示第n颗恒星与恒星S₀之间的角距离，以弧长为单位。

优选地，步骤d中所述的“暗密因子”为该恒星所述的星等值与所述的恒星密集程度S的乘积。

优选地，步骤d中所述的“暗密因子”从小到大进行排序，若视场内有大于40颗恒星，保留“暗密因子”值前40颗恒星，若小于40颗，全部保留。

优选地，步骤e中优先判断像平面的星颗数是否大于所述的N_FOV，若否，则不作处理。

优选地，所述的像平面的星颗数大于N_FOV时，判断该像平面内每个扇形区域的星颗数是否大于N_q，若否，则不作处理。

优选地，所述的像平面内每个扇形区域的星颗数大于N_q时，按照亮度排序该区域的恒星，优先选取前N_q颗亮星，将剩余暗星作为待删除星。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

充分考虑了2MASS星库的特点和全天时星敏感器的使用特点，在兼顾探测能力和恒星分布的条件下保证了导航星库的覆盖性和鲁棒性。通过将获得的短波红外导航星库应用于全天时星敏感器的全天识别和星跟踪过程中，既可以实现星敏感器的定姿功能，也极大地拓展实现星敏感器的工作时间和应用领域。

附图说明

图1为本发明一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法的流程图。

图2为本发明一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法一具体实施例的简易流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

图1示出了本发明一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法的流程图，具体的，包括如下步骤：

首先，进入步骤S101，根据机载式星敏感器的探测波段，选择2MASS短波红外星表作为备选星表，并优选J波段和H波段作为备选探测波段；

然后，进入步骤S102，筛选星等小于6.5Mv，并按星等不确定度属性rd进一步筛选，保留rd＝1～3的恒星得到恒星精简2MASS星表；

接着，进入步骤S103，在步骤S102得到星表基础上剔除双星，并按观测结果标识cc保留cc＝0的恒星，得到J波段和H波段的精简星表，不同星敏感器产品可以此为基础进行导航星库筛选。

之后，进入步骤S104，根据给定的机载式星敏感器的和探测极限5Mv和光学参数，即对角线视场ω＝8°，以0.5°为步长，遍历全天球，保留星等小于5的恒星，并计算对应视场内某颗恒星在ω＝8°范围内的恒星密集程度S，并计算该恒星的“暗密因子”，同时对“暗密因子”从小到大进行排序，若视场内有大于40颗恒星，保留“暗密因子”值前40颗恒星，若小于40颗，则全部保留；

最后，进入步骤S105，在步骤S104的基础上，将每个视场内的恒星星矢量映射到像平面上，同时将星敏感器视场划分为4个扇区，根据精度要求，参与姿态解算有N_star颗星，确定像平面星颗数的阈值N_FOV，计算得到每个扇形区域的阈值N_q，N_q≥N_FOV/4；优先判断像平面的星颗数是否大于N_FOV：若不是，则不作处理。若是，则判断该像平面内每个扇形区域的星颗数是否大于N_q，若某区域的星颗数小于N_q，则不处理；否则，按照亮度排序该区域的恒星，优先选取前N_q颗亮星，将剩余暗星作为待删除星；依次统计每个视场，得到待删星库，将待删星库从备选星库中删除，得到最终导航星库。

图2示出了本发明一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法一具体实施例的简易流程图，具体的，详细步骤如下：

2MASS(Two Micron All Sky Survey)短波红外巡天计划由美国国家航空航天局(NASA)以及美国国家科学基金会(NSF)资助，马萨诸塞大学和设在加州理工学院的红外处理与分析中心合作完成。巡天观测由2台1.3米口径的高自动化望远镜1997年6月至2001年2月完成，覆盖全天99.998％，这2台望远镜分别安装在美国西南部亚利桑那州Hopkins山和智利的Tololo山。每台望远镜均配有三通道的锑镐汞(HgCdTe)CCD相机，CCD阵列为256×256，像素的空间分辨率为2″，探测光学系统视场为8.5′，能够在J(1.25μm)、H(1.65μm)和Ks(2.17μm)3个波段同时进行观测。

2MASS计划按照6°×8.5′对全天天区进行了划分，共探测出470,992,970点源天体和1,647,599扩展源天体，其中的341,317,908个点源被收录到2MASS的点源星表子集中，即2MASS PSC Catalog。每个点源都给出了J2000.0历元的ICRS中的位置、星等、天体测量和测光的不确定度、源探测质量标识、与可见光星表的证认等信息。2MASS点源星表(PSCCatalog)中的天体在J、H、KS 3个波段上流量都大于1mJy、信噪比都大于10(High SNR)。经处理后的2MASS点源坐标分别与第谷-2星表(Tycho-2 Catalogue)、美国海军天文台CCD天文成像星表(UCAC)等星表中相应源的坐标进行了比较与分析，结果表明2MASS点源的定位精度优于0.5"。

PSC覆盖了99.997％的天空，略低于2MASS巡天的全天覆盖率(99.998％)，其中90％的2MASS点源星表是银河系内的恒星。在无干扰情况下，各波段的完备极限星等为：J<15.8mag、H<15.1mag、Ks<14.3mag。

全天时星敏感器的主要难点在于白天恒星目标难以探测，白天天空背景和太阳光以短波段为主，峰值大约在450～550nm，长波光谱相对强度下降很快。全天球恒星分布于全波段，传统的星敏感器敏感恒星分布主要分布于500nm～800nm，峰值在650nm左右，其分布范围与天空背景重合，可见光波段难以观测，而在短波红外波段(900nm～1700nm)，天空背景辐射远低于可见光。因此，采用短波红外波段观测恒星有助于提升机载式星敏感器的探测能力。

目前用于星敏感器的探测器主要有CCD和APS两种类型，其谱段响应范围均为可见光波段，且量子效率并不高，不适用于大层内星敏感器使用。而短波红外InGaAs探测器在短波红外波段有着较高的量子效率。经检测，在短波红外波段，探测器的量子效率大于60％，峰值效率大于80％，探测波段覆盖了J波段和H波段，可以满足星敏感器全天时恒星探测的需求。

根据星敏感器所选的探测波段以及2MASS星库的覆盖波段，确定全天时星敏感器导航星库的波段为J波段和H波段。2MASS星表给出了J、H、Ks三个波段的默认星等，这些星等值是通过拟合算法处理观测星图计算得到的，存在一定的误差。星表中的属性rd(readflag)和bl(blend flag)表示星等的不确定度。rd属性表示星等不确定的原因，当rd＝1～3是，星等误差小；bl给出了与该星位置重叠的星的数量，bl＝0表示未探测到该星；cc(contamination and confusion flag)表示该观测结果收到伪星或者其他光源影响情况的标示，只有当cc＝0时，观测数据不受影响。

建立J、H波段基础星表需要从2MASS原星表中进行筛选，筛选步骤包括筛选星等小于6.5Mv，并按星等不确定度属性rd进一步筛选，保留rd＝1～3的恒星得到恒星精简2MASS星表，在此基础上剔除双星，并按观测结果标识cc保留cc＝0的恒星，得到J波段和H波段的精简星表，经过筛选后生成的基础星表(J波段基础星表(6.5)V1.0和H波段基础星表(6.5)V1.0)。

在按照条件筛选的同时，计算每颗星的恒星密集程度S。恒星密集程度是指相对于某颗恒星S₀，在视场范围内恒星的密集程度。恒星密集程度S定义为：

其中N表示以恒星S₀为中心，在指定范围内的恒星数量。rad0n(n＝1,2,3,…,N)表示第n颗恒星与恒星S₀之间的角距离，以弧长为单位。S越小，表明该星所处周围的恒星分布越稀疏。本发明中定义了每颗恒星的“暗密因子”参数，该参数为该恒星星等值与其恒星密集程度S的乘积。“暗密因子”越大，表明该恒星越暗弱或其周围恒星的密度越高，应优先剔除；“暗密因子”越小，表明该恒星越亮或其周围恒星的密度越稀疏，应优先保留。

另外，建立导航星库的还需遵循三个基本原则：(1)全天球均匀分布原则；(2)星冗余度最小化原则；(3)导航星最亮原则。

合理的导航星库不仅能有效提高星图识别成功率和匹配速率，而且可提高星敏感器的姿态精度，对星图识别必不可少。根据星敏感器的工作原理，星敏感器仿真评价使用的姿态精度公式为

其中，σ_{cross-boresight}为与视轴正交轴的测量精度；σ_roll为绕视轴滚动的精度；F为星敏感器视场；σ_centroid为质心定位精度；N_pixel为芯片的像元数目；N_star为参与姿态解算的星颗数；θ_sep为参与姿态解算的平均角距。

影响精度指标的因素有很多，其中首要因素为参与姿态解算的星颗数。根据某国产星敏感器的分析结果表明，在σ_centroid、N_pixel、F值固定的情况下，参与姿态解算的星颗数与精度的对应关系为：当精度要求优于3″时，星颗数为15～20颗；当精度要求优于5″时，星颗数为8～15颗；为不丢失跟踪目标，视场内至少需要5颗星。次要因素为参与姿态解算的平均角距，也可以认为是视场中导航星分布的均匀程度。视场范围内天区的导航星分布越均匀，平均角距越大。因此，在不改变其他影响精度指标时，可适当增加参与姿态解算的星颗数，提升视场内导航星分布均匀程度，从而提高星敏感器的姿态精度。

根据星敏感器的精度要求，确定参与姿态解算的星颗数为N_star颗。由于实际拍摄的星图中亮度较高的观测星通常不是干扰星，且容易获得更高的质心提取精度，所以在各视场星图识别过程中，优先采用各视场中亮度较高的星点进行星图识别。在保证视场中的探测星数量尽可能接近N_star颗的同时，确保恒星的星等足够小。为了在最少的识别次数中获取与导航星匹配的观测星组合，需根据亮星优先的原则进行导航星选取。如在实际应用中，星敏感器将星图中所有N_d颗探测星按照亮度排序，取前N_star颗亮星参与星图下一步识别过程，删除剩余暗星。因此，在构建导航星库时，生成覆盖全天球的交叠视场，选取每个视场内亮度排名前TH₁颗(TH₁≥N_star)的恒星作为导航星。

为增加参与姿态解算的星的平均角距θ_sep，均匀分布每个视场范围内天区的导航星。由于星敏感器实际视场内的天区只占天球很小一部分，因此将视场范围内的天区视作平面区域，如果能实现任意光轴指向的视场内导航星的星像在像面上均匀分布，那么所有导航星在天球上可近似均匀分布。基于上述思想，将像面上的星像密度作为筛选导航星的指标，把导航星在天球上的分布问题转化为星像在像平面上的分布问题。导航星均匀分布的步骤如下：

(1)以星敏感器视场的内切圆为视场，将视场范围内的天区恒星三维坐标转换为像平面上的二维坐标，则基于光轴指向计算转移矩阵为

恒星映射在探测器像平面上的坐标为

其中，r，p，q分别为星敏感器光轴指向的赤经、赤纬、旋转角；(v₁,v₂,v₃)为恒星在天球坐标系下的坐标；f为星敏感器镜头焦距；x_pixelsize，y_pixelsize分别为探测器像平面沿X、Y轴方向的像元数，D_x，D_y分别为每个像元沿X、Y轴方向的尺寸。

例如设置参与姿态解算的星颗数N_star为15颗，按公式将视场内的恒星星矢量转移至像平面的二维坐标上。每个扇区保留5颗星。

(2)根据恒星在像平面上的坐标(x,y)与像平面上主点(x_m,y_m)的关系，对恒星在像面上的位置进行区域划分，共分成4个相等的扇形区域，其表达式为

(3)根据赤经从1°至360°每隔M°，再根据赤纬从-90°至90°每隔M°进行光轴指向，生成N个交叠视场，分别统计每个像平面和扇形区域内的星颗数。根据精度要求，参与姿态解算有N_star颗星，确定像平面星颗数的阈值N_FOV，计算得到每个扇形区域的阈值N_q，N_q≥N_FOV/4；优先判断像平面的星颗数是否大于N_FOV：若不是，则不作处理。若是，则判断该像平面内每个扇形区域的星颗数是否大于N_q，若某区域的星颗数小于N_q，则不处理；否则，按照亮度排序该区域的恒星，优先选取前N_q颗亮星，将剩余暗星作为待删除星；依次统计每个视场，得到待删星库，将待删星库从备选星库中删除，得到最终导航星库。

生成随机数种子，利用随机数生成200000个视场指向的赤经、赤纬及视场的旋转角度值，对200000个视场内的恒星颗数进行仿真估计，若视场内不足4颗星的概率不超过1％，则满足要求，否则在星颗数小于4颗星的天区，对星表进行适当补充。结果证明用本发明制作的星库具有较好的全天球覆盖性和分布均匀性。

综上所述，本发明一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法。首先根据全天时星敏工作的环境特点确定了其探测波段分析，选择了2MASS短波红外星库作为机载式全天时星敏感器的备选导航星库，根据星等不确定度属性以及观测结果数据置信度初次筛选得到J波段和H波段的基础星库，随后，以0.5°为步长遍历全天球，并计算视场内每颗恒星的恒星密集程度和暗密因子，进一步精简星库，同时根据星敏感器的光学参数将视场内的恒星映射到二维平面坐标上；然后采用一种扇形视场亮度优选原则，分布筛选四个扇区的恒星作为备选导航星，最后生成随机数种子，再度遍历全天球视场，根据分布均匀性原则对视场内的恒星进行补充。本发明的星库制作方法充分考虑了2MASS星库的特点和全天时星敏感器的使用特点，在兼顾探测能力和恒星分布的条件下保证了导航星库的覆盖性和鲁棒性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种机载式全天时星敏感器导航星库的制作方法，应用于全天时星敏感器导航星库的筛选制作中，根据全天时星敏感器的探测波段特点及定姿需求制作导航星库，其特征在于，包含如下步骤：

a、根据机载式星敏感器的探测波段，选择2MASS短波红外星表作为备选星表，并选择探测波段；所述探测波段为J波段和H波段；

b、先根据星等再根据星等不确定度属性rd筛选恒星精简2MASS星表，其中，筛选星等小于6.5Mv，星等不确定度属性rd＝1～3；

c、在所述步骤b精简后的星表基础上剔除双星，并按观测结果标识cc保留cc＝0的恒星，得到精简星表，不同星敏感器产品可以此为基础进行导航星库筛选；

d、根据给定的机载式星敏感器的探测极限和光学参数，遍历全天球，保留星等小于5的恒星，并计算对应视场内该颗恒星在ω＝8°范围内的恒星密集程度S，并计算该恒星的“暗密因子”；所述的“暗密因子”为该恒星所述的星等值与所述的恒星密集程度S的乘积；

e、将每个视场内的恒星星矢量映射到像平面上，同时将星敏感器视场划分为4个扇区，根据精度要求，参与姿态解算有N_star颗星，确定像平面星颗数的阈值N_FOV，计算得到每个扇形区域的阈值N_q，N_q≥N_FOV/4，依次统计每个视场，得到待删星库，将待删星库从备选星库中删除，得到最终导航星库。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤d中所述的恒星密集程度S的公式为：

其中，N表示以恒星S₀为中心，在指定范围内的恒星数量；rad0n(n＝1,2,3,…,N)表示第n颗恒星与恒星S₀之间的角距离，以弧长为单位。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤d中所述的“暗密因子”从小到大进行排序，若视场内有大于40颗恒星，保留“暗密因子”值前40颗恒星，若小于40颗，全部保留。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤e中优先判断像平面的星颗数是否大于所述的N_FOV，若否，则不作处理。

5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述的像平面的星颗数大于N_FOV时，判断该像平面内每个扇形区域的星颗数是否大于N_q，若否，则不作处理。

6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述的像平面内每个扇形区域的星颗数大于N_q时，按照亮度排序该区域的恒星，优先选取前N_q颗亮星，将剩余暗星作为待删除星。

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