CN110411439A - 一种根据星能量等级生成仿真星点的方法、装置及介质 - Google Patents

Abstract

一种根据星能量等级生成仿真星点的方法、装置及介质，首先利用高斯分布函数，根据星等不同生成大小能量不同的星点；进而将星敏感器软件对观测星星等的计算方式加以修改，和地面仿真软件利用星敏感器星表中星等信息生成星点的方式相匹配；最终实现仿真环境生成的星点经星上软件提取计算后星等基本和星表中该星对应导航星的星等一致。

Description

一种根据星能量等级生成仿真星点的方法、装置及介质

技术领域

本发明涉及一种根据星能量等级生成仿真星点的方法、装置及介质，属于星敏感器仿真验证技术领域。

背景技术

当前高精度星敏感器星图识别算法大多都涉及到星等信息，即星敏感器中存储了每颗导航星的星等(星能量等级)信息，星敏软件对观测星提取后也需根据规定的表达式利用观测星能量计算该观测星星等；在星图识别时则需要判断观测星星等和匹配的导航星星等(存储在星敏感器星表中)十分接近才能认为该观测星和导航星匹配。故除了外场观星试验外，若想通过搭建仿真环境验证星上软件算法，所生成的仿真星图就必须能精确地模拟星等信息，即根据不同的导航星星等生成不同大小(能量)的星点。同时需要修改星上软件在仿真环境下利用观测星能量计算星等的表达式(这并不影响对后续识别相关算法的验证)，以便从仿真星图中提取到星点后计算其星等能和与用于生成该星点的导航星星等基本一致。现有技术中星敏感器算法验证仿真软件尚未有明确的方法对星等进行精确模拟。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种根据星能量等级生成仿真星点的方法、装置及介质，首先利用高斯分布函数，根据星等不同生成大小(能量)不同的星点；进而将星敏感器软件对观测星星等的计算方式加以修改，和地面仿真软件利用星敏感器星表中星等信息生成星点的方式相匹配；最终实现仿真环境生成的星点经星上软件提取计算后星等基本和星表中该星对应导航星的星等一致。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，包括如下步骤：

S1、采用二维相互独立的高斯分布函数生成星点模型；

S2、根据预设的星点能量阈值、S1中的高斯分布函数，确定所述星点模型的方差参数σ；

S3、根据星等计算星点能量的方法、S2中确定的方差参数σ，预设星能等级最低的星点能量阈值，确定所述星点模型的能量系数参数μ；根据S2中确定的方差参数σ，预设的星能量等级最高的星点灰度阈值，确定所述星点模型的能量参数A；然后生成仿真星点。

上述根据星能量等级生成仿真星点的方法，S1中所述星点模型为：

式中，(x₀,y₀)为星点的能量重心；(x,y)为星点中每个像元的坐标；σ为星点模型的方差参数，μ为星点模型的能量系数参数，A为星点模型的能量参数。

上述根据星能量等级生成仿真星点的方法，S2中星点能量阈值为星点包含的像元的最大个数。

上述根据星能量等级生成仿真星点的方法，S3中星等计算星点能量的方法为：

E＝(-k)×log₁₀μ

式中，E为所提取观测星的星等，k为常值系数，μ为星点模型的能量系数参数。

上述根据星能量等级生成仿真星点的方法，S3中星能等级最低的星点能量阈值为星点包含的像元的个数大于9。

上述根据星能量等级生成仿真星点的方法，S3中星能等级最高的星点灰度阈值小于等于255。

上述根据星能量等级生成仿真星点的方法，S2中星点能量阈值小于等于200。

一种根据星能量等级的星点模拟装置，包括星点生成模块、星等计算模块；

所述星点生成模块根据生成仿真星点，所述星等计算模块根据计算星等；

式中，μ为星点模型的能量系数参数，E_i为某一星点的星等，S_i为某一星点的星能量，(x₀,y₀)为星点的能量重心；(x,y)为星点中每个像元的坐标。

上述根据星能量等级的星点模拟装置，所述星点模拟装置模拟的星能等级最高的星点灰度阈值小于等于255。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述根据星能量等级生成仿真星点的方法的步骤。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明方法具有普遍适用性，突破了不同型号星敏之间的差异影响；

(2)本发明方法的仿真效果精度高，充分满足了对星等模拟精确度的需求；

(3)本发明方法对星上程序改动极小既便于改动也没有对软件算法验证造成任何影响；

(4)本发明方法原理简单，便于仿真程序实现。

附图说明

图1为本发明方法实施例1的步骤流程图；

图2为本发明实施例2的步骤流程图；

图3为本发明实施例4中μ＝σ＝1时的单维能量分布曲线；

图4为本发明实施例5中σ＝2.4、μ＝1时的单维高斯能量分布曲线；

图5为本发明实施例5中10等星单维高斯能量分布曲线；

图6为本发明实施例5中0等星星斑图；

图7为本发明实施例5中5等星星斑图；

图8为本发明实施例5中10等星星斑图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、采用二维相互独立的高斯分布函数生成星点模型；

所述星点模型为：

式中，(x₀,y₀)为星点的能量重心；(x,y)为星点中每个像元的坐标；σ为星点模型的方差参数，μ为星点模型的能量系数参数，A为星点模型的能量参数。

S2、根据预设的星点能量阈值、S1中的高斯分布函数，确定所述星点模型的方差参数σ；星点能量阈值为星点包含的像元的最大个数；星点能量阈值小于等于200。

S3、根据星等计算星点能量的方法、S2中确定的方差参数σ，预设星能等级最低的星点能量阈值，确定所述星点模型的能量系数参数μ；根据S2中确定的方差参数σ，预设的星能量等级最高的星点灰度阈值，确定所述星点模型的能量参数A；然后生成仿真星点。

星等计算星点能量的方法为：

E＝(-k)×log₁₀μ

式中，E为所提取观测星的星等，k为常值系数，μ为星点模型的能量系数参数。

星能等级最低的星点能量阈值为星点包含的像元的个数大于9；星能等级最高的星点灰度阈值小于等于255。

实施例2：

一种根据星能量等级的星点模拟装置，包括星点生成模块、星等计算模块；

所述星点生成模块根据生成仿真星点，所述星等计算模块根据计算星等；

式中，μ为星点模型的能量系数参数，E_i为某一星点的星等，S_i为某一星点的星能量，(x₀,y₀)为星点的能量重心；(x,y)为星点中每个像元的坐标。

所述星点模拟装置模拟的星能等级最高的星点灰度阈值小于等于255。

实施例3：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述根据星能量等级生成仿真星点方法的步骤。

实施例4：

一种根据星能量等级精确生成仿真星点的方法，如图2所示，包括步骤如下：

(1)地面仿真环境中用二维相互独立高斯分布函数星点模型 生成星点；其中(x₀,y₀)为星点的能量重心，(x,y)为星点中每个像元的坐标；μA为星点总能量大小(其中μ为星点模型能量系数参数，A为星点模型能量参数)，为预期星点的半径(其中σ为星点模型方差参数)。其原理是：因为总能量μA满足高斯能量分布，设μ＝σ＝1，其单维能量分布函数如图3所示。

可见能量基本都集中在(-3，3)之间，超过(-4，4)就没有能量分布了。故通过这种方式生成的星点其形状接近圆形，而圆半径约为

(2)根据星敏0等星星斑成像的大小确定σ值；其具体作法是：在星敏感器中约定0等星是能量最高的导航星，故设定仿真环境中0等星对应最大的星点，设定μ是一个<＝1的系数，则仿真时0等星的半径即3σ应满足其大小为0等星成像星斑的大小，这里一般情况下该大小固定，均为星敏判定伪星的像元数条件。

(3)确定系数μ；星敏中通过星能量计算星等的公式如下：

其中E为所提取观测星的星等，s为观测星星能量，k为一个常值系数，设定星点模型能量参数A为0等导航星星能量；参数k、A每个型号星敏感器都不同；这里为了和仿真环境配合可以根据仿真需要修改星上程序这两个参数，以便星上程序提取仿真星点计算得出的星等和生成该仿真星点所用导航星的星等相对应。修改方式也很简便可以用#if宏定义设置开关，使星上程序在仿真环境下用自定义的参数计算星等，在实际环境下仍用原参数计算星等。修改星上程序星等计算公式并不影响对其它算法的验证。这里因为仿真软件生成星点时一定会有能量损失，故仿真时用的系数k越小最终星上软件反算得到的星等越接近真值；但实际中k也不能过小，这点会在下面继续讨论。

接下来计算μ，这里即认为系数设生成仿真星图时检索出来的导航星星等是E_i，则可以从上公式反推出

进一步确定k值；从步骤(2)可以确定σ的值，而仿真星点大小为通常为了保证星点能量重心计算的精准性，仿真生成的星点大小最好满足大于3*3；即如果星上软件需要保证10等星也能被精确计算能量重心则应至少保证3*10^(-5/k)*大于1.5，最好大于等于2；这就要求k不能取过小的值。

(4)确定0等导航星能量A值；现在μ、σ值都已经确定，因为星敏硬件成像生成的仿真星图为灰度图像，其像元有最大灰度值，于是高斯分布中能量最大的点即星能量中心(x₀,y₀)处像元灰度值应不超过该最大灰度值，这样才不会有能量损失；即近似为最大灰度值(但要保证小于等于最大灰度值),从而可以确定出A的值。

实施例5：

以一个甚高精度星敏感器为例，该星敏感器的灵敏度可以捕获到10等星，而其要求每颗观测星点的像元数小于等于200，超过200则认为该星过大判做伪星之后不用于识别。根据这个具体需求仿真软件生成星点表达式 中的各项参数求值如下：

(1)根据星敏0等星星斑成像的大小确定σ值；要求以3σ为半径的圆形区域包含的像元数不超过200；尽可能让0等星足够亮以便拉开不同星等能量之间的差距增加仿真精度。圆形的面积公式为S＝πr²，这里r＝3σ，S<＝200,可近似取σ为2.6，这里为了留有余量取σ为2.4。σ＝2.4、μ＝1时的单维高斯能量分布曲线如图4所示。

由图4可见超过半径8就基本没有能量分布了，而以8为半径的圆面积为201，生成星点时一定存在能量损失故认为可以满足0等星像元个数不超过200的需求。

(2)确定k值、系数μ，同样出于拉开不同星等能量之间的差距增加仿真精度考虑，这里需求10等星可见，则尽可能让10等星足够小，即3*10^(-5/k)*>1.5即可；代入σ＝2.4，可以近似求得k＝8；此时根据表达式 代入E_i＝10，k＝8，可求得μ值；进一步可求得10等星的高斯分布参数约为0.57；此时其单维高斯能量分布曲线如图5所示。

由图5可见超过半径2就基本没有能量分布了，基本可以保证该星点有9个以上像元，能够保证该星点的能量重心提取精度。

(3)确定A值；如假设该星敏感器成像是8位灰度图像，最大灰度值为255；则近似为255，代入σ＝2.4可求得A＝9229。

现在可以确定仿真软件中生成星点的表达式为：其中由此可以反推出利用星能量求星等的表达式为：将仿真环境下星上程序计算星等的表达式替换为该表达式即可。

运行仿真环境，验证星上软件计算出的星等是否满足要求。首先用表达式生成0等星，见图6所示；星上软件对所生成星点提取后计算其像元个数为178个，星等为0.126117。同理验证5等星，见图7所示，星上软件计算结果为像元：42个，星等：5.12698；同理验证10等星，见图8所示，星上软件计算结果为像元：9个，星等：10.0949；由上结果可见，仿真软件对星等的模拟精度在0.1左右，这可以满足且远高于目前星敏算法中对星等精度的需求。

如果某型号星敏感器要求星点过亮阈值为200，其灵敏度可见星等为7；则可以进一步缩小星等计算表达式中的k值，以获得更高精度的星等模拟结果。计算原理同之前的实例，具体计算步骤不再阐述，最终可以得到k取值5.2；此时0等星在仿真环境下计算结果为0.0819761；5等星计算结果为5.08062；7等星计算结果为7.04891。可将精度提高到0.1以内。

实际上，通常各型号星敏感器对星点过亮(见强光)的判定阈值都为200个像元，而灵敏度可见10等星也基本满足绝大多数高精度星敏感器的需求。故在各型号星敏感器仿真环境中可以通用表达式生成仿真星点，同时将星上程序星等的计算公式替换成即可。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、采用二维相互独立的高斯分布函数生成星点模型；

S2、根据预设的星点能量阈值、S1中的高斯分布函数，确定所述星点模型的方差参数σ；

S3、根据星等计算星点能量的方法、S2中确定的方差参数σ，预设星能等级最低的星点能量阈值，确定所述星点模型的能量系数参数μ；根据S2中确定的方差参数σ，预设的星能量等级最高的星点灰度阈值，确定所述星点模型的能量参数A；然后生成仿真星点。

2.根据权利要求1所述的一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，其特征在于：S1中所述星点模型为：

式中，(x₀,y₀)为星点的能量重心；(x,y)为星点中每个像元的坐标；σ为星点模型的方差参数，μ为星点模型的能量系数参数，A为星点模型的能量参数。

3.根据权利要求1所述的一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，其特征在于：S2中星点能量阈值为星点包含的像元的最大个数。

4.根据权利要求1所述的一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，其特征在于：S3中星等计算星点能量的方法为：

E＝(-k)×log₁₀μ

式中，E为所提取观测星的星等，k为常值系数，μ为星点模型的能量系数参数。

5.根据权利要求1所述的一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，其特征在于：S3中星能等级最低的星点能量阈值为星点包含的像元的个数大于9。

6.根据权利要求1所述的一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，其特征在于：S3中星能等级最高的星点灰度阈值小于等于255。

7.根据权利要求3所述的一种根据星能量等级生成仿真星点的方法，其特征在于：S2中星点能量阈值小于等于200。

8.一种根据星能量等级的星点模拟装置，其特征在于：包括星点生成模块、星等计算模块；

所述星点生成模块根据生成仿真星点，所述星等计算模块根据计算星等；

式中，μ为星点模型的能量系数参数，E_i为某一星点的星等，S_i为某一星点的星能量，(x₀,y₀)为星点的能量重心；(x,y)为星点中每个像元的坐标。

9.根据权利要求8所述的一种根据星能量等级的星点模拟装置，其特征在于：所述星点模拟装置模拟的星能等级最高的星点灰度阈值小于等于255。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时，实现权利要求1～7之一所述方法的步骤。