CN112665579A - 基于几何验证的星图识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了基于几何验证的星图识别方法和装置。所述方法包括：获取当前待识别星图，所述当前待识别星图为星敏感器采集到的多幅星图中的一幅；将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配；响应于匹配成功，将匹配到的目标观测星图对应的坐标作为星敏感器的坐标，确定飞行器的位置姿态。以此方式，能够简化根据在FOV中捕获的恒星确定航天器的姿态的方法，同时对伪星和遗漏星具有很强的适应性。

Description

基于几何验证的星图识别方法和装置

技术领域

本公开的实施例一般涉及图像处理技术领域，并且更具体地，涉及基于几何验证的星图识别方法和装置。

背景技术

在航空航天中，确定航天器的姿态很重要，因此开发可靠，准确的姿态测量系统是重要任务之一。在过去的几十年中，陀螺仪，太阳传感器，GPS和星传感器(也称为恒星跟踪器)得到了开发和广泛使用。其中，星敏感器是具有较高准确性和可靠性的空间姿态传感器。它通过观察被广泛使用的恒星来确定航天器的姿态。恒星传感器首先获取天空中的恒星图像，然后将其与存储在内存中的恒星数据库(SPD)进行匹配，以在定义的视场(FOV)中识别恒星并确定航天器的姿态。

星传感器在两种情况下工作。第一种模式称为“姿态丢失”，在这种情况下，星传感器不知道航天器的姿态信息，因此，星传感器首先识别在FOV中捕获的恒星并确定航天器的姿态，然后转移到第二种模式称为跟踪模式。

现有技术中根据在FOV中捕获的恒星确定航天器的姿态的方法复杂，对伪星和遗漏星的适应性差。

发明内容

根据本公开的实施例，提供了一种基于几何验证的星图识别方法和装置，能够简化根据在FOV中捕获的恒星确定航天器的姿态的方法，同时对伪星和遗漏星具有很强的适应性。

在本公开的第一方面，提供了一种基于几何验证的星图识别方法，包括：

获取当前待识别星图，所述当前待识别星图为星敏感器采集到的多幅星图中的一幅；

将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配；

响应于匹配成功，将匹配到的目标观测星图对应的坐标作为星敏感器的坐标，确定飞行器的位置姿态。

在一些实施例中，所述星图数据库通过以下方式建立：

对于多颗作为参考星的恒星中的一颗，确定该参考星的像平面；

将距离该参考星最近的恒星作为该参考星的伴星；

将该参考星与伴星的连线方向作为X轴，正交X轴的方向作为Y轴，建立坐标系，将该参考星的像平面中的其他恒星对应到建立的坐标系中；

对所有参考星进行上述操作，生成多个像平面，由多个像平面共同构成上述星图数据库。

在一些实施例中，参考星的像平面由以下方式确定：

从天球球心到参考星形成的射线用参数方程表示为：

其中α_i和β_i表示恒星的赤经赤纬，并且t＞0，i为正整数，表示参考星的编号；

选择一个恒星D作为参考星，D在单位球面上的投影为D(x_D,y_D,z_D)，在D(x_D,y_D,z_D)处做切平面：

切平面是一个半径为

的圆，切平面的大小和星敏感器的视角S的大小关系为：

切平面即为所述的参考星的像平面，相交点为参考星在像平面上的成像。

在一些实施例中，还包括：

对所述当前待识别星图进行预处理，对所述当前待识别星图进行去噪，并将去噪后的当前待识别星图的尺寸缩放为与所述星图数据库中的观测星图的尺寸相同。

在一些实施例中，所述将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配，包括：

依次将所述待识别星图中的恒星作为参考星，确定所述待识别星图中的参考星的伴星；

根据所述待识别星图中的参考星和对应的伴星生成多个待查询图像；

将每个所述待查询图像与所述星图数据库中的观测星图进行匹配；

响应于待查询图像与观测星图的匹配度大于预设阈值，则判定为匹配成功。

在一些实施例中，所述将每个所述待查询图像与所述星图数据库中的观测星图进行匹配，具体包括：

对于一张待查询图像，将待查询图像中的恒星根据与中心点的距离按照从小到大顺序排序，可以产生与恒星数量相同张数的待查询图像；

选择一张待查询图像，判断选择的待查询图像与所述星图数据库中的每一张观测星图是否匹配，若匹配，则将选择的待查询图像与数据库中的观测星图对齐。

在一些实施例中，所述响应于待查询图像与观测星图的匹配度大于预设阈值，则判定为匹配成功，包括：

计算对齐后的待查询图像中的除参考星和伴星外的任意一颗恒星与观测星图中的除参考星和伴星外的任意一颗恒星之间的距离，当该距离小于预设阈值时，确定选择的两颗恒星匹配；

当对齐后的待查询图像中的除参考星和伴星外的恒星与观测星图中的除参考星和伴星外的恒星匹配数在待查询图像中的占比大于预设阈值时，则判定为匹配成功。

在本公开的第二方面，提供了一种基于几何验证的星图识别装置，包括：

待识别星图获取模块，用于获取当前待识别星图，所述当前待识别星图为星敏感器采集到的多幅星图中的一幅；

星图匹配模块，用于将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配；

姿态确定模块，用于响应于匹配成功，将匹配到的目标观测星图对应的坐标作为星敏感器的坐标，确定飞行器的位置姿态。

在本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如以上所述的方法。

在本公开的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如以上所述的方法。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

通过本公开的基于几何验证的星图识别方法和装置，能够简化根据在FOV中捕获的恒星确定航天器的姿态的方法，同时对伪星和遗漏星具有很强的适应性。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了本公开实施例一的基于几何验证的星图识别方法的流程图；

图2示出了本公开实施例二的参考星的像平面确定方法示意图；

图3示出了本公开实施例三的基于几何验证的星图识别装置的结构示意图；

图4示出了本公开实施例四的基于几何验证的星图识别设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本公开实施例的方法，应用于航天器上，根据星敏感器的视场中的恒星确定航天器的姿态。具体地，如图1所示，为本公开实施例一的基于几何验证的星图识别方法的流程图。作为本公开的一个实施例，所述方法可以包括以下步骤：

S101：获取当前待识别星图，所述当前待识别星图为星敏感器采集到的多幅星图中的一幅。

航天器在飞行的过程中，星敏感器会按照预设时间间隔确定航天器所在的空间位置，即星敏感器通过视场(FOV)中的恒星来确定航天器的当前空间位置。星敏感器在确定航天器所在的空间位置时，会采集视场中的星图。对于星敏感器采集到的多幅星图中的一幅，即为所述当前待识别星图。

S102：将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配。

S103：响应于匹配成功，将匹配到的目标观测星图对应的坐标作为星敏感器的坐标，确定飞行器的位置姿态。

在本实施例中，星图数据库通过以下方式建立：对于多颗作为参考星的恒星中的一颗，确定该参考星的像平面；将距离该参考星最近的恒星作为该参考星的伴星；将该参考星与伴星的连线方向作为X轴，正交X轴的方向作为Y轴，建立坐标系，将该参考星的像平面中的其他恒星对应到建立的坐标系中；对所有参考星进行上述操作，生成多个像平面，由多个像平面共同构成上述星图数据库。

具体地，可以使用星图目录中的星图建立星图数据库。较小的恒星比较大的恒星更容易被传感器观测到，因此它们在导航中更稳定。为了确保导航的稳定性，需要对恒星进行筛选。同时，应确保星图数据库的完整性。避免消除太多数量较大的恒星，以免在天体表面的恒星分布中产生空穴。因此，使用相对大小小于6.0的每个恒星来建立星图数据库，本实施例中的相对大小可以是以一个恒星的为标准恒星，其他恒星的大小可以表示为标准恒星的倍数，这里的恒星大小都是指的星图目录中的星图中的恒星的大小。

对于多颗作为参考星的恒星中的一颗，确定该参考星的像平面；将距离该参考星最近的恒星作为该参考星的伴星；将该参考星与伴星的连线方向作为X轴，正交X轴的方向作为Y轴，建立坐标系，将该参考星的像平面中的其他恒星对应到建立的坐标系中；对所有参考星进行上述操作，生成多个像平面，由多个像平面共同构成上述星图数据库。

天球被视为无穷大的球面，恒星分布在天球上。当星敏感器的方向不变且仅执行平移时，恒星在星敏感器上的成像位置将几乎不变。因此，可以认为天坐标系的原点和星传感器坐标系的原点是重合的，即，仅考虑了坐标系的旋转变换而没有考虑坐标系的平移变换。星图数据库通过对像面上的所有恒星成像来构造，但是，由于相机的焦距未知，因此无法计算特定像面上的恒星成像。

使用投影变换来近似恒星在像平面上的成像，将天球面上的恒星投影在具有相同球心的单位球的切平面上，切平面的大小是固定的，它由相机视场决定。如图2所示，为本公开实施例二的参考星的像平面确定方法示意图。从球心到恒星形成的射线可以用参数方程表示为：

其中α_i和β_i表示恒星的赤经赤纬，并且t＞0。选择一个恒星D作为参考星，D在单位球面上的投影为D(x_D,y_D,z_D)，在D(x_D,y_D,z_D)处做切平面：

切平面是一个半径为

的圆，它的大小和星敏感器的视角大小有关S有关：

联立公式(1)(2)可以求得射线与切平面的相交点，相交点可以近似为恒星在像平面上的成像。

对于一张待查询图像，将待查询图像中的恒星根据与中心点的距离按照从小到大顺序排序，可以产生与恒星数量相同张数的待查询图像。

选择一张待查询图像，判断选择的待查询图像与所述星图数据库中的每一张观测星图是否匹配，若匹配，则将选择的待查询图像与数据库中的观测星图对齐。所述响应于待查询图像与观测星图的匹配度大于预设阈值，则判定为匹配成功，包括：计算对齐后的待查询图像中的除参考星和伴星外的任意一颗恒星与观测星图中的除参考星和伴星外的任意一颗恒星之间的距离，当该距离小于预设阈值时，确定选择的两颗恒星匹配；当对齐后的待查询图像中的除参考星和伴星外的恒星与观测星图中的除参考星和伴星外的恒星匹配数在待查询图像中的占比大于预设阈值时，则判定为匹配成功。

为了使星图也旋转不变，选择恒星D周围最近的恒星作为伴星，以该方向为X轴，以正交方向为Y轴建立新的坐标系。天球上的每颗恒星都可以看作是参考恒星并具有一定的模式。

为了保证匹配成功，模式必须具有旋转不变性和尺度一致性。

为确保它具有旋转不变性使用以下方法构建模式，首先在查询星图中选择一颗恒星作为参考星，然后在参考星周围选择距离最近的恒星作为伴星，然后将伴星旋转到x轴的正半轴，作为参考恒星的图案。无论是星图数据库的构建还是查询星图获取，都没有用到相机的焦距信息，因此星图数据库的观测图像和查询星图具有尺度差异，无法用简单的距离来衡量它们之间的关系。

为确保它具有尺度一致性使用以下方法构建模式，假设一个查询星图Q内共有N个恒星，依次选择不同的恒星作为参考星，经过标准化处理之后可以产生N个待查询图像P_i ^Q(i＝1,…N)，

对于一个查询星图Q，将图像中的N个恒星按照和中心点的距离按从小到大顺序排序，每个恒星经过上述的步骤可以产生N个查询星图P_i ^Q(i＝1,…N)。选择一张查询星图P_i ^Q(i＝1)，若星图P_i ^Q与数据库中的一张星图P_j ^D(j∈1,…M)匹配，将P_i ^Q与数据库中的星图P_j ^D对齐，那么P_i ^Q与P_j ^D会重合在一起。令S＝0，P_i ^Q内有N个恒星，P_j ^D内有M_j个恒星，分别计算这N个恒星与M_j个恒星的距离，若两个恒星距离小于l(实验中取l＝0.002)，则认为这两个恒星相互匹配，并且S＝S+1。P_i ^Q和P_j ^D内成功匹配的恒星不重复计算，用

来衡量P_i ^Q和P_j ^D的相似性。计算P_i ^Q与所有的P_j ^D(j＝1,…,M)的相似性，直到满足第四步的条件；

当SC_(i,j)大于某个阈值(比如70％)时则认为P_i ^Q和P_j ^D成功匹配，标注查询星图内恒星编号，算法结束；否则返回第二步，令i＝i+1。若N个查询星图均没有找到匹配星图，则匹配失败。

由于本实施例的方法，利用了待识别星图中大部分的恒星与星图数据库中的观测星图中的大部分的恒星进行匹配，摒挡相似性满足预设阈值时，才认定为匹配成功，因此对伪星和遗漏星具有很强的适应性。

本公开的基于几何验证的星图识别方法，能够简化根据在FOV中捕获的恒星确定航天器的姿态的方法，同时对伪星和遗漏星具有很强的适应性。

此外，作为本公开的一个可选实施例，在上述实施例中，还包括：

对所述当前待识别星图进行预处理，对所述当前待识别星图进行去噪，并将去噪后的当前待识别星图的尺寸缩放为与所述星图数据库中的观测星图的尺寸相同。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本公开并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本公开，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本公开所必须的。

以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本公开所述方案进行进一步说明。本实施例的基于几何验证的星图识别装置，包括：

待识别星图获取模块301，用于获取当前待识别星图，所述当前待识别星图为星敏感器采集到的多幅星图中的一幅；

星图匹配模块，用于将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配302；

姿态确定模块303，用于响应于匹配成功，将匹配到的目标观测星图对应的坐标作为星敏感器的坐标，确定飞行器的位置姿态。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

图4示出了本公开实施例四的基于几何验证的星图识别设备的结构示意图。图4示出的终端设备仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，计算机系统包括中央处理单元(CPU)401，其可以基于存储在只读存储器(ROM)402中的程序或者从存储部分408加载到随机访问存储器(RAM)403中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM403中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU401、ROM402以及RAM403通过总线404彼此相连。输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。

以下部件连接至I/O接口405：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也基于需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，基于需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序基于需要被安装入存储部分408。

特别地，基于本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分509从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质511被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)501执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (10)

1.一种基于几何验证的星图识别方法，其特征在于，包括：

获取当前待识别星图，所述当前待识别星图为星敏感器采集到的多幅星图中的一幅；

将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配；

响应于匹配成功，将匹配到的目标观测星图对应的坐标作为星敏感器的坐标，确定飞行器的位置姿态。

2.根据权利要求1所述的基于几何验证的星图识别方法，其特征在于，所述星图数据库通过以下方式建立：

对于多颗作为参考星的恒星中的一颗，确定该参考星的像平面；

将距离该参考星最近的恒星作为该参考星的伴星；

将该参考星与伴星的连线方向作为X轴，正交X轴的方向作为Y轴，建立坐标系，将该参考星的像平面中的其他恒星对应到建立的坐标系中；

对所有参考星进行上述操作，生成多个像平面，由多个像平面共同构成上述星图数据库。

3.根据权利要求2所述的基于几何验证的星图识别方法，其特征在于，参考星的像平面由以下方式确定：

从天球球心到参考星形成的射线用参数方程表示为：

其中α_i和β_i表示恒星的赤经赤纬，并且t＞0，i为正整数，表示参考星的编号；

选择一个恒星D作为参考星，D在单位球面上的投影为D(x_D,y_D,z_D)，在D(x_D,y_D,z_D)处做切平面：

切平面是一个半径为

的圆，切平面的大小和星敏感器的视角S的大小关系为：

切平面即为所述的参考星的像平面，相交点为参考星在像平面上的成像。

4.根据权利要求1所述的基于几何验证的星图识别方法，其特征在于，还包括：

对所述当前待识别星图进行预处理，对所述当前待识别星图进行去噪，并将去噪后的当前待识别星图的尺寸缩放为与所述星图数据库中的观测星图的尺寸相同。

5.根据权利要求3所述的基于几何验证的星图识别方法，其特征在于，所述将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配，包括：

依次将所述待识别星图中的恒星作为参考星，确定所述待识别星图中的参考星的伴星；

根据所述待识别星图中的参考星和对应的伴星生成多个待查询图像；

将每个所述待查询图像与所述星图数据库中的观测星图进行匹配；

响应于待查询图像与观测星图的匹配度大于预设阈值，则判定为匹配成功。

6.据权利要求5所述的基于几何验证的星图识别方法，其特征在于，所述将每个所述待查询图像与所述星图数据库中的观测星图进行匹配，具体包括：

对于一张待查询图像，将待查询图像中的恒星根据与中心点的距离按照从小到大顺序排序，可以产生与恒星数量相同张数的待查询图像；

选择一张待查询图像，判断选择的待查询图像与所述星图数据库中的每一张观测星图是否匹配，若匹配，则将选择的待查询图像与数据库中的观测星图对齐。

7.据权利要求6所述的基于几何验证的星图识别方法，其特征在于，所述响应于待查询图像与观测星图的匹配度大于预设阈值，则判定为匹配成功，包括：

计算对齐后的待查询图像中的除参考星和伴星外的任意一颗恒星与观测星图中的除参考星和伴星外的任意一颗恒星之间的距离，当该距离小于预设阈值时，确定选择的两颗恒星匹配；

当对齐后的待查询图像中的除参考星和伴星外的恒星与观测星图中的除参考星和伴星外的恒星匹配数在待查询图像中的占比大于预设阈值时，则判定为匹配成功。

8.一种基于几何验证的星图识别装置，其特征在于，包括：

待识别星图获取模块，用于获取当前待识别星图，所述当前待识别星图为星敏感器采集到的多幅星图中的一幅；

星图匹配模块，用于将所述待识别星图与预先建立的星图数据库中的观测星图进行匹配；

姿态确定模块，用于响应于匹配成功，将匹配到的目标观测星图对应的坐标作为星敏感器的坐标，确定飞行器的位置姿态。

9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。

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，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。

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