CN113348765B - 基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法包括：1)初始化星敏感器全天识别星库；2)采用蒙特卡洛法生成服从均匀分布的覆盖全天球的光轴指向样本；3)对第i个光轴指向样本，在其对应的天区内，在星跟踪导航星表S中查找恒星，形成集合Q_i；4)对集合Q_i，选择星模式，对各可能的星模式进行定量评价，并将组成最优星模式的角距加入星敏感器全天识别星库中；5)判断是否遍历所有步骤2)生成的光轴指向样本，若为否，i＝i+1，返回步骤3)，若为是，则结束。本发明可生成既满足全天球覆盖完备性要求且数据量小的全天识别星库。

Description

基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法

技术领域

本发明涉及星敏感器全天识别星库构建，具体涉及一种基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法。

背景技术

星敏感器是空间飞行器GNC系统的关键部件，是基于计算机视觉测量理论研制的空间精密仪器，主要用于空间飞行器三轴姿态测量和空间飞行器导航。星敏感器通常包括光学及其精密结构系统、光电探测器、信号处理电路和软件。基于计算机视觉测量理论，以恒星稳定的光信号作为输入，星敏感器可以得到恒星在其本体坐标系内的精确位置，再由其内部星表存储的恒星基于地心惯性坐标系的位置信息，可以得到星敏感器本体相对于地心惯性坐标系的三轴姿态信息，从而得到空间飞行器本体相对于地心惯性系的三轴姿态信息。

星敏感器所具备的全天识别及姿态计算功能离不开全天识别星库的支持。全天识别星库一般由恒星角距组成，恒星角距包含三个要素(恒星1标识，恒星2标识，恒星1与恒星2角距)。全天识别星库内置于星敏感器电子学系统的存储器中。构建全天识别星库时，一方面要确保其完备性，这直接决定星敏感器全天识别的成功概率；另一方面，受星敏感器内部存储空间限制，必须在满足完备性要求的前提下，使星库数据规模尽可能减小。

宇航用高精度或甚高精度星敏感器视场一般为10°～20°，探测灵敏度为5.5m_v～6.5m_v。随着星等数值增加，恒星数量呈几何级数增长。根据20万次的全天球抽样统计，星敏感器光轴指向任意天区时，其视场内的恒星数量最少为10颗左右，最多可超过80颗，根据星敏感器全天识别的算法要求，在任意天区，角距表中至少应包含3条可构成星模式的记录才能满足识别要求。

构建全天识别星库的复杂性表现在以下几个方面：

a)需解决完备性与数据量的矛盾：若将所有角距值在视场范围内的星对纳入角距表，则可保证星库完备性，但角距表的记录数将达到百万量级，星敏感器的存储空间无法满足要求，故需在满足完备性的前提下，尽量压缩星库数据规模；

b)需考虑快速全天识别的要求：优先挑选能够组成星模式(如三角形)，且星等值最小的若干恒星组成星对纳入角距库，星敏感器软件可通过能量值排序对星点优选，从而提高识别速度，同时角距表按升序排列，可通过二分法快速查找；

c)需考虑全天识别正确率的要求：要保证星模式的质量，避免出现星模式对应的矢量组线性相关。

由于星敏感器在轨飞行期间，其光轴可能指向全天球的任意天区，因此，需保证在任意光轴指向下，全天识别星库中要有足够数量(至少3条)的角距记录组成优质的星模式用于快速、准确的完成全天识别，同时，全天识别星库的数据总量一般不大于32k字节，否则需要配置额外的存储空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，生成既满足全天球覆盖完备性要求且数据量小的全天识别星库。

为了达到上述的目的，本发明提供一种基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，包括：1)初始化星敏感器全天识别星库；2)采用蒙特卡洛法生成服从均匀分布的覆盖全天球的光轴指向样本；3)对第i个光轴指向样本，在其对应的天区内，在星跟踪导航星表S中查找恒星，形成集合Q_i；4)对集合Q_i，选择星模式，对各可能的星模式进行定量评价，并将组成最优星模式的角距加入星敏感器全天识别星库中；5)判断是否遍历所有步骤2)生成的光轴指向样本，若为否，i＝i+1，返回步骤3)，若为是，则结束。

上述基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其中，所述步骤4)中对各可能的星模式进行定量评价，包括：计算各星模式的特征量，所述特征量包括星模式面积A、星模式内角的均方根B、组成星模式的恒星星等最大值C；将A、B、C归一化后，按公式

分别计算各星模式的权重；权重最大的星模式选为最优星模式。

上述基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其中，所述星模式为三角形、四边形、五边形或星形。

上述基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其中，所述步骤4)中选择的星模式为三角形，将集合Q_i中的恒星按照星等升序排列，取前6颗恒星，对该6颗恒星能组成的各可能三角形分别计算特征量，所述特征量包括三角形面积A、三角形三个内角的均方根B、组成三角形的三颗恒星星等最大值C；将A、B、C归一化后，按公式

分别计算各三角形的权重；权重最大的两个三角形即为最优的两个三角形。

上述基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其中，光轴指向样本是蒙特卡洛法生成的赤经ra在[0，2π]，赤纬dec在

范围内服从均匀分布的随机数序列。

上述基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其中，所述步骤3)中，第i个光轴指向样本对应的天区为以该光轴指向为圆心，FOV/2为半径的圆形区域，FOV为星敏感器视场角。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

本发明的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，采用蒙特卡洛法(随机抽样算法)生成光轴指向样本，只要样本数足够多就可保证构建的星敏感器全天识别星库满足全天球覆盖完备性要求；角距表L初始为空，再将组成最优三角形的角距加入角距表L中，这样大大减小了角距表L的数据量，有利于压缩星敏感器全天识别时的时间。

附图说明

本发明的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法由以下的实施例及附图给出。

图1是本发明较佳实施例的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法的流程图。

图2是10万次随机抽样全天球覆盖图。

图3是本实施例中某次随机抽样对应的视场(天区)内恒星分布图及三角形构成示意图。

具体实施方式

以下将结合图1～图3对本发明的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法作进一步的详细描述。

参见图1，本发明较佳实施例的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法包括如下步骤：

1)初始化星敏感器全天识别星库；

清空星敏感器全天识别星库，即经初始化后的星敏感器全天识别星库不包含任何数据；

2)采用蒙特卡洛法生成服从均匀分布的覆盖全天球的光轴指向样本；

本实施例中，光轴指向样本是蒙特卡洛法生成的赤经ra在[0，2π]，赤纬dec在

范围内服从均匀分布的随机数序列；当ra和dec为确定的值时，星敏感器光轴指向即随之确定；

根据大数定律，当随机抽样的样本数足够多时，全部天球(即全天球)被覆盖的概率可以达到100％，确定随机抽样的样本数与星敏感器视场有关，对于大视场星敏感器(星敏感器视场角FOV≥16°)，随机抽样10万次可稳定的实现全天球覆盖，对于中等视场星敏感器(10°≤FOV＜16°)，随机抽样50万次可稳定的实现全天球覆盖；

本发明采用蒙特卡洛法(随机抽样算法)生成光轴指向样本，只要样本数足够多就可保证构建的星敏感器全天识别星库满足全天球覆盖完备性要求；

为生成星敏感器全天识别角距表L，本实施例随机抽样10万次，图2所示为10万次随机抽样的全天球覆盖图，按照大数定律，10万次抽样已足够覆盖全天球；

3)对第i个光轴指向样本，在其对应的天区内，在星跟踪导航星表S中找恒星，形成集合Q_i，如图3；

对于任意一个光轴指向样本，其对应的天区是唯一确定的，该天区为以该光轴指向为圆心，FOV/2为半径的圆形区域，FOV为星敏感器视场角；

所述星跟踪导航星表S是用于恒星跟踪的星库，该星库包含恒星坐标(即恒星基于地心惯性坐标系的位置信息)、星等(衡量天体光度的量)等数据；从已知的全天球恒星表中，将满足预置条件的恒星选择出来就可形成所述星跟踪导航星表S；形成星跟踪导航星表S可采用现有技术，本发明对此不作限制；

4)对集合Q_i，选择星模式，对各可能的星模式进行定量评价，并将组成最优星模式的角距加入角距表L(即星敏感器全天识别星库)中；

所述星模式例如三角形、四边形、五边形、星形；

本实施例以三角形为例，所述步骤4)包括：

4-1)将集合Q_i中的恒星按照星等升序排列，取前6颗恒星；

任意一个恒星矢量投影至星敏感器靶面上形成一个点，任意三个点可组成一个三角形，6颗恒星可投影形成6个点，可组成20个三角形；

4-2)以面积、内角均方根和星等为评价指标，选择最优的两个三角形；

计算各三角形的特征量，所述特征量包括三角形面积A、三角形三个内角的均方根B、组成三角形的三颗恒星星等最大值C；将A、B、C归一化后，按公式

分别计算各三角形的权重；权重最大的两个三角形即为最优的两个三角形；

本实施例中，6颗恒星可组成20个三角形，对该20个三角形分别计算其特征量A、B、C，分别计算其权重；

三角形面积越大，表明组成该三角形的三颗恒星的位置区分度越大，有利于识别；为避免线性相关度强的点组成三角形，计算三角形三个内角的均方根，该值越小，三角形越接近于等边三角形，有利于全天识别；三角形三个顶点的星等，星等越小，能量越强，易于识别，因此以三个顶点星等最大值作为判据，该值越小，三角形越利于识别；

4-3)将组成最优两个三角形的角距加入角距表L中；

5)判断是否遍历所有步骤2)生成的光轴指向样本，若为否，i＝i+1，返回步骤3)，若为是，则结束，即完成了星敏感器全天识别星库的构建。

对于其他星模式(例如四边形)，上述步骤4)仍适用，只需调整步骤4-1)中选取的恒星数。

本发明中角距表L(即星敏感器全天识别星库)初始为空，再将组成最优三角形的角距加入角距表L中，这样大大减小了角距表L的数据量。

现有技术的星敏感器全天识别星库构建方法是将全天球展评，按照指定步长(如1°)逐步划过全天球，并选择视场内能量较强的恒星，该方法存在视场旋转、天球展平间断等问题，且计算复杂、覆盖率仅达到70％。

构建星敏感器全天识别星库后对星敏感器全天识别星库的完备性进行检测，即每个光轴指向样本对应的天区内角距数量应满足最低要求(至少3条，且能够组成三角形)。

需要说明的是，根据切比雪夫大数定律，角距表L的完备性是由星跟踪导航星表S的完备性和抽样次数足够多这两项条件保证的。在生成角距表L后，若某个光轴指向样本不满足完备性要求，则在该光轴指向样本对应的天区内从星跟踪导航星表S中查找恒星，再按照步骤3)与步骤4)选取最优三角形，并将其角距添加至角距表L中。

较优地，构建星跟踪导航星表S包括以下步骤：

A)初始化星跟踪导航星表S；

清空星跟踪导航星表S；

B)采用蒙特卡洛法生成服从均匀分布的覆盖全天球的光轴指向样本；

本实施例中，光轴指向样本是蒙特卡洛法生成的赤经ra在[0，2π]，赤纬dec在

范围内服从均匀分布的随机数序列；当ra和dec为确定的值时，星敏感器光轴指向即随之确定；

C)对第j个光轴指向样本，在其对应的天区内，在已知的全天球恒星表找恒星，形成集合A_j；

D)对集合A_j，将其中的双星、变星剔除，将在指定星等范围之外的恒星剔除，将在指定光谱范围之外的恒星剔除；

E)将步骤D)得到的集合中的恒星加入星跟踪导航星表S中，若恒星已在S中存在，不重复加入；

F)判断是否遍历所有步骤B)生成的光轴指向样本，若为否，j＝j+1，返回步骤C)，若为是，则结束，即完成了星跟踪导航星表S的构建。

构建星跟踪导航星表S后对星跟踪导航星表S的完备性进行检测，即每个光轴指向样本对应的天区内恒星数量应满足最低要求，若某个光轴指向样本不满足完备性要求，则针对该光轴指向样本再次进行步骤C)～步骤E)的处理，此时，可适当放宽指定星等范围和指定光谱范围。

对于本实施例构建星跟踪导航星表S的方法，因为采用蒙特卡洛法生成光轴指向样本，只要样本数足够多就可保证S满足全天球覆盖完备性要求。

Claims (6)

1.基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其特征在于，包括：

1)初始化星敏感器全天识别星库；

2)采用蒙特卡洛法生成服从均匀分布的覆盖全天球的光轴指向样本；

3)对第i个光轴指向样本，在其对应的天区内，在星跟踪导航星表S中查找恒星，形成集合Q_i；

4)对集合Q_i，选择星模式，对各可能的星模式进行定量评价，并将组成最优星模式的角距加入星敏感器全天识别星库中；

5)判断是否遍历所有步骤2)生成的光轴指向样本，若为否，i＝i+1，返回步骤3)，若为是，则结束。

2.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其特征在于，所述步骤4)中对各可能的星模式进行定量评价，包括：计算各星模式的特征量，所述特征量包括星模式面积A、星模式内角的均方根B、组成星模式的恒星星等最大值C；将A、B、C归一化后，按公式

分别计算各星模式的权重；权重最大的星模式选为最优星模式。

3.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其特征在于，所述星模式为三角形、四边形、五边形或星形。

4.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其特征在于，所述步骤4)中选择的星模式为三角形，将集合Q_i中的恒星按照星等升序排列，取前6颗恒星，对该6颗恒星能组成的各可能三角形分别计算特征量，所述特征量包括三角形面积A、三角形三个内角的均方根B、组成三角形的三颗恒星星等最大值C；将A、B、C归一化后，按公式

分别计算各三角形的权重；权重最大的两个三角形即为最优的两个三角形。

5.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其特征在于，光轴指向样本是蒙特卡洛法生成的赤经ra在[0，2π]，赤纬dec在

范围内服从均匀分布的随机数序列。

6.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的星敏感器全天识别星库构建方法，其特征在于，所述步骤3)中，第i个光轴指向样本对应的天区为以该光轴指向为圆心，FOV/2为半径的圆形区域，FOV为星敏感器视场角。

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