CN114166211B - 一种双视场星敏感器星图识别方法 - Google Patents

一种双视场星敏感器星图识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双视场星敏感器星图识别方法，该方法首先利用两个探头光轴指向关系，任选一个视场作为基准，利用旋转矩阵将两个视场的恒星星点坐标进行坐标系的统一；然后利用本发明提出的双视场星图识别算法，对统一坐标系后的所有星点进行匹配识别。本发明相较于传统星图识别方法，主星确定后，引入一个评价指标，综合考虑恒星的星等与距离信息，识别结果可靠性更好。

Description

一种双视场星敏感器星图识别方法
技术领域
本发明涉及星图识别技术领域，尤其涉及一种双视场星敏感器的星图识别方法。
背景技术
目前多数高分辨率遥感卫星均选择星敏感器作为对姿态进行控制的主要控件，这主要是受其定姿结果可靠、定姿精度高并且拥有较强自主性的特性所决定。随着影像产品对几何定位精度的要求越来越高，单一视场定姿精度已经无法满足需求。采用星敏感器进行定姿的关键处是星图识别，识别率以及识别效率可以作为衡量星图识别算法能否满足需求的标准。
目前，大量基于星敏感器的星图识别算法主要针对的对象是单一视场星敏感器，可以将其大致分为两类，子图同构与模式识别。前者主要是把恒星看做一个多边形的顶点，利用已知的恒星视星等以及通过计算求取出的恒星星对角距信息，连接多颗恒星，将其构造成多边形，以此作为特征，从而完成匹配识别。构造三角形、匹配组的识别模式是其中较为经典的算法。这一类算法益处是算法本身容易实现，但缺点也很明显，算法受噪声影响较大，同时，导航星库中存储的星间角距过多，容易造成识别效率的低下。后者的识别效率得到明显的提高，算法核心在于分别对每颗恒星进行特征分析，构造其唯一特征，利用特征的唯一性，在导航星表中进行查找匹配。基于栅格算法、统计特征识别法为此类中较为经典的算法，但其缺点是特征不容易构造，算法比较复杂。以上两类传统的单视场星图识别算法均不能完全适用于多视场星敏感器。
为了保证星敏感器定姿精度足够高，对角分辨率的要求较高，而视场大小与分辨率存在相互制约性，若采用较小视场角，那么获取的恒星数量受到限制，容易造成姿态的丢失；若增大视场角，则会降低角分辨率，姿态精度无法达到要求。基于此，二者之间的矛盾，成为了限制定姿精度的主要原因。多视场星敏感器很好的解决了这一矛盾，多探头同时工作的模式，可以捕捉足够的恒星信息用以匹配识别，同时可以采用较小视场角，以满足角分辨率的需求。捕捉的恒星信息在天区中的分布较为分散，可以很好的提升垂直光轴方向的姿态精度，是未来星敏感器发展的主流。
目前国内公开的多视场星敏感器星图识别相关算法较少，尤政等人公开发明了一种双视场星敏感器，星敏感器内部装置一个成45°倾斜的平面镜，以保证经过视场入射的光线在进行透射的同时进行光线反射，两个视场共用一个CCD成像，根据光线角度，可以计算出几何关系，从而完成星图识别。这种方法不宜区分CCD中的星点来自哪个视场，并且入射光线经过反射，必然会导致光线的丢失，对成像星点亮度带来影响。王昊京等人利用电子设备对不同视场光轴指向进行粗侧，以减小导航星库存储量，优先在视场内进行三角形识别，若无法成功识别，则联合其它视场进行识别。但三角形算法局限性较多，同时，电子设备精度有限。熊雪、姜迪等人均针对多视场提出了相关星图识别算法，但此类算法的核心是对星图的拼接或者融合，而拼接、融合的前提是不同视场拍摄成像的星图具有重复星，若视场光轴夹角较大，星图中不包含重叠恒星，则此类算法无法进行。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种双视场星敏感器的星图识别方法，本方法不受星敏感器光轴夹角限制，具有较高的星图识别率以及识别速度。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种双视场星敏感器的星图识别方法，包括：
S1获取同一时刻，两个视场拍摄到的恒星星点坐标；
S2将视场的恒星星点坐标转换为像空间坐标，并进行矢量归一处理；
S3利用两个视场的光轴指向关系，选其中一视场作为基准，利用旋转矩阵将两个视场的恒星星点坐标进行坐标系的统一；
S4利用星点亮度信息，将所有的恒星星点按照从亮至暗的顺序进行排序；
S5分别选择两个视场中最亮的星点作为主星，以主星为基准，分别确定两个视场的搜索半径；
S6计算搜索半径内所有恒星的灰度总和以及与主星之间的角距总和，引入评价指标；
S7以各自视场的主星为基准，选定主星搜索半径内指标值最大与次大的两颗星作为伴星；
S8根据恒星出现的次数，筛选出所有可能是主星的候选星，两组候选星两两构成主星候选星对；
S9将选取的伴星相连，以及主星与各自的伴星相连，确定候选星对信息，进行匹配识别；
S10将未参与匹配识别的恒星与主星模型相连，并对星角距进行计算，将星对角距与导航星库中保存的星对角距信息进行差值计算，若二者差值满足匹配门限要求，将该星对视为候选星，同时候选星的星号需要能够保证与S7中的几颗恒星星号成功相连，此时，则该星成功匹配；
循环遍历，直至该帧星图中，所有星点完成匹配。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
(1)采用统一坐标系的形式，将第二视场星点坐标转换到第一视场下，避免了星图识别方法受两个视场光轴夹角的限制；
(2)引入一个评价指标，指标中考虑了恒星亮度信息以及距离信息，以此构造出主星模型，此方法选取的恒星识别结果可靠性更好；
(3)主星模型成功匹配后，副星识别是在主星模型的基础上进行，减少了匹配计算量，降低了算法对硬件的要求，降低了硬件成本。
附图说明
图1是双视场星敏感器的星图识别方法流程图；
图2是双视场成像模型图；
图3是构造主星模型示意图。
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，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，为双视场星敏感器的星图识别方法，包括以下步骤：
步骤1：获取同一时刻，两个视场拍摄到的恒星星点坐标。
步骤2：分别将各自视场的恒星星点坐标转换为像空间坐标，并进行矢量归一处理，如公式(1)所示。
Figure GDA0003445244200000041
其中，(X0,Y0)是星敏感器的透镜中心成像在像平面中的主点，f是其焦距。
步骤3：利用两个视场的光轴指向关系，任选其中一个视场作为基准，利用旋转矩阵将两个视场的恒星星点坐标进行坐标系的统一，式(2)为将第二视场下的坐标转换到第一视场下的转换公式。
W12＝AW2 (2)
其中，A为第二视场到第一视场的旋转矩阵，W2为第二视场恒星矢量，W12为转换后的恒星矢量信息。
步骤4：此时第一视场中的恒星星点数为两个视场恒星星点数量的总和，利用星点的亮度信息，将所有的恒星星点按照从亮至暗的顺序进行排序。
步骤5：确定主星。主星的选择至关重要，后续恒星的选取以及匹配识别均在此主星的基础上进行。恒星经星敏感器探测，成像在星图中，以灰度的形式来表示恒星亮度。在星图中，暗星容易受到噪声的影响，其可靠性相对较低，因此，选择灰度值最大的恒星作为主星。本发明确定的主星有两颗，选取各自视场中最亮的恒星作为主星，在选取之前，已经进行了坐标系的转换，将二视场下的恒星星点转换到了第一个视场，根据其坐标值，可以对恒星处于哪一视场进行判断。因此，在实际选取过程中，排序后的恒星，首先挑选最亮的一颗星作为主星a，对另一主星进行选取时，首先需要利用坐标判断该星是否与a位于同一视场中，若处于不同视场，则将此星判定为主星b，若是相同视场，则将该星跳过，对下一颗恒星坐标进行判断，直至找到另一视场最亮星，完成两颗主星的确定。
步骤6：以主星为基准，确定两个视场的搜索半径R1、r1以及R2、r2。
步骤7：计算搜索半径内，所有恒星的灰度总和以及与主星之间的角距总和，引入评价指标Index，如下式：
Index＝wgray-wang (3)
Figure GDA0003445244200000051
Figure GDA0003445244200000052
其中，gray为当前星的亮度信息，grayall为搜索半径内所有星亮度总和,angle为当前星距离信息，angleall为搜索半径内所有星距离信息的总和。
步骤8：以各自视场的主星为基准，选定主星搜索半径内指标值最大与次大的两颗星作为伴星，由此，两颗主星(a、b)以及四颗伴星选取完成，即(f、e)为a的伴星，(d、c)为b的伴星(图3为构造主星模型示意图)。
步骤9：主星的匹配。将主星与同一视场下，其余所有星相连，两两计算星对角距，记录该星对角距以及恒星序号保存，利用确定的索引方式，将星对角距与导航星库中保存的星对角距信息进行差值计算，若二者差值满足匹配门限要求，将该星对视为候选星对，保存星对角距以及恒星序号，并赋予恒星序号一个标识，以此记录该恒星重复出现的次数，原则上来说，出现的次数越多，该星是主星的可能性就越大，以此筛选出所有可能是主星的候选星，两组候选星两两构成主星候选星对。
双视场星图识别中，导航星库分为视场间与视场内两部分，视场间导航星库中的星对角距过多，且数值上差异很小，因此，二分查找会造成星图识别效率较低，序号和星对角距也无法满足近似直线的要求，因此，k-vector查找法也不适合作为索引方法，基于此，本发明选择分段直线拟合作为索引方法。
步骤10：4颗伴星两两相连，同时连接主星与其各自的两颗伴星，利用星对角距以及步骤9确定的候选星对信息，进行匹配识别。
步骤11：成功相连的结果只有一组，则此时完成对6颗星点的匹配识别。
步骤12：完成其余副星的识别。在步骤11的基础上，已经成功匹配识别出主星模型的6颗恒星，将其余未参与匹配识别的恒星与主星模型相连，对星对角距进行计算，将星对角距与导航星库中保存的星对角距信息进行差值计算，若二者差值满足匹配门限要求，将该星对视为候选星，同时候选星的星号需要能够保证与6颗恒星星号成功相连，此时，则该星成功匹配。循环遍历，直至该帧星图中，所有星点完成匹配。
如图2所示为双视场成像模型图，(X、Y、Z)是空间固定惯性参考系，本实施例中为J2000坐标系。(坐标系定义为：原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向(BIH国际时间局)，X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，Y轴按右手坐标系确定)。
(OA-XA、YA、ZA)、(OB-XB、YB、ZB)分别为视场Ⅰ与视场Ⅱ的相机坐标系。(坐标系定义为：原点(OA、OB)为CCD线阵的投影中心，(XA、XB)与影像的行方向平行，(YA、YB)与影像的列方向平行，(ZA、ZB)垂直于影像面)。
实施例2
星敏感器主要性能指标：
视场：8.9°×8.9°
面阵：2048×2048
星等范围：3.84-7.5
本实施例选取高分七号双视场星敏感器作为实验对象，数据为高分七号在轨测试期间下传星图，以10轨数据为例，对本实施例星图识别率以及星图识别时间进行实验统计。
(1)星图识别率
随即选取10轨星图数据，分别对各轨星图利用本实施例提出的双视场星图识别方法进行匹配识别，各轨星图识别成功率经统计，10轨数据总星图数为2141帧，成功识别的星图数为2133，星图识别率为99.6％,满足工程上星图识别率不低于98％的要求。
(2)星图识别时间
本实施例所处的实验硬件环境为：Intel(R)Core(TM)i5-4258U CPU；@2.40GHz；RAM 8GB。计算机系统：Windows XP。由于各轨星图数据中，所含星图帧数不同，因此各轨数据所用时间略有差异，统计所选10轨星图数据进行星图识别所用总时间，得到本实施例星图识别时间为81毫秒，满足工程上的要求。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种双视场星敏感器星图识别方法，其特征在于，包括：
S1获取同一时刻，两个视场拍摄到的恒星星点坐标；
S2将视场的恒星星点坐标转换为像空间坐标，并进行矢量归一处理；
S3利用两个视场的光轴指向关系，选其中一视场作为基准，利用旋转矩阵将两个视场的恒星星点坐标进行坐标系的统一；
S4利用星点亮度信息，将所有的恒星星点按照从亮至暗的顺序进行排序；
S5分别选择两个视场中最亮的星点作为主星，以主星为基准，分别确定两个视场的搜索半径；
S6计算搜索半径内所有恒星的灰度总和以及与主星之间的角距总和，引入评价指标；
S7以各自视场的主星为基准，选定主星搜索半径内指标值最大与次大的两颗星作为伴星；
S8将主星与同一视场下其余所有恒星相连，两两计算星对角距，记录星对角距以及恒星序号并保存；利用确定的索引方式，将星对角距与导航星库中保存的星对角距信息进行差值计算，若二者差值满足匹配门限要求，将该星对角距对应的星对视为候选星对，保存该星对角距以及恒星序号，并赋予恒星序号一个标识，以此记录该标识对应的 该恒星重复出现的次数，出现的次数越多，该恒星是主星的可能性就越大，以此筛选出所有可能是主星的候选星，两组候选星两两构成主星候选星对；
S9将4颗伴星两两相连，同时连接主星与其各自的两颗伴星，利用星对角距以及S8确定的候选星对信息，进行匹配识别；成功相连的结果只有一组，此时完成对主星模型的6颗恒星的匹配识别；
S10将未参与匹配识别的恒星与主星模型相连，对星对角距进行计算，将星对角距与导航星库中保存的星对角距信息进行差值计算，若二者差值满足匹配门限要求，将该星对角距对应的恒星视为候选星，同时候选星的星号需要能够保证与主星模型的6颗恒星星号成功相连，此时，则该恒星成功匹配；循环遍历，直至星图中所有星点完成匹配；
所述S6中评价指标为Index，公式如下：
Index＝wgray-wang
Figure FDA0003757833300000021
Figure FDA0003757833300000022
其中，gray为当前星的灰度，grayall为搜索半径内所有恒星的灰度总和，angle为当前星与主星之间的角距，angleall为搜索半径内所有恒星与主星之间的角距总和。
2.根据权利要求1所述的双视场星敏感器星图识别方法，其特征在于，所述S2中矢量归一处理公式为：
Figure FDA0003757833300000023
其中，(X0,Y0)是星敏感器的透镜中心成像在像平面中的主点，f是其焦距。
3.根据权利要求1所述的双视场星敏感器星图识别方法，其特征在于，所述S3中两个视场分别为第一视场和第二视场，其中，将第二视场下的坐标转换到第一视场下的转换公式为：
W12＝AW2 (2)
其中，A为第二视场到第一视场的旋转矩阵，W2为第二视场恒星矢量，W12为转换后的恒星矢量信息。
4.根据权利要求1所述的双视场星敏感器星图识别方法，其特征在于，所述S5中两个视场中，各自最亮的主星分别记为星a与星b，以及两个视场的搜索半径分别为R1、r1以及R2、r2。
5.根据权利要求1所述的双视场星敏感器星图识别方法，其特征在于，所述S7中两个视场中：两颗主星以及四颗伴星选取完成。
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