[發(fā)明專利]一種基于平面三角形主成分分析的星圖識別方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310340525.5
• 申請日: 2013-08-07
• 公開（公告）號: CN103453905A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周富強;葉濤;趙婧鑫;陳黎鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于平面三角形主成分分析的星圖識別方法，可用于航天器的自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

星敏感器是航天器導(dǎo)航系統(tǒng)中一個重要的組成部分，星敏感器的核心算法是星圖識別方法，通過星圖識別，可以快速確定航天器的姿態(tài)，因此，研究一種快速、準(zhǔn)確率高的全天球自主星圖識別方法具有很積極的現(xiàn)實意義。

Liebe最早對三角形星圖識別方法進行了研究，他將由導(dǎo)航星構(gòu)成的特征三角形存儲起來，比較特征三角形和觀測三角形的三對角距，如果三對角距對應(yīng)的誤差在一個設(shè)定的不確定度范圍之類，則認為觀測三角形與特征三角形匹配。該方法構(gòu)建的特征三角形數(shù)量太多，星圖識別的時候冗余匹配多，計算量大，時間長，且對噪聲的魯棒性差。

對三角形星圖識別方法的改進，主要體現(xiàn)在一下兩個方面：一是通過三角形構(gòu)造其他的特征來減少冗余匹配；二是減少導(dǎo)航星庫的容量，從而減少匹配搜索的時間。文獻1：C.L.Cole,J.L.Crassidis,Fast?star-pattern?recognition?using?planar?triangles,Journal?of?Guidance?Control?and?Dynamics,29(2006)64提出一種快速的平面三角形識別方法，將平面三角形的面積和極距按從小到大的順序依次編號組成導(dǎo)航星庫，當(dāng)與觀測三角形匹配時，首先計算特征三角形面積，利用k-vector搜索方法快速定位到導(dǎo)航星庫面積區(qū)域；然后計算三角形極距，利用k-vector搜索方法快速定位到導(dǎo)航星庫極距區(qū)域，同時滿足面積和極距條件的特征三角形為最終匹配。該方法同時利用面積和極距特征來降低冗余，但是特征三角形數(shù)目依然很龐大，星圖識別時間長。文獻2：楊建,張廣軍,江潔.P向量實現(xiàn)快速星圖識別的方法[J].航空學(xué)報,2007,28(4):897-900提出一種P向量實現(xiàn)快速星圖識別的方法，該方法構(gòu)建特征三角形時，規(guī)定每一顆主星只有一個三角形，并且選擇離主星最亮的兩顆恒星作為從星，然后將每個三角形的三個角距看作一個三維的向量，計算所有角距組成的特征向量的最佳投影軸，然后求得所有三維向量的投影值，通過投影值來索引三角形。當(dāng)與觀測三角形匹配時，計算觀測三角形在最佳投影軸上的投影值，然后通過投影值來匹配導(dǎo)航星庫中的特征三角形，該方法能夠快速完成星圖識別，并降低冗余，但一顆恒星對應(yīng)一個三角形，三角形數(shù)目過于精簡，從而使得觀測三角形構(gòu)建條件苛刻，且星圖識別結(jié)果易受星等噪聲影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決了傳統(tǒng)三角形星圖識別方法存在的冗余匹配多、觀測三角形構(gòu)建苛刻、對噪聲的魯棒性差的問題。本發(fā)明提出的三角形識別方法加快了導(dǎo)航星庫的搜索速度，降低了冗余匹配，對噪聲的魯棒性更好，同時觀測三角形構(gòu)建靈活，識別率高。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于平面三角形主成分分析的星圖識別方法，其特征在于，恒星在天球坐標(biāo)系下的單位矢量構(gòu)成的特征平面三角形與恒星在星敏感器成像平面上的單位矢量構(gòu)成的觀測平面三角形全等，每一個特征三角形的三邊長構(gòu)成一個特征向量，對所有特征三角形特征向量所構(gòu)成的矩陣進行主成分分析，然后將所有特征向量在本征軸上進行投影，求取投影值。在星圖識別階段，將觀測三角形邊長構(gòu)成的向量向本征軸上投影，通過該投影值與特征向量投影值的匹配，完成恒星識別，具體步驟如下：

1、構(gòu)建導(dǎo)航星庫，利用基本星庫中的恒星來構(gòu)建特征三角形，所述基本星庫由SAO星表中星等小于6.0的所有恒星構(gòu)成，具體步驟如下：

1.1、構(gòu)建特征三角形；

在基本星庫中，分別以每顆恒星為主星，以主星的姿態(tài)為星敏感器視軸方向，所述的星敏感器視場角為10°X10°，星敏感器成像系統(tǒng)焦距f=58.4563mm。在上述的星敏感器的視場內(nèi)提取恒星，被提取的恒星稱為從星，然后利用主星和從星在天球坐標(biāo)下的單位方向矢量，可以計算出主星與視場中任意從星的歐式距離D_ms，由于視場大小約束，計算出的主從星間距離將會很小，為了便于計算，將所求得距離乘以100，這樣處理后，當(dāng)主從星的夾角為0.6°時，D_ms=1；當(dāng)主從星的夾角為視場半徑時，D_ms=8.728。平面三角形構(gòu)造規(guī)則是：首先篩選出滿足1≤D_ms≤8.728的從星，然后將篩選出的從星到主星的距離排序，保留距離主星最近的4顆恒星分別與主星構(gòu)成平面三角形，剔除重復(fù)的三角形；當(dāng)從星數(shù)目不足4顆大余2顆時，將所有從星全部選擇，構(gòu)建特征三角形，構(gòu)造出來的平面三角形的數(shù)量用N_p來表示。