[發明專利]針對拖尾星像數值模擬的離散點間隔的優化確定方法

有效

• 申請號: 201410422979.1
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104154934A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 王海涌;宋振飛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C21/02
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

(一)技術領域

本發明涉及一種針對拖尾星像數值模擬的離散點間隔的優化確定方法，屬于圖像分析領域，是一項實現動態星圖模擬的優化技術。

(二)背景技術

星敏感器是飛行器主要的姿態測量裝置之一，其工程應用最大的瓶頸性制約因素是載體機動導致的動態成像拖尾。星模擬器是星敏感器的試驗測試裝置，星敏感器動態圖像的處理能力的檢驗測試，需要星模擬器生成具有拖尾特征的動態星圖。星像動態拖尾已嚴重影響到星敏感器的功能，不可以再利用靜態星圖序列檢驗捷聯星敏感器算法的動態適應能力。

當星敏感器相對慣性系絕對靜止時，靜態星像呈近似圓形，能量近似為二維高斯分布，如圖1所示。如果捷聯載體相對慣性系存在姿態機動，則在星敏感器本體產生相應的三軸角速率，導致動態成像拖尾。理想拖尾星像覆蓋范圍內任一像素的能量，是幅值衰減的高斯點擴散函數沿拖尾軌跡的線積分，但程序中做線積分時間長，難以保障實時性。

工程應用中，動態星像模擬通常采用快速的數值積分方法，根據星敏感器三軸姿態、三軸角速率及光學系統模型，在成像面的拖尾軌跡上設定有限個離散位置點，以這些離散位置點為中心，建立二維高斯灰度點擴散函數，對所有高斯點擴散函數作疊加，即可模擬出星敏感器視場內任一星的動態拖尾星像，如圖2所示，圖中星k相對星敏感器本體具有相對角運動。拖尾軌跡上離散位置點間隔的大小直接影響模擬拖尾星像的相似性，離散位置點間隔過長，疊加結果將產生紋波噪聲，如圖3所示。因此，針對動態拖尾星像數值模擬，采用這種離散點間隔的優化確定方法，可以達到兼顧實時性和相似性的模擬仿真效果。

(三)發明內容

本發明的目的在于提供一種針對拖尾星像數值模擬的離散點間隔的優化確定方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

設某拖尾星像中心軌跡為一弧段，在該弧段上選取有限個離散位置采樣點，作為二維高斯灰度點擴散函數的中心，將這些高斯點擴散函數作疊加。通過仿真發現，點間隔越小，疊加后的結果紋波幅度越小，且越接近積分形式的理想拖尾星像外廓，隨著點間隔增大，疊加結果的紋波幅度也會增大。當采樣點間隔不大于二維高斯分布的均方差σ時，各離散位置點的高斯分布疊加后得到平滑的輪廓曲面。由于二維高斯分布中兩個自變量概率分布相互獨立，只針對一維高斯分布進行分析的結果不失一般性，圖4為不同離散點間隔情況下離散高斯函數曲線疊加得到的外廓仿真圖，離散點間隔為2σ和4σ情形，疊加后的輪廓曲線都有紋波，而0.5σ和1σ情形則沒有紋波。

(四)附圖說明

圖1為靜態星像的灰度二維高斯分布仿真圖；

圖2為動態拖尾成像機理及數值模擬方法示意圖；

圖3為離散點間隔大于1σ情形下二維高斯點擴散函數疊加結果仿真圖；

圖4為不同間隔情況下離散高斯函數曲線疊加得到的外廓圖；

(五)具體實施方式

下面結合附圖4舉例對本發明作更進一步的描述和說明：

設某拖尾軌跡為x軸上從-10到10的一條線段，分別以4σ、2σ、1σ、0.4σ為間隔，在該拖尾軌跡上選取有限個離散位置采樣點，作為高斯灰度點擴散函數的中心，將這些高斯點擴散函數作疊加。由于二維高斯分布中兩個自變量概率分布相互獨立，只針對一維高斯分布進行分析的結果不失一般性。通過一維高斯分布仿真發現，點間隔越小，疊加后的曲線紋波幅度越小，且越接近數學積分計算獲得的理想拖尾星像外廓，隨著點間隔增大，疊加結果的紋波幅度也會增大。當采樣點間隔等于1σ時，離散位置點的高斯分布曲線疊加后的輪廓曲線則非常平滑，紋波幅度小于10^-7，如附圖4所示。

考察間隔為1σ的疊加輪廓近似拖尾曲線，與理想拖尾曲線比較計算，兩條曲線的相關系數R＝0.9883，兩條曲線的歐氏距離(均方根誤差)RMS＝0.0683。因此，以間隔1σ的靜態高斯函數序列疊加所成的近似拖尾外廓線代替理想拖尾曲線，具有足夠的相似度。

這里需要說明兩點：①由于成像陣列為平面，而不是曲率半徑為焦距的弧面，則光積分時段內拖尾速度有變化，要求在拖尾速度最快一端的離散點間隔保障不大于1σ，在采樣時間相等條件下其它離散點間隔則小于1σ；②計算拖尾長度，劃分出整數個采樣點間隔，而且在拖尾速度最快一端的離散點間隔要保障不超過1σ，若產生采樣點間隔為小數的劃分情形，則會造成疊加后拖尾星像的中心位置偏移。

過多的間隔數量可以保證疊加后無紋波，但會增加數值仿真的計算時間，間隔的數量過少雖然可以降低計算量，但如果出現間隔長度超過1σ的情形，則會產生紋波噪聲。因此，優化的方法是最長間隔接近于1σ，同時整個拖尾中心軌跡弧段又能保證劃分出整數個間隔。