[發明專利]一種基于角模式簇投票的不依賴標定參數的星圖識別方法

有效

• 申請號: 201910176074.3
• 申請日: 2019-03-08
• 公開（公告）號: CN109813303B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 魏新國;代保銘;王剛毅;李健;張廣軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02;G01C21/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

1.一種基于角模式簇投票的不依賴標定參數的星圖識別方法，其特征在于：該識別方法步驟如下：

步驟A：提取導航星的角模式簇特征，建立導航星模式庫，其步驟如下：

A1、選取導航星表中的每顆星為主星，以主星對應的方向矢量為星敏感器的視軸指向，將主星及與主星角距最近的N_neighbor顆導航星從地心慣性坐標系旋轉變換到星敏感器坐標系下，得到星敏感器坐標系下的星矢量坐標，然后用導航星的星矢量除以Z軸坐標值，這樣所得導航星的X、Y軸坐標即為歸一化焦平面上的星點坐標，以此作為求取導航星模式簇特征的依據，N_neighbor取10；

A2、主星與任意兩顆鄰星可構成一個角模式，所有角模式構成角模式簇，利用歸一化焦平面上的星點坐標分別計算每一個角模式的夾角值θ和兩邊比例值λ；

A3、將角模式的夾角值θ和比例值λ進行變換，所得值作為二維查找表的兩個索引值，將該角模式對應的三顆導航星的序號按照一定順序存儲到對應的索引單元中，將所有導航星對應的角模式存儲到二維查找表中，構成導航星模式庫；所述將所有導航星對應的角模式簇存儲到二維查找表中，具體步驟如下：

A31、將角模式的夾角加上180°并向上取整，這樣得到的值為[1,360]內的整數，將其作為導航星模式庫X方向的索引值；

A32、將比例值放大100倍并向上取整，這樣得到的值為[1,100]內的整數，將其作為導航星模式庫Y方向的索引值；

A33、將三顆導航星的序號按照主星、短邊上的鄰星、長邊上的鄰星順序存儲到兩個方向索引值對應的索引單元中，以此類推，將所有角模式存儲到查找表中；

步驟B：根據星圖中觀測星的幾何位置，提取觀測星的角模式簇特征，其過程如下：

B1、計算星圖中每顆觀測星到圖像中心的歐幾里得距離，以該距離升序排列，選取第一顆觀測星作為主星；

B2、計算其他觀測星到主星觀測星的歐幾里得距離，以該距離升序排列，若其他觀測星總數小于N_neighbor，則取其他所有觀測星作為主星的鄰星；否則，選取前N_neighbor顆觀測星作為主星的鄰星；

B3、利用星點坐標計算每個角模式的夾角值θ和兩邊比例值λ，所有角模式的特征組成角模式簇的特征；

步驟C：根據觀測星的角模式簇特征，使用投票法對觀測星進行識別，其步驟如下：

C1、根據觀測星的角模式簇特征，對觀測星的候選星進行一次投票，其過程如下：

C11、將導航星庫中的所有導航星作為角模式簇中每顆觀測星的候選星，建立計數器，這樣，每顆觀測星對應一個1×N的計數表，將計數值初始化為0，N為星表中導航星的個數，另外，為主星創建一個臨時查找表，以主星導航星序號為索引值，用于存儲候選角模式中主星對應的鄰星導航星；

C12、掃描觀測星角模式簇中的每一個角模式，將角模式的夾角值θ和比例值λ進行變換，所得值作為步驟A3中所述的二維查找表的索引值，將索引單元及周圍相鄰的八個單元內存儲的角模式作為該觀測星角模式的候選角模式，若索引單元位于查找表邊緣，則只考慮索引單元及周圍相鄰的在查找表范圍內的單元；

C13、確定每一個觀測星角模式對應的所有候選角模式的主星序號和兩個鄰星序號，將該觀測星角模式中對應的主星觀測星計數表中主星序號對應的計數器加1，同時，將鄰星觀測星計數表中鄰星序號對應的計數器加1；并將候選角模式中的兩個鄰星導航星序號存儲到主星的臨時查找表中對應主星序號索引的單元中；

C2、將角模式簇中每顆觀測星對應的計數表按計數值即投票數進行降序排列，計數表中的值即為投票后每顆導航星所得票數，對于主星觀測星，如果第一主星候選導航星的票數是第二主星候選導航星票數的二倍及以上，則選取第一主星候選導航星作為識別主星即基于角模式簇投票的不依賴標定參數的星圖識別方法對主星的識別結果；

C3、驗證和確定識別主星，并識別鄰星，其具體步驟為：

C31、選取每顆鄰星觀測星對應計數表中得票最高的導航星作為鄰星侯選導航星，如果最高票的導航星有多顆，則全部作為侯選導航星，并為每顆鄰星候選導航星建立計數表，計數值初始化為0；

C32、如果識別主星已確定，則在主星的臨時查找表中查找識別主星序號索引的鄰星導航星序號，并逐一掃描，如果該識別主星對應的鄰星導航星序號能在步驟C31所述的鄰星候選導航星中找到，則對應的計數器加1；掃描完畢后，如果鄰星候選導航星對應的計數值即票數大于2，則認為該鄰星候選導航星為對應鄰星觀測星的識別鄰星，如果鄰星觀測星對應多顆候選導航星，則選候選導航星票數最高且大于2的導航星作為該鄰星觀測星的識別鄰星；如果此次投票確定的識別鄰星個數不少于4顆，則認為觀測星的角模式簇識別成功；

C33、少數情況下，不能夠在步驟C2中確定識別主星，此時，選取主星侯選導航星中的前k顆候選導航星分別作為識別主星，然后進行步驟C32中的二次投票，統計識別鄰星個數，選取識別鄰星個數最多且不少于4顆的識別主星和對應識別鄰星作為最終識別結果；如果主星第k+1顆侯選導航星票數與第k顆侯選導航星票數相同，則也將第k+1顆候選導航星加入上述操作中，直到主星的侯選導航星票數小于第k顆侯選導航星的票數，k取2；

C4、如果觀測星的角模式簇識別失敗，則返回步驟B1，選取第2顆觀測星作為主星進行后續操作，直到第N_top顆觀測星，N_top取4～15；

步驟D：通過驗證環節，進一步確認識別結果的正確性，具體如下：

根據觀測星角模式簇的識別結果和星點坐標計算星敏感器的焦距和姿態矩陣，產生一幅模擬星圖，如果該星圖中的星點坐標和觀測星圖中對應的星點坐標在誤差范圍內，則認為觀測星角模式簇識別的結果是正確的，否則返回步驟B1，選取其他觀測星作為主星進行角模式簇的識別。