一種星圖匹配前選取觀測三角形的方法
【專利摘要】本發明涉及一種星圖匹配前選取觀測三角形的方法，包括以下步驟：初選觀測三角形；對觀測三角形進行二次優化篩選，篩選條件包括：像面上組成觀測三角形的最小邊應大于dmin個像素；像面上觀測三角形中最小夾角應大于θmin。本發明的星圖匹配前選取觀測三角形的方法相對現有的方法，可提高60.8％一次匹配成功并姿態輸出的概率，在實際工程中，可以優先選取三組較亮星組成的觀測三角形進行識別和驗證，即有77.5％的概率可提高對三次匹配定姿成功的速率，并且每幀全天球定姿輸出的時間一致性也被大大提高。
【專利說明】—種星圖匹配前選取觀測三角形的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及衛星自主導航【技術領域】，特別涉及一種星圖匹配前選取觀測三角形的方法。
【背景技術】
[0002]在實際工程中，星敏感器主要以三角形星圖識別算法為主，從而確定姿態。三角形星圖識別算法利用星敏感器視場中出現的觀測星組成觀測三角形，以全等三角形原理為匹配識別標準。選取合適的觀測三角形可提高星圖識別算法的成功率、減少匹配過程中的計算量，進而提高星敏感器實時輸出姿態的性能。張廣軍等人提出一種選取觀測三角形方法，其選取觀測三角形原則:選取星敏感器視場中數量為Nb的一組亮星，任意組成觀測三角形，優先選取最亮的星構成的觀測三角形進行識別。如果某一觀測三角形組合識別失敗，則按順序選取剩余的觀測三角形組合來進行識別，直到得到正確的識別結果為止。由于在實際情況中，所選取的Nb顆觀測星中可能存在雙星或者其中三顆亮星在視場中的位置近似成一條直線的情況，因此這將出現大量冗余匹配，延長識別時間，進而導致星圖識別失敗或輸出誤差較大的姿態。取乂 = 6，對全天球遍歷成像，統計視場中出現無法識別或輸出較大誤差姿態的觀測三角形數目的概率分布，如圖1所示，在全天球視場范圍內，優先選取的20個觀測三角形中，平均有7.74個觀測三角形無法識別或輸出較大誤差姿態，即在每次星圖識別時，有38.7%的概率無法一次直接輸出最終姿態，在實際星圖識別過程中，由于星圖匹配一次的計算量要遠大于視場中選取出最優觀測三角形所需要的計算量，而且有時即使星圖識別成功，但因觀測星在視場中的位置近似一條直線，導致無法輸出正常的姿態，需要重新選取觀測三角形進行匹配識別，因此，這將嚴重影響星敏感器輸出姿態的實時性。
【發明內容】
[0003]本發明要解決現有技術中的技術問題，提供一種星圖匹配前選取觀測三角形的方法。
[0004]為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:
[0005]一種星圖匹配前選取觀測三角形的方法，包括以下步驟:
[0006]初選觀測三角形；
[0007]對觀測三角形進行二次優化篩選，篩選條件包括:
[0008]像面上組成觀測三角形的最小邊應大于dmin個像素；
[0009]像面上觀測三角形中最小夾角應大于Θ—。
[0010]在上述技術方案中，該方法具體包括:
[0011]步驟1:將星敏感器視場中出現的觀測星按其星等信息進行升序排列；
[0012]步驟2:以第N顆亮星為基準，依序選取第N+l、N+2顆亮星組成三角形，將N+3的值賦給η；Ν的初始值設為I ;
[0013]步驟3:計算組成的三角形三邊邊長，判斷最小邊長是否大于dmin，如果是，執行步驟4進一步判斷；如果不是，輸出“觀測三角形存在雙星”，執行步驟7 ；
[0014]步驟4:判斷三角形中最小夾角是否大于emin，如果是，將此三顆亮星記錄在觀測三角形備選組里，剔除已選三顆星中最暗的一顆星，引入第η顆星組成新三角形，執行步驟5 ;如果不是，輸出“三顆觀測星近似一條直線”，執行步驟10 ；
[0015]步驟5:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，將Ν+1的值賦給N，執行步驟6 ;如果不是，n+l的值賦給n，執行步驟3 ;
[0016]步驟6:判斷第N顆亮星是否為視場中倒數第二顆亮星，如果是，觀測三角形備選組選取完畢；如果不是，執行步驟2 ；
[0017]步驟7:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，輸出“最亮星為某星云中一顆星”，將Ν+1的值賦給N，執行步驟8 ;如果不是，執行步驟9 ;
[0018]步驟8:判斷第N顆亮星是否為視場中倒數第二顆亮星，如果是，選星失敗；如果不是，執行步驟2;
[0019]步驟9:剔除組成最小邊長的次亮星，選取第η顆亮星組成三角形，然后將n+l的值賦給η，執行步驟3 ;
[0020]步驟10:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，將Ν+1的值賦給N，執行步驟8 ;如果不是，執行步驟11 ；
[0021]步驟11:剔除已選三顆星中最暗的一顆星，引入第η顆星組成新三角形，然后將n+l的值賦給n，執行步驟3。
[0022]本發明具有以下的有益效果:
[0023]本發明的星圖匹配前選取觀測三角形的方法可以加快星敏感器定姿輸出速度、提高所選觀測三角形可一次成功匹配輸出最終姿態的概率。
[0024]本發明的星圖匹配前選取觀測三角形的方法相對現有的張廣軍等人提出的方法，可提高60.8%—次匹配成功并姿態輸出的概率，在實際工程中，可以優先選取三組較亮星組成的觀測三角形進行識別和驗證，即有77.5%的概率可提高對三次匹配定姿成功的速率，并且每幀全天球定姿輸出的時間一致性也被大大提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0026]圖1是遍歷全天球視場中出現無法識別或輸出較大誤差姿態的觀測三角形數目的概率分布。
[0027]圖2是星敏感器像空間坐標系不意圖。
[0028]圖3是遍歷全天球視場中滿足約束條件1、2的觀測三角形數目的概率分布圖。
[0029]圖4是優化觀測三角形選取方法流程圖。
【具體實施方式】
[0030]本發明的發明思想為:
[0031]為加快星敏感器定姿輸出速度、提高所選觀測三角形可一次成功匹配輸出最終姿態的概率，本發明提供一種星圖匹配前“二次優化”選取觀測三角形方法。
[0032]觀測三角形只有滿足一定的條件，才能實現一次匹配、定姿有效計算。為提高計算效率，本發明在初選觀測三角形的基礎上，對觀測三角形進行二次優化篩選，最后再匹配的星圖識別算法。觀測三角形優化選取，要根據同時滿足正確匹配與高精度定姿計算的雙重約束，為提高在軌計算速率，需要通過深入分析、轉化為具體、易計算的像面直接約束條件。
[0033] 在星圖匹配過程中，為提高星點質心精度，一般采用離焦技術，同時雙星對匹配識別的影響不可忽略，為使兩顆觀測星質心完全分離，其邊長距離應至少大于某一閾值。以上因素作為二次優化篩選觀測三角形約束條件1，該約束條件決定觀測三角形最小邊長dmin閾值的選取。
[0034]組成觀測三角形的三顆星在視場中的位置關系對星敏感器最終輸出姿態的結果影響很大，例如某三顆觀測星近似一條直線時，這將直接導致星敏感器定姿失敗，這主要是因為參考矢量陣V3xk= (V1V2…Vk)在矩陣求逆的計算過程中，當觀測三角形三顆星位置相關性較強的時候，(VtV)高度近似奇異。將觀測三角形的邊與夾角的約束關系轉換到像平面上分析，如圖2所示，星敏感器像空間坐標系示意圖，O是星敏感器像空間坐標系的原點，Starl、Star2、Star3是恒星在像平面上的投影，f是星敏感器的焦距，h是Star2到底邊c的垂線，Θ是三角形中最小夾角，即a邊與c邊的夾角，β是h邊對應的夾角。由圖2三角形關系得:
[0035]h = a.sin θ(I)
[0036]為避免雙星對星圖識別的干擾，同時減小三顆觀測星在像平面上位置的相關性，即三顆觀測星在像面上不共線，從QUEST定姿原理分析，h應至少大于雙星門限閾值，即:
[0037]h = f.tan β >雙星門限閾值 (2)
[0038](I)、(2)式作為二次優化篩選觀測三角形約束條件2，該約束條件決定了觀測三角形最小夾角Θ min閾值的選取。
[0039]本發明在初選觀測三角形的基礎上，對觀測三角形進行二次優化篩選。初選觀測三角形是指優先選取視場中最亮的N (N = 5~6)顆星任意組成觀測三角形，將這些觀測三角形組成待選觀測三角形集合。二次優化篩選觀測三角形以如下約束條件為基礎進行:
[0040]約束條件1:像面上，組成觀測三角形的最小邊應大于dmin個像素。
[0041]約束條件2:像面上，觀測三角形中最小夾角應大于θπ?η。
[0042]在技術效果方面本發明有如下表現。采用QUEST定姿算法,設dmin = 10、Qmin =15°，對全天球進行遍歷，統計視場中出現可直接輸出姿態的觀測三角形數目的概率分布，即滿足約束條件1、2的觀測三角形數目的概率分布，如圖3所示，在全天球視場范圍內，平均每個視場中有12.2個觀測三角形可直接輸出姿態，相對現有的方法，可提高60.8%一次匹配成功并姿態輸出的概率，在實際工程中，可以優先選取三組較亮星組成的觀測三角形進行識別和驗證，即有77.5%的概率可提高對三次匹配定姿成功的速率，并且每幀全天球定姿輸出的時間一致性也被大大提高。
[0043]下面結合附圖對本發明做以詳細說明。
[0044]圖4是優化觀測三角形選取方法流程圖。m為觀測視場中出現觀測星的數目，dmin是觀測三角形最小邊長閾值，Gmin是觀測三角形最小夾角閾值，N為觀測星序號，初始值設為1，η為所選三顆亮星以外第四顆亮星序號。
[0045]步驟1:將星敏感器視場中出現的觀測星按其星等信息進行升序排列(星等越小亮度越高)。[0046]步驟2:以第N (N的初始值設為I)顆亮星為基準，依序選取第N+l、N+2顆亮星組成三角形，將N+3的值賦給η。
[0047]步驟3:計算組成的三角形三邊邊長，判斷最小邊長是否大于dmin，如果是，執行步驟4進一步判斷；如果不是，輸出“觀測三角形存在雙星”，執行步驟7。
[0048]步驟4:判斷三角形中最小夾角是否大于Θ _，如果是，將此三顆亮星記錄在觀測三角形備選組里，剔除已選三顆星中最暗的一顆星，引入第η顆星組成新三角形，執行步驟5 ;如果不是，輸出“三顆觀測星近似一條直線”，執行步驟10。
[0049]步驟5:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，將Ν+1的值賦給N，執行步驟6 ;如果不是，n+l的值賦給n，執行步驟3。
[0050]步驟6:判斷第N顆亮星是否為視場中倒數第二顆亮星，如果是，觀測三角形備選組選取完畢；如果不是，執行步驟2。
[0051 ] 步驟7:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，輸出“最亮星為某星云中一顆星”，將Ν+1的值賦給N，執行步驟8 ;如果不是，執行步驟9。
[0052]步驟8:判斷第N顆亮星是否為視場中倒數第二顆亮星，如果是，選星失敗；如果不是，執行步驟2。
[0053]步驟9:剔除組成最小邊長的次亮星，選取第η顆亮星組成三角形，然后將n+l的值賦給η，執行步驟3。
[0054]步驟10:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，將Ν+1的值賦給N，執行步驟8 ;如果不是，執行步驟11。
[0055]步驟11:剔除已選三顆星中最暗的一顆星，引入第η顆星組成新三角形，然后將n+l的值賦給n，執行步驟3。
[0056]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種星圖匹配前選取觀測三角形的方法，其特征在于，包括以下步驟: 初選觀測三角形； 對觀測三角形進行二次優化篩選，篩選條件包括: 像面上組成觀測三角形的最小邊應大于dmin個像素； 像面上觀測三角形中最小夾角應大于Θ—。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法具體包括: 步驟1:將星敏感器視場中出現的觀測星按其星等信息進行升序排列； 步驟2:以第N顆亮星為基準，依序選取第N+l、N+2顆亮星組成三角形，將N+3的值賦給η ；Ν的初始值設為I ; 步驟3:計算組成的三角形三邊邊長，判斷最小邊長是否大于dmin，如果是，執行步驟4進一步判斷；如果不是，輸出“觀測三角形存在雙星”，執行步驟7 ； 步驟4:判斷三角形中最小夾角是否大于emin，如果是，將此三顆亮星記錄在觀測三角形備選組里，剔除已選三顆星中最暗的一顆星，引入第η顆星組成新三角形，執行步驟5 ;如果不是，輸出“三顆觀測星近似一條直線”，執行步驟10 ； 步驟5:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，將Ν+1的值賦給N，執行步驟6 ;如果不是，n+l的值賦給n，執行步驟3 ； 步驟6:判斷第N顆亮星是否為視場中倒數第二顆亮星，如果是，觀測三角形備選組選取完畢；如果不是，執行步驟2; 步驟7:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，輸出“最亮星為某星云中一顆星”，將Ν+1的值賦給N，執行步驟8 ;如果不是，執行步驟9 ； 步驟8:判斷第N顆亮星是否為視場中倒數第二顆亮星，如果是，選星失敗；如果不是，執行步驟2 ； 步驟9:剔除組成最小邊長的次亮星，選取第η顆亮星組成三角形，然后將n+l的值賦給η,執行步驟3 ； 步驟10:判斷第η顆亮星是否為視場中最后一顆亮星，如果是，將Ν+1的值賦給N，執行步驟8;如果不是，執行步驟11; 步驟11:剔除已選三顆星中最暗的一顆星，引入第η顆星組成新三角形，然后將n+l的值賦給η，執行步驟3。
【文檔編號】G06F19/00GK103968833SQ201410182261
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】張劉, 李欣璐, 支帥, 金光 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所