基于星敏感器的星點提取與星圖識別方法研究.pdf

1、深空探測有助于人類了解宇宙和生命的起源與演化，探索和擴展生存空間，合理地利用空間的資源，謀求社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著深空探測任務(wù)的開展，對深空探測器自主導(dǎo)航技術(shù)的要求越來越高?，F(xiàn)有的深空探測器一般高度依賴地面測控系統(tǒng)，但地面監(jiān)測站的固有缺陷，使得其無法保持穩(wěn)定的遠距離長時間的導(dǎo)航性能，需要尋求新的導(dǎo)航方式。天文導(dǎo)航具有其他導(dǎo)航方式無法比擬的優(yōu)勢，可為深空探測器提供位置和姿態(tài)信息，是一種非常重要的深空探測器自主導(dǎo)航手段。
　　星敏感器

2、是目前航天應(yīng)用中精度最高的絕對姿態(tài)敏感器，能夠為衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天器等提供精準(zhǔn)的位置和姿態(tài)信息?；谛敲舾衅鞯淖灾魈煳膶?dǎo)航技術(shù)屬于完全自主式的導(dǎo)航方式，具有較高的測量精度、無累積誤差、隱蔽性好等眾多優(yōu)點，近些年圍繞基于星敏感器的自主天文導(dǎo)航技術(shù)國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。本文針對星敏感器中的星點提取和星圖識別問題進行了研究，主要工作內(nèi)容包括：
　　1.為了改善星圖圖像星點提取的定位精度，同時提高星點提取的效率，提出一種高精度星點快速

3、提取算法。首先根據(jù)星點像素的分布特點，利用聚類算法的思想，對星點進行粗定位操作，將星點提取的全局操作轉(zhuǎn)化為局部區(qū)域操作，減少對背景像素的掃描。其次，利用星點粗定位操作得到的星點中心坐標(biāo)作為種子點，根據(jù)區(qū)域生長算法，自動選取星點的像素。隨后，根據(jù)星點能量的分布特征，利用星點像素與種子點的平面距離，采取兩種不同的修正策略，對星點像素的灰度值進行修正，降低噪聲對星點提取的影響。最后，利用雙線性插值算法，提高星點的分辨率，使用質(zhì)心計算公式得到星

4、點的質(zhì)心坐標(biāo)，完成星點的精確定位。仿真實驗驗證了該算法的有效性。對比的實驗結(jié)果表明：該算法能夠取得較高的定位精度，且提高了星點提取的速度。
　　2.在對基于 Log-Polar變換的星圖識別算法分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Log-Polar變換改進的自主星圖識別算法。該算法首先分析了基于Log-Polar變換的星圖識別算法所存在的不足。隨后通過重構(gòu)星圖圖像的平面直角坐標(biāo)系，將視場內(nèi)的觀測星進行重新投影，使觀測星的識別特征在星圖圖像

5、發(fā)生旋轉(zhuǎn)時能夠保持不變。之后引入觀測星平面坐標(biāo)的對數(shù)值作為識別特征向量的元素，增強識別特征的抗噪性能。最后，利用觀測星特征向量中非零值的個數(shù)來限定觀測星特征向量在導(dǎo)航星特征庫中匹配搜索的范圍，提高觀測星識別的速度。仿真結(jié)果表明，該算法克服了基于Log-Polar變換的星圖識別算法所存在的不足。與改進的柵格算法和基于Log-Polar變換的星圖識別算法相比，該算法具有較強的魯棒性，且在提高算法識別率的同時，加快了觀測星識別的速度。

6、　　3.星圖識別中能夠使用的星圖圖像信息只有星點的位置和亮度信息，而星點的亮度信息常被認為是一種不穩(wěn)定的信息。本文利用觀測星與其鄰星間的平面幾何位置關(guān)系，提出了一種基于一維矢量模式的自主星圖識別算法。該算法利用觀測星的平面位置以及觀測星與鄰星間的夾角信息來構(gòu)建觀測星的識別特征；利用觀測星星模式的矢量方向，對視場內(nèi)的觀測星進行重新的投影，使得觀測星的識別特征在星圖圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)時保持不變。在觀測星識別特征匹配的過程中，利用特征向量中非零值的

7、個數(shù)縮小特征向量在導(dǎo)航星特征庫中匹配搜索的范圍，加快觀測星的識別。仿真實驗驗證了該算法的有效性。仿真結(jié)果表明，該算法在提高星識別率的同時，加快了星識別的速度。在同一條件下，該算法與金字塔算法、改進的柵格算法和基于Log-Polar變換的星圖識別算法進行了比較。對比結(jié)果表明，該算法比其他算法具有更優(yōu)的性能。
　　4.為了優(yōu)化星的識別過程，且在增強星圖識別魯棒性的同時，加快觀測星識別的速度，提出了一種基于組合模式的自主星圖識別算法。該

8、算法融合了徑向模式和編碼模式的優(yōu)勢，利用徑向模式的平移和旋轉(zhuǎn)不變性，使觀測星的識別特征不會隨著星圖圖像的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化；利用編碼模式將觀測星的識別問題簡化為數(shù)值的比較。根據(jù)觀測星在組合模式下的識別特征的特點，將觀測星在編碼模式下的識別特征用于初始匹配，即使用編碼模式的識別特征，在導(dǎo)航星特征庫中進行匹配搜索，確定觀測星的候選匹配結(jié)果。隨后利用觀測星在徑向模式下的識別特征，與候選匹配結(jié)果相應(yīng)的徑向模式識別特征進行比較，從而得到識別的結(jié)果。仿

9、真實驗驗證了該算法的有效性。與金字塔算法和改進的柵格算法相比，該算法在位置噪聲增加時，能夠保持較強的穩(wěn)定性，其抗噪性能有一定的提高，且其具有較快的識別速度。
　　通過本論文的研究工作，明確了星圖圖像模擬的過程，為后續(xù)的研究工作提供了必要的實驗數(shù)據(jù)；提出了高精度星點快速提取算法、基于Log-Polar變換改進的自主星圖識別算法、基于一維矢量模式的星圖識別算法和基于組合模式的星圖識別算法，并通過仿真實驗對所提出的算法進行了驗證，有效地