专利名称：一种星敏感器快速星跟踪方法
技术领域：
本发明属于天文导航技术领域，涉及对星跟踪器跟踪方法的改进。
背景技术：
星敏感器技术的出现为空间飞行器的姿态测量开辟了一个新的途径。星敏感器有初始姿态捕获和跟踪模式两种工作模式。星敏感器工作时，经过全天星图识别获得初始姿态后，就进入了跟踪模式。星敏感器的大部分工作时间处于跟踪模式，快速星跟踪方法可以很好的提高星敏感器整体性能。目前的星跟踪方法主要有跟踪窗方式和匹配识别方式两种跟踪方法。其中匹配识别方式的跟踪方法由于简单、有效、快速而被采用。匹配识别方法又分为基于新星识别的匹配识别方法和基于星体映射的匹配识别方法。在基于星体映射的匹配识别方式的星跟踪方法中，假设跟踪过程中的第k帧及其以前帧星图的识别结果均已知，对当前第(k+1)帧采集到的星图进行识别跟踪，如图1所示。由第k帧星图的识别结果，可以计算出星敏感器当前的视轴指向。根据这个视轴指向，进行星体映射，所谓的星体映射就是通过搜索星表得到在此视轴指向下某一定天区范围的星体信息，并将此范围内星体的坐标从天球坐标系向图像坐标系的变换，得到图像传感器感光面上的位置坐标信息。星体的信息是从星表中得到的，在星表中保存有星体在天球坐标系下的坐标(赤经、赤纬)、星等、星号等信息。经过星体映射，即可以得到第k+1帧参考星图，参考星图中所有的星体都是已知的。对于第(k+1)帧采集到的星图的每一颗星，在第k+1帧参考星图中通过比较寻找是否有星体位于其邻域r范围内(r的取值与星敏感器运动的角速度有关，这里r取10个象素)，如果有且只有一颗星位于该邻域，则第(k+1)帧采集到的星图中的这颗星被成功匹配识别。如果没有星位于该邻域或者存在一颗以上的星位于该邻域(如图1中黑色8号星的邻域，存在白色7’号和11’号两颗星)，则这颗星匹配识别失败。现有匹配识别方式的跟踪算法，有以下几部分影响了提高星跟踪速度(1)跟踪过程中，星体映射产生参考星图的计算过程部分是非常耗时的，如果每次跟踪都要经过这些星体坐标变换计算，这样就会耗费大量的时间。
(2)在跟踪过程中，星体映射消耗时间主要在从星表中搜索能够映射到视场中的星体的过程。在搜索时，如果星表中每一颗星的坐标信息都要经过计算比较，以判断是否满足映射到视场中的条件，那么这个过程是很费时的。
(3)在匹配识别过程中，有些距离较远的星体之间的比较是没有必要的。如图1所示，对于当前帧星图中的5号星，与当前参考星图的4’，5’、6’，8’号等星体之间的距离比较大，它们之间的比较是没有意义的，是无谓的耗时的工作。
(4)距离的计算是基于平方和开根号运算，这个运算开销相对硬件实时实现也是比较大的。
发明内容
本发明的目的是提出一种计算耗时短、速度快的星跟踪方法。
本发明的技术方案是一种星敏感器快速星跟踪方法，采用基于星体映射的匹配识别方法，假设跟踪过程中的第k帧及其以前帧星图的识别结果均已知，对当前第(k+1)帧采集到的星图进行跟踪识别，其步骤包括经过星体映射，得到第k+1帧的参考星图；将第(k+1)帧采集到的星图中的每一颗星，与第k+1帧参考星图中的星体进行匹配识别；其特征在于，1、采用阈值映射的方法进行星体映射，其步骤如下1.1、设置一个阈值δ，将阈值δ设置为10～15其中的自然数之一；1.2、当第k帧采集到的星图中，匹配识别到的星体不少于δ颗时，不进行星体映射，直接将第k帧采集到星图中被成功匹配识别的星体的信息设置为与其匹配的第k帧参考星图中相应的星体信息，并将此经过匹配识别的第k帧星图作为第(k+1)帧参考星图；1.3、如果第k帧采集到的星图中，匹配识别到的星体少于δ颗时，则进行星体映射，产生第(k+1)帧参考星图；2、进行星体映射时，采用分区星表的搜索方法搜索星体，步骤如下2.1、由上次跟踪识别求得的星敏感器的姿态，求出其视轴的方向矢量；
2.2、在分区星表中找出与该视轴方向矢量最接近的子块；2.3、将该子块及其相邻的子块构成的子天区中的星体索引号存储下来；2.4、根据存储的星体索引号，在星表中找到相应的星体，获得星体的信息，然后通过计算比较此子天区范围内的星体信息，得到可以映射到视场中的星体，完成一次搜索；2.5、在下次搜索与星敏感器视轴的方向矢量最接近的子块时，由于星体在视场中每次移动的距离不大，所以只需要在上次用到的9个子块中搜索即可；3、在匹配识别过程中，采用先排序后匹配识别的方法；具体的匹配识别步骤见专利申请“一种星跟踪器快速匹配识别方法”专利申请号为200510077187.6。
本发明的优点是计算耗时短，速度快，提高了整个跟踪过程的速度。体现在以下方面通过分天区搜索，有效的缩小了天区的搜索范围；通过阈值映射，只有星体数目少于一定阈值才进行映射，有效的减少了星体映射的次数；采用先排序后匹配的方法，有效的减少了星体间的匹配次数，缩短了星体间的匹配时间。
图1是现有的匹配识别方法示意图。
图2是对两帧星图进行排序的示意图。
图3是对排序后的两帧星图进行匹配识别的示意图。
具体实施例方式
下面对本发明做进一步详细说明。本发明针对匹配识别方式的跟踪算法中存在的问题进行了改进，在跟踪算法的三个耗时部分，分别采用了阈值映射，分区星表，先排序后匹配识别这三种方法。并且在匹配识别时，将比较星体间的距离简化为比较星体间坐标的差值。
本发明的改进之一是采用阈值映射的方法进行星体映射。跟踪算法中，星体映射部分是非常耗时的。跟踪的目的是通过跟踪星体，经过计算得到星敏感器的姿态。其实，只要成功跟踪10颗星，根据其计算出的星敏感器姿态就非常精确。为了减少星体映射的次数，本发明采用了阈值映射的方法。
阈值映射就是设置一个星体数目阈值δ，如果第k帧星图中被成功跟踪的星体数目大于这个阈值δ，则不进行星体映射，如果第k帧星图中被成功跟踪的星体数目小于这个阈值δ，则进行星体映射。
具体的方法是这样的(1)首先设置一个阈值δ，为了使跟踪算法有较好的稳定性，并且有较高的姿态精度，可以将阈值δ设置为稍大于10的值，一般为10～15其中的自然数之一。
(2)当第k帧采集到的星图中，匹配识别到的星体不少于δ颗时，不进行星体映射，而是将第k帧采集到星图中被成功匹配识别的星体的信息(赤经、赤纬、星等、星号等信息)设置为与其匹配的第k帧参考星图中相应的星体信息，并将此经过匹配识别的第k帧星图作为第(k+1)帧参考星图。
(3)如果第k帧采集到的星图中，匹配识别到的星体少于δ颗时，则进行星体映射，产生第(k+1)帧参考星图。
(4)将以上得到的第(k+1)帧参考星图与第(k+1)帧采集到的星图进行匹配识别。如此循环，完成跟踪过程。
本发明的改进之二是进行星体映射时，采用分区星表的搜索方法搜索星体。星体映射消耗时间主要在从星表中搜索能够映射到视场中的星体的过程，如果能缩小搜索的范围，就能大大加快星体映射的过程，因此这里采用了分天区搜索的方法，具体分区过程见专利申请“一种划分导航星表的方法”，专利申请号为200510002220.9。
采用分区星表后的具体搜索方法简述如下(1)由上次跟踪识别求得的星敏感器的姿态，求出其视轴的方向矢量。
(2)在分区星表中找出与该视轴方向矢量最接近的子块。
(3)将该子块及其相邻的子块构成的子天区中的星体索引号存储下来。
(4)根据存储的星体索引号，在星表中找到相应的星体，获得星体的信息，然后通过计算比较此子天区范围内的星体信息，得到可以映射到视场中的星体，完成一次搜索。
(5)在下次搜索与星敏感器视轴的方向矢量最接近的子块时，由于星体在视场中每次移动的距离不大，所以只需要在上次用到的9个子块中搜索即可。采用了分区星表之后，不用搜索整个天区，只搜索9个子块中的星体，缩小了搜索范围(整个天区的 从而加快了搜索速度，提高了跟踪的快速性。
本发明的改进之三是采用了先排序后匹配识别的方法。
跟踪算法中，在第k+1帧参考星图和第(k+1)帧星图中的星体进行匹配时，那些距离较远的星体是没有必要进行比较的，这里我们采用了先排序后匹配识别的方法，先排序后匹配识别的方法能大大减少在跟踪过程中匹配次数和匹配时间。具体的匹配识别方法见专利申请“一种星跟踪器快速匹配识别方法”，专利申请号为200510077187.6。
这里以图1为例说明先排序后匹配的识别过程。首先将图1中的第k+1帧星图和第(k+1)帧参考星图中的星体按照x坐标由小到大排序，得到序列A和B，如图2所示，然后将序列A和B从左到右依次进行匹配识别。如图3所示，图中虚线表示参与匹配的星体，实线表示匹配上的星体。从图3中我们看到，(1)序列A中的9号星与序列B中的10’号星唯一匹配，则9号星匹配识别成功，其星体信息由序列B中的10’号星提供，(2)序列A中的第10号星由于是新进入视场，没有找到匹配的星体。
(3)序列A中的2号星只需要与序列B中的3’，9’，4’，10’号星进行比较，因为这些星体之前和之后的星体与2号星之间的x坐标的差值已经超过了阈值，没有进行比较的意义了。
(4)序列A中的8号星通过与1’，7’，11’，3’号星进行比较后，得到两颗匹配的星体7’和11’，因此8号星匹配失败。
(5)最终匹配成功的星体5，1，7，2，9，3，6，4号星分别从参考星图中相对应的星体中获得星体信息，并进行姿态运算，匹配失败的星体则舍弃。
这种先排序后匹配方法，有效的减少了那些无谓的星体间的比较，只是比较坐标值相近的星，减少了匹配识别时的比较次数，提高了匹配识别的速度。
实施例采用以上三种改进使得现有跟踪算法的速度有了很大提高。对此，在赛扬900(m)的机器上进行了仿真测试。测试的具体方法如下(1)仿真程序中采用的分区星表是将天区分成了486块的分区星表。将映射的阈值δ设为13。下面是软件仿真测试的结果。
(2)设置星敏感器的初始姿态(俯仰角70°，偏航角20°，滚转角0°)和最终姿态(俯仰角80°，偏航角30°，滚转角0°)。在模拟星敏感器从初始姿态运动到最终状态的跟踪过程中，共分了139步来跟踪。每一步都会根据每步的姿态产生一幅星图模拟星敏感器采集到的星图，然后利用上一帧的参考星图对此星图进行跟踪识别，求出此时的星敏感器姿态(与这一步的姿态对比可以验证跟踪的正确性)。
(3)比较采用此三种方法和没有采用时的效果，测试结果如表1～4所示。
表1 采用分区星表方法的映射时间对比
表2 采用阈值映射方法的跟踪时间对比
表3 采用先排序后匹配识别方法的匹配识别时间对比
表4 总体仿真效果对比(跟踪时间)
注“步骤”显示的是跟踪过程的步骤；“姿态”是当时星敏感器的姿态(格式俯仰角，偏航角，滚转角)；“前”显示的是跟踪算法没有用相应方法时的耗时；“后”显示采用此相应方法后的耗时。
权利要求
1.一种星敏感器快速星跟踪方法，采用基于星体映射的匹配识别方法，假设跟踪过程中的第k帧及其以前帧星图的识别结果均已知，对当前第(k+1)帧采集到的星图进行跟踪识别，其步骤包括经过星体映射，得到第k+1帧的参考星图；将第(k+1)帧采集到的星图中的每一颗星，与第k+1帧参考星图中的星体进行匹配识别；其特征在于，1.1、采用阈值映射的方法进行星体映射，其步骤如下1.1.1、设置一个阈值δ，将阈值δ设置为10～15其中的自然数之一；1.1.2、当第k帧采集到的星图中，匹配识别到的星体不少于δ颗时，不进行星体映射，直接将第k帧采集到星图中被成功匹配识别的星体的信息设置为与其匹配的第k帧参考星图中相应的星体信息，并将此经过匹配识别的第k帧星图作为第(k+1)帧参考星图；1.1.3、如果第k帧采集到的星图中，匹配识别到的星体少于δ颗时，则进行星体映射，产生第(k+1)帧参考星图；1.2、进行星体映射时，采用分区星表的搜索方法搜索星体，步骤如下1.2.1、由上次跟踪识别求得的星敏感器的姿态，求出其视轴的方向矢量；1.2.2、在分区星表中找出与该视轴方向矢量最接近的子块；1.2.3、将该子块及其相邻的子块构成的子天区中的星体索引号存储下来；1.2.4、根据存储的星体索引号，在星表中找到相应的星体，获得星体的信息，然后通过计算比较此子天区范围内的星体信息，得到可以映射到视场中的星体，完成一次搜索；1.2.5、在下次搜索与星敏感器视轴的方向矢量最接近的子块时，由于星体在视场中每次移动的距离不大，所以只需要在上次用到的9个子块中搜索即可；1.3、在匹配识别过程中，采用先排序后匹配识别的方法；具体的匹配识别步骤见专利申请“一种星跟踪器快速匹配识别方法”专利申请号为200510077187.6。
全文摘要
本发明属于天文导航技术领域，涉及对星跟踪器跟踪方法的改进。本发明的步骤包括经过星体映射，得到第k+1帧的参考星图；将第(k+1)帧采集到的星图中的每一颗星，与第k+1帧参考星图中的星体进行匹配识别；其特征在于，采用阈值映射的方法进行星体映射；进行星体映射时，采用分区星表的搜索方法搜索星体；在匹配识别过程中，采用先排序后匹配识别的方法。本发明计算耗时短、速度快。
文档编号G01C21/02GK1896681SQ200510084010
公开日2007年1月17日 申请日期2005年7月15日 优先权日2005年7月15日
发明者江洁, 张广军, 李霄, 魏新国 申请人:北京航空航天大学