一种高动态下快速星跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高动态下快速星跟踪方法，属于星敏感器技术领域。
【背景技术】
[0002] 星敏感器是天文导航系统的主要设备，它是集光学、机械、电子、实时图像处理技 术于一体的仪器。它通过CCD或CMOS图像传感器获取星体的图像信息，然后对图像信息进 行实时处理（包括星体中屯、精确定位、星图识别、快速跟踪和精确姿态求解），输出姿态信 息控制飞行器的姿态。
[0003] 星敏感器有两种工作模式；（1)初始姿态捕获（Initialatt;Uu化acquisition): 在全天球范围内对CCD或CMOS成像器件所得的观测星图进行匹配、识别，计算初始的精确 姿态。（2)跟踪模式（Trackingmode);目前从国内外文献查到的星跟踪模式其跟踪过程 是；由初始姿态信息估计期望位置，并跟踪上一次已识别到的几个星体，从而输出当前精确 的姿态。初始姿态捕获只有在起始或跟踪丢失时才进行，如果跟踪模式非常稳定，则经过初 始姿态捕获，星敏感器就一直处于实时跟踪的状态，因此实时跟踪是星敏感器的主要工作 模式。
[0004] 目前广泛采用的星跟踪方法有；（1)窗口跟踪方法；W精确的位置信息为中屯、和 一定的窗口形式（如图1所示）去捕获跟踪的星体，读取窗口内星体的灰度信息，精确计 算星体中屯、位置。一般星体大小为3X3~5X5象素，所W窗口大小的选择略大于星体大 小，一般设置为8X8或IOX10, 一般设置8~10个该样的窗口，也就是每次跟踪8~10 颗星。（2)基于匹配识别的跟踪方法，如图2所示；参见专利"一种星敏感器快速星跟踪方 法"狂L200510084010. 9)，"一种星跟踪器快速匹配识别方法"狂L200510077187. 6)，"一种 快速无反馈星跟踪器跟踪算法"狂L200510000913.4)。该种方法对当前时刻的星体根据其 位置信息，寻找前一时刻与其在位置上匹配的已经跟踪到的星体，如果找到一颗，而且只有 一颗星体与其匹配，则匹配识别成功，当前星体的信息（包括赤经、赤绅、星等、星号）与匹 配到的前一时刻的星体信息一致。
[0005] 基于匹配识别的跟踪方法具有速度快，跟踪的星点多，跟踪稳定性好，系统复杂性 低等优点，目前被广泛使用。但是当星敏感器应用于高动态的姿态获取情况下，星体在视场 内移动的范围比较大，采用原始的匹配识别跟踪方法会出现如下图3所示的跟踪错误，当 跟踪半径取小了如图3中5号星会出现与其它星点的错误匹配，如果半径取大了如图3中 3号星，与其匹配的星1号星进入了匹配区域但其它星体也进入匹配区域，也造成了错误匹 配。
【发明内容】
[0006] 本发明技术解决问题；克服现有技术的不足，提供一种快速的准确的高动态下快 速星跟踪方法，解决在局动态下稳定的星跟踪问题。
[0007] 本发明技术解决方案：一种高动态下快速星跟踪方法，步骤如下：
[0008] (I)根据Ti-T。时刻星敏感器输出的多帖姿态信息及该多帖姿态信息的邻近关系 设计权重值，预测下一时刻Tw的星敏感器的姿态，再利用预测的姿态从星库中捜索该姿态 对应的星点，映射产生用于匹配的虚拟预测大视场星图；
[0009] (2)将t+ 5t时刻预测到的星体位置A与t+ 5t得到的星体质屯、的位置B进行匹 配识别实现星体跟踪。t表示某时刻，St表示前一帖到下一帖的时间间隔。
[0010] 所述步骤（1)中根据Ti-T。时刻多帖的姿态信息，依据姿态信息的邻近关系设计权 重值，预测下一时刻Th的输出姿态的具体过程如下：
[0011] 取Ti-T。时刻的姿态四元数Q1-Q。，根据Tl和T拥刻的姿态四元数Q1和Q2计算出 该两个时刻之间的姿态机动四元数AQ21;
[001 引
（1)
[0013]同样计算出AQ3_2，…，AQw_i，…，AQn_n-l
[0014] 用ATw康示T府刻和TW时刻间的时间间隔，QW康示在Ti~TW时间内的 平均角速度，Wy, 分别为Qi+u在星敏感器坐标系O-XYZ各坐标轴的分量。若ATw i较短（10~50ms)，可W用平均角速度近似代替瞬时角速度，计算公式为：
[0015]
[0016] 式中Qi, 92, 93, 94为四元数Qi的四个分量，Aq。Aqg,Aq3,Aq4为四元数AQ… 的四个分量，按照公式（2)依次计算可得〇2」，...，Qi+u，...，Qn_w，其中n为帖数。
[0017] 依据邻近关系设计权重，并进行加权平均得到预测值Q，Q为Ti-T。时刻的角速度 的平均值，
[0021] ?y，分别为Q在星敏感器坐标系O-XYZ各坐标轴的分量，ATW。表示T。 时刻和Tw时刻间的时间间隔，q。屯，93,Q4为四元数Qn的四个分量，Aq。Aqg,Aq3, 四元数AQw。的四个分量。得到TW时刻的预测的姿态四元数，
[002引Qw=Qn+AQntn妨
[0023] 所述步骤（1)中从星库中捜索该姿态对应的星点采用星库组织和快速的星库捜 索策略，具体过程如下：
[0024] 将星库中的星按赤经和赤绅坐标建立一个双重查找表，先按赤经整数值0-359升 序排列星库中的星，有相同赤经整数坐标的星再按赤绅坐标进行升序排列，按赤经的整数 值建立赤经索引表；当预测出当前的姿态后，赤经198. 1234,赤绅-30. 1234,按照当前的赤 经坐标整数值198及视场大小，就能够在赤经索引表中快速找到地址186-210,在预测虚拟 星图时加大星库捜索的范围，实现一个虚拟的大视场；在赤经索引表中得到与该些赤经整 数值对应的星在星表中的地址区间，然后W赤绅坐标整数值，在该地址区间中捜索查找对 应的星体，就捜索到映射到视场中的所有星体。
[002引所述步骤（2)中t+St时刻预测到的星体位置A与t+St得到的星体质屯、的位置B进行匹配识别实现星体跟踪方法是；图像传感器输出图像数据从上到下，从左到右的顺 序，t+St得到的星体质屯、的位置是按从上到下从左到右顺序排列，得到的该些数据的数列 不需要进行排列，仅需要将预测的虚拟大视场星图上的星点信息基于横纵坐标也按从上到 下从左到右顺序排列，而后两个数列进行比较。
[0026] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0027] (1)本发明采用多帖姿态信息预测，预测速度快，提高预测的准确性，而且基于预 测的虚拟大视场星图进行跟踪匹配不需要新星的识别，提高星跟踪的速度。
[002引 （2)本发明的快速星库组织和捜索策略，捜索更准确快速，提高星跟踪算法的速 度。
[0029] 做本发明中基于横纵坐标排序，提高匹配识别的速度。
【附图说明】
[0030] 图1为现有技术的跟踪窗口的形式；
[0031] 图2为现有技术的匹配识别方法；
[0032] 图3为现有的高动态下错误匹配示意图；
[0033] 图4为本发明的高动态下快速星跟踪方法示意图；
[0034] 图5为本发明中双重查找表示意图；
[0035] 图6为本发明中匹配识别过程。
【具体实施方式】
[0036] 如图4、5所示，本发明的一种快速星跟踪方法具体实现如下：
[0037] (1)虚拟大视场星图预测
[003引由于高动态下载体运动的速度快，在成像面上星体移动的范围比较大，因此在高 动态星敏感器中星点的预测是必要的过程，否则就会出现图3中的误匹配问题，本发明根 据前面Ti-Ti。时刻多帖的姿态信息（该里取10帖），依据其邻近关系设计权重值，预测下一 时刻T。的输出姿态，再利用预测的姿态预测出当前的虚拟的大视场星图。
[0039] 具体过程如下：
[0040] 取前面Ti-Ti拥刻的姿态四元数Qi-Qi。，根据Tl和T拥刻的姿态四元数Q1和Q2计 算出该两个时刻之间的姿态机动四元数AQ21;
[0041]
(1)
[0042]同样可W计算出AQs2，…AQ……AQiOJ
[00创用ATw_康不T府刻和TW时刻间的时间间隔，Q康不在Ti~TW时间内的 平均角速度，Wy,Wy, 分别为Qi+u在星敏感器坐标系O-XYZ各坐标轴的分量。若ATw i较短（10~50ms)，可W用平均角速度近似代替瞬时角速度，计算公式为：
[0044]
[0045]式中q。屯，q3，Q4为四元数Qi的四个分量，Aq。AQ2,Aq3,Aq4为四元数AQ… 的四个分量。按照公式（2)依次计算可得〇2」，...，〇^1，...，9。。_1，其中〇为帖数。
[0046] 依据邻近