基于星敏感器的星點(diǎn)提取與星圖識(shí)別方法研究.pdf

1、深空探測(cè)有助于人類(lèi)了解宇宙和生命的起源與演化，探索和擴(kuò)展生存空間，合理地利用空間的資源，謀求社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著深空探測(cè)任務(wù)的開(kāi)展，對(duì)深空探測(cè)器自主導(dǎo)航技術(shù)的要求越來(lái)越高。現(xiàn)有的深空探測(cè)器一般高度依賴(lài)地面測(cè)控系統(tǒng)，但地面監(jiān)測(cè)站的固有缺陷，使得其無(wú)法保持穩(wěn)定的遠(yuǎn)距離長(zhǎng)時(shí)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，可為深空探測(cè)器提供位置和姿態(tài)信息，是一種非常重要的深空探測(cè)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(duì)姿態(tài)敏感器，能夠?yàn)樾l(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(cè)量精度、無(wú)累積誤差、隱蔽性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，近些年圍繞基于星敏感器的自主天文導(dǎo)航技術(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究。本文針對(duì)星敏感器中的星點(diǎn)提取和星圖識(shí)別問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要工作內(nèi)容包括：
　　1.為了改善星圖圖像星點(diǎn)提取的定位精度，同時(shí)提高星點(diǎn)提取的效率，提出一種高精度星點(diǎn)快速

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

4、點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo)，完成星點(diǎn)的精確定位。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。對(duì)比的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)提取的速度。
　　2.在對(duì)基于 Log-Polar變換的星圖識(shí)別算法分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Log-Polar變換改進(jìn)的自主星圖識(shí)別算法。該算法首先分析了基于Log-Polar變換的星圖識(shí)別算法所存在的不足。隨后通過(guò)重構(gòu)星圖圖像的平面直角坐標(biāo)系，將視場(chǎng)內(nèi)的觀測(cè)星進(jìn)行重新投影，使觀測(cè)星的識(shí)別特征在星圖圖像

5、發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠保持不變。之后引入觀測(cè)星平面坐標(biāo)的對(duì)數(shù)值作為識(shí)別特征向量的元素，增強(qiáng)識(shí)別特征的抗噪性能。最后，利用觀測(cè)星特征向量中非零值的個(gè)數(shù)來(lái)限定觀測(cè)星特征向量在導(dǎo)航星特征庫(kù)中匹配搜索的范圍，提高觀測(cè)星識(shí)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(shí)別算法所存在的不足。與改進(jìn)的柵格算法和基于Log-Polar變換的星圖識(shí)別算法相比，該算法具有較強(qiáng)的魯棒性，且在提高算法識(shí)別率的同時(shí)，加快了觀測(cè)星識(shí)別的速度。

6、　　3.星圖識(shí)別中能夠使用的星圖圖像信息只有星點(diǎn)的位置和亮度信息，而星點(diǎn)的亮度信息常被認(rèn)為是一種不穩(wěn)定的信息。本文利用觀測(cè)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(shí)別算法。該算法利用觀測(cè)星的平面位置以及觀測(cè)星與鄰星間的夾角信息來(lái)構(gòu)建觀測(cè)星的識(shí)別特征；利用觀測(cè)星星模式的矢量方向，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的觀測(cè)星進(jìn)行重新的投影，使得觀測(cè)星的識(shí)別特征在星圖圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)保持不變。在觀測(cè)星識(shí)別特征匹配的過(guò)程中，利用特征向量中非零值的

7、個(gè)數(shù)縮小特征向量在導(dǎo)航星特征庫(kù)中匹配搜索的范圍，加快觀測(cè)星的識(shí)別。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。仿真結(jié)果表明，該算法在提高星識(shí)別率的同時(shí)，加快了星識(shí)別的速度。在同一條件下，該算法與金字塔算法、改進(jìn)的柵格算法和基于Log-Polar變換的星圖識(shí)別算法進(jìn)行了比較。對(duì)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(shí)別過(guò)程，且在增強(qiáng)星圖識(shí)別魯棒性的同時(shí)，加快觀測(cè)星識(shí)別的速度，提出了一種基于組合模式的自主星圖識(shí)別算法。該

8、算法融合了徑向模式和編碼模式的優(yōu)勢(shì)，利用徑向模式的平移和旋轉(zhuǎn)不變性，使觀測(cè)星的識(shí)別特征不會(huì)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(cè)星的識(shí)別問(wèn)題簡(jiǎn)化為數(shù)值的比較。根據(jù)觀測(cè)星在組合模式下的識(shí)別特征的特點(diǎn)，將觀測(cè)星在編碼模式下的識(shí)別特征用于初始匹配，即使用編碼模式的識(shí)別特征，在導(dǎo)航星特征庫(kù)中進(jìn)行匹配搜索，確定觀測(cè)星的候選匹配結(jié)果。隨后利用觀測(cè)星在徑向模式下的識(shí)別特征，與候選匹配結(jié)果相應(yīng)的徑向模式識(shí)別特征進(jìn)行比較，從而得到識(shí)別的結(jié)果。仿

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