一种基于平面三角形主成分分析的星图识别方法

摘要

本发明属于航天器自主导航、制导与控制领域，将提供一种基于平面三角形的星图识别方法。所述方法包括以下几个步骤：首先建立导航星数据库，包括构造特征平面三角形、对所有特征三角形构成的矩阵做主成分分析、计算特征三角形在本征轴方向上的投影值、将投影值排序；然后构造观测平面三角形；最后利用k-vector搜索方法在导航星数据库中寻找与观测三角形匹配的特征三角形，并用最小平方误差来剔除冗余匹配，确定最终的匹配三角形。本发明提出的平面三角形星图识别方法解决了传统三角形识别方法对噪声鲁棒性差、冗余匹配多、识别率低的缺点；加快了导航星数据库的检索速度，剔除了冗余匹配，提高了识别率，对噪声的鲁棒性更好。

主权项

一种基于平面三角形主成分分析的星图识别方法，其特征在于，恒星在天球坐标系下的单位矢量构成的特征平面三角形与恒星在星敏感器成像平面上的单位矢量构成的观测平面三角形全等，每一个特征三角形的三边长构成一个特征向量，对所有特征三角形特征向量所构成的矩阵进行主成分分析，然后将所有特征向量在本征轴上进行投影，求取投影值，在星图识别阶段，将观测三角形边长构成的向量向本征轴上投影，通过该投影值与特征向量投影值的匹配，完成恒星识别，具体步骤如下：1.1、构建导航星库，利用基本星库中的恒星来构建特征三角形，所述基本星库由SAO星表中星等小于6.0的所有恒星构成，具体步骤如下：1.1.1、构建特征三角形；在基本星库中，分别以每颗恒星为主星，以主星的姿态为星敏感器视轴方向，所述的星敏感器视场角为10°X10°，星敏感器成像系统焦距为f＝58.4563mm，在上述的星敏感器的视场内提取恒星，被提取的恒星称为从星，然后利用主星和从星在天球坐标下的单位方向矢量，计算出主星与视场中任意从星的欧式距离D_ms，由于视场大小约束，计算出的主从星间距离将会很小，为了便于计算，将所求得距离乘以100，这样处理后，当主从星的夹角为0.6°时，D_ms＝1；当主从星的夹角为视场半径时，D_ms＝8.728，平面三角形构造规则是：首先筛选出满足1≤D_ms≤8.728的从星，然后将筛选出的从星到主星的距离排序，保留距离主星最近的4颗恒星分别与主星构成平面三角形，剔除重复的三角形；当从星数目不足4颗大余2颗时，将所有从星全部选择，构建特征三角形，构造出来的平面三角形的数量用N_p来表示；1.1.2、构造特征向量；对于步骤1.1.1中构造的平面三角形，用向量Δ_i来标识一个三角形，其中Δ_i＝(a_i,b_i,c_i)^T，(1≤i≤N_p)，a_i,b_i,c_i为三角形的三边长，三角形的边长为组成三角形的恒星在天球坐标系下单位矢量间的欧式距离；1.1.3、特征三角形主成分分析；将步骤1.1.2中构建的N_P个三角形的特征向量构造矩阵M，其中且M为3×N_P矩阵，对矩阵M进行主成分分析，将本征轴上的单位向量u_max作为投影直线；1.1.4、利用公式(r_i＝1,...,N_p,j_d＝1,...,N_p)，为特征向量与均值向量的差值构成的向量，其中为第r_i个三角形在投影直线上的投影值；1.1.5、将所有特征三角形按照投影值大小依次排序并编号；1.2、观测三角形构造，具体步骤如下：1.2.1、在星敏感器视场内，选择离视场中心最近的6颗恒星，分别以这6颗恒星为主星(当离视场中心最近的观测星数目不足6颗大于2颗时，所有观测星全部选择)，按照与步骤1.1.1相同方法构造该观测视场内的观测三角形；1.2.2、利用步骤1.1.2的相同方法构造观测三角形特征向量；1.2.3、利用步骤1.1.4的相同方法求解观测三角形的投影值；1.3、在导航星数据库中寻找与观测三角形匹配的特征三角形，步骤如下：1.3.1、由于各种噪声的影响，投影点的位置会发生偏移，得出投影值p_r处于[p_r‑ξ,p_r+ξ]误差范围内，其中±ξ为投影值容许误差范围，根据投影值误差范围，利用k‑vector方法快速定位导航星库的搜索区间上下限；1.3.2、在步骤1.3.1中得到的搜索区间内，分别比较观测三角形和导航星库中该区间特征三角形的三条边长，如果误差在容许误差内，且只有一个三角形符合这种情况，认为该特征三角形与观测三角形匹配，如果有多个三角形匹配，分别计算观测三角形与导航星库中三角形三边长的平方误差，将取得平方误差最小值的特征三角形作为观测三角形的匹配。