CN109269495B - 动态星图生成方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种动态星图生成方法和设备，其中的设备包括：获取星敏感器的三轴指向和视场；根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；其中，导航星数据库包含全天区恒星的相关数据；导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的。本申请在提取导航星时不需要预先对恒星星表按照划分区域；并且，可以直接从本地内存的导航星数据库中检索导航星对应的相关数据。检索时降低了算法复杂度，可以将单次导航星检索时间缩短到毫秒级，大大提高了提取效率，从而提高了星图生成速度。
Description
技术领域
本申请涉及星图模拟技术领域，尤其涉及一种动态星图生成方法和设备。
背景技术
星敏感器以恒星为姿态参考源，通过光学成像、恒星提取、星图识别和姿态解算等步骤，确定星敏感器在惯性系中的姿态。星敏感器与陀螺仪配合使用，共同构成了高精度姿态确定***，广泛应用于卫星、航天飞机以及宇宙飞船的姿态测量。
由于星敏感器应用软件算法复杂，为保证其姿态测量的精确，需要对星敏感器星图识别算法和流程进行调试和验证。而星敏感器的调试必须获得星图，从星图中提取需要识别的目标及其模式特征。由于航天实验昂贵且易受天气条件影响，星敏感器的调试不可能都采用观星台进行实际观星测试。因此，有必要根据实际条件，利用计算机动态实时模拟生成星敏感器拍摄到的星图。
传统的计算机模拟星图方法为了提高导航星的检索效率，首先按照赤经和赤纬将导航星表划分多个分区(比如分区1、分区2、分区3等)，并根据星敏感器光轴指向及视场大小确定视场范围所在分区，并将此分区确定为搜索范围，从确定的搜索范围内进行导航星提取，此步骤通过分区缩小了导航星的检索范围，提高了检索效率；然后分别进行坐标和星等变换，将恒星从天球坐标系转换到星敏感器焦平面；最后将这些恒星以二维图像的形式显示于模拟光源的屏幕上，实现星图模拟。这种方法在生成静态星图时比较有效；但是，当生成动态星图时，由于星敏感器姿态的变化，在某时刻，视场所在分区往往跨越了预先划分的天区分区，在跨越分区时，进行导航星提取需要检索2个甚至4个分区，检索范围发生变化，增加了算法的复杂度，造成导航星提取效率低，从而导致动态星图生成速度慢。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种动态星图生成方法和设备。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种动态星图生成方法，包括：
获取星敏感器的三轴指向和视场；
根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；
根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；
根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；
其中，所述导航星数据库包含全天区恒星的相关数据；
所述导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的。
可选地，所述方法还包括：建立所述导航星数据库，所述建立所述导航星数据库包括：
根据史密森星表获取星等小于或等于预设数值的恒星的星号、星等、赤经和赤纬；
根据所述星号、星等、赤经和赤纬建立导航星数据库表；
根据所述赤经和赤纬创建导航星数据库索引。
可选地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围之前，所述方法还包括：
根据均值、方差和预先确定的星敏感器姿态噪声生成函数生成姿态噪声，所述星敏感器姿态噪声生成函数用于表征均值和方差到姿态噪声的映射；
根据第一公式、第二公式和第三公式，将所述姿态噪声添加到星敏感器的三轴指向中；
所述第一公式是α＝α0+myrandom(μ,δ)；
所述第二公式是δ＝δ0+myrandom(μ,δ)；
所述第三公式是φ＝φ0+myrandom(μ,δ)；
其中，α0、δ0和φ0分别表示星敏感器添加所述姿态噪声前的初始偏航角、初始俯仰角和初始滚转角，α、δ和φ分别表示星敏感器添加所述姿态噪声后的偏航角、俯仰角和滚转角，myrandom(μ,δ)用于表示均值和方差到姿态噪声的映射的姿态噪声生成函数，μ和δ分别表示均值和方差。
可选地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，包括：
根据所述俯仰角、视场以及第四公式确定赤经跨度；
根据所述视场以及第五公式确定赤纬跨度；
根据所述偏航角和所述赤经跨度确定赤经的搜索范围是(α-Δα，α+Δα)；
根据所述俯仰角和所述赤纬跨度确定赤纬的搜索范围是(δ-Δδ，δ+Δδ)；
其中，所述第四公式为
所述第五公式为Δδ＝FOV/2；
α和δ分别表示偏航角和俯仰角，FOV表示视场，Δα和Δδ分别表示赤经跨度和赤纬跨度。
可选地，所述导航星对应的相关数据包括导航星的星号、星等，以及导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬，
所述根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图，包括：
根据所述导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬、星敏感器的三轴指向和视场确定所述导航星在星敏感器焦平面上的二维坐标；
创建星图背景图像；
在所述星图背景图像中增加高斯白噪声；
在所述星图背景图像中增加椒盐噪声；
根据所述导航星的星等确定所述导航星在所述星图背景图像上的星点灰度；
根据所述二维坐标和所述星点灰度在所述星图背景图像上生成星点；
输出星图。
可选地，所述创建星图背景图像，包括：
根据预先设定的图像在纵向和横向的像素数、图像类型、图像灰度以及图像生成函数，创建星图背景图像，所述图像生成函数用于表征图像在纵向和横向的像素数、图像类型和图像灰度到图像的映射。
可选地，所述在所述星图背景图像中增加高斯白噪声，包括：
遍历所述星图背景图像上的每一个像素点，得到每个像素点的像素值，将高斯白噪声叠加到每个像素点的像素值；
所述高斯白噪声为预先计算产生的。
可选地，所述在所述星图背景图像中增加椒盐噪声，包括：
随机选取所述星图背景图像中满足均匀分布的N个像素点；
按均匀分布随机设置所述N个像素点的像素值分别为0或255；
所述N的值为根据所述图像在纵向和横向的像素数以及椒盐噪声密度计算得到的；
所述椒盐噪声为预先计算产生的，所述椒盐噪声密度值为预先设定的。
可选地，所述预设数值是6.5。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种动态星图生成设备，包括：
处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行如下所述的动态星图生成方法：
获取星敏感器的三轴指向和视场；
根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；
根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；
根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；
其中，所述导航星数据库包含全天区恒星的相关数据；
所述导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的。
可选地，所述方法还包括：建立所述导航星数据库，所述建立所述导航星数据库包括：
根据史密森星表获取星等小于或等于预设数值的恒星的星号、星等、赤经和赤纬；
根据所述星号、星等、赤经和赤纬建立导航星数据库表；
根据所述赤经和赤纬创建导航星数据库索引。
可选地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围之前，所述方法还包括：
根据均值、方差和预先确定的星敏感器姿态噪声生成函数生成姿态噪声，所述星敏感器姿态噪声生成函数用于表征均值和方差到姿态噪声的映射；
根据第一公式、第二公式和第三公式，将所述姿态噪声添加到星敏感器的三轴指向中；
所述第一公式是α＝α0+myrandom(μ,δ)；
所述第二公式是δ＝δ0+myrandom(μ,δ)；
所述第三公式是φ＝φ0+myrandom(μ,δ)；
其中，α0、δ0和φ0分别表示星敏感器添加所述姿态噪声前的初始偏航角、初始俯仰角和初始滚转角，α、δ和φ分别表示星敏感器添加所述姿态噪声后的偏航角、俯仰角和滚转角，myrandom(μ,δ)用于表示均值和方差到姿态噪声的映射的姿态噪声生成函数，μ和δ分别表示均值和方差。
可选地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，包括：
根据所述俯仰角、视场以及第四公式确定赤经跨度；
根据所述视场以及第五公式确定赤纬跨度；
根据所述偏航角和所述赤经跨度确定赤经的搜索范围是(α-Δα，α+Δα)；
根据所述俯仰角和所述赤纬跨度确定赤纬的搜索范围是(δ-Δδ，δ+Δδ)；
其中，所述第四公式为
所述第五公式为Δδ＝FOV/2；
α和δ分别表示偏航角和俯仰角，FOV表示视场，Δα和Δδ分别表示赤经跨度和赤纬跨度。
可选地，所述导航星对应的相关数据包括导航星的星号、星等，以及导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬，
所述根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图，包括：
根据所述导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬、星敏感器的三轴指向和视场确定所述导航星在星敏感器焦平面上的二维坐标；
创建星图背景图像；
在所述星图背景图像中增加高斯白噪声；
在所述星图背景图像中增加椒盐噪声；
根据所述导航星的星等确定所述导航星在所述星图背景图像上的星点灰度；
根据所述二维坐标和所述星点灰度在所述星图背景图像上生成星点；
输出星图。
可选地，所述创建星图背景图像，包括：
根据预先设定的图像在纵向和横向的像素数、图像类型、图像灰度以及图像生成函数，创建星图背景图像，所述图像生成函数用于表征图像在纵向和横向的像素数、图像类型和图像灰度到图像的映射。
可选地，所述在所述星图背景图像中增加高斯白噪声，包括：
遍历所述星图背景图像上的每一个像素点，得到每个像素点的像素值，将高斯白噪声叠加到每个像素点的像素值；
所述高斯白噪声为预先计算产生的。
可选地，所述在所述星图背景图像中增加椒盐噪声，包括：
随机选取所述星图背景图像中满足均匀分布的N个像素点；
按均匀分布随机设置所述N个像素点的像素值分别为0或255；
所述N的值为根据所述图像在纵向和横向的像素数以及椒盐噪声密度计算得到的；
所述椒盐噪声为预先计算产生的，所述椒盐噪声密度值为预先设定的。
可选地，所述预设数值是6.5。
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
通过获取星敏感器的三轴指向和视场；根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；由于导航星数据库中包含全天区恒星的相关数据，所以，在提取导航星时，不需要预先对恒星星表按照划分区域；并且，导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的。因此，提取导航星的相关数据时，可以直接从本地内存的导航星数据库中检索到。避免了星敏感器视场范围跨越多个分区，检索时降低了算法复杂度，可以将单次导航星检索时间缩短到毫秒级，大大提高了提取效率，从而提高了星图生成速度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种动态星图生成方法的流程示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种动态星图生成方法中建立导航星数据库的方法流程示意图。
图3是根据另一示例性实施例示出的一种动态星图生成方法流程示意图。
图4是根据另一示例性实施例示出的一种动态星图生成设备的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的方法和设备的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种动态星图生成方法的流程示意图。
如图1所示，本实施例提供的方法可以包括以下步骤：
步骤S11，获取星敏感器的三轴指向和视场；
步骤S12，根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；
步骤S13，根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；
步骤S14，根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；
其中，所述导航星数据库包含全天区恒星的相关数据；
所述导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的。
在步骤S11中，星敏感器的视场是星敏感器自身的参数，视场是指星敏感器所能观测到的天空范围，视场的大小决定了星敏感器的观测范围，通常以角度来表示，视场越大，观测范围越大。星敏感器的三轴指向是由星敏感器的姿态四元数转换而来，姿态四元数表示星敏感器自身在天球坐标系中的姿态。
其中，三轴指向包括偏航角(用α表示)、俯仰角(用δ表示)和滚转角(用φ表示)，姿态四元数转换成三轴指向的公式如下：
δ＝arcsin(-2(q0q2+q1q3))
其中，q0、q1、q2和q3是实数。
需要说明的是，姿态四元数是由外部设备传入的数据，星图模拟计算机通过RS422接口接收外部设备发送的姿态四元数，然后根据相关数据进行当前市场内的星图生成，并以指定帧速通过LVDS传输星图图像至星敏感器线路盒。
在步骤S12、步骤S13和步骤S14中，由于导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星，所以通过星敏感器的三轴指向和视场确定导航星的搜索范围；又因为，导航星数据库中包含全天区恒星的所有相关数据，且，导航星数据库已经预先加载到了本地内存中，因此，再根据确定的搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据，会大大缩短提取时间。不需要再预先划分天区分区根据分区检索导航星，生成动态星图时，也不需要跨越分区检索导航星，大大降低了算法复杂度。
本实施例中，通过获取星敏感器的三轴指向和视场；根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；由于导航星数据库中包含全天区恒星的相关数据，所以，在提取导航星时，不需要预先对恒星星表按照划分区域；并且，导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的。因此，提取导航星的相关数据时，可以直接从本地内存的导航星数据库中检索到。避免了星敏感器视场范围跨越多个分区，检索时降低了算法复杂度，可以将单次导航星检索时间缩短到毫秒级，大大提高了提取效率，从而提高了星图生成速度。
进一步地，如图2所示，所述方法还包括：建立所述导航星数据库，所述建立所述导航星数据库包括：
步骤S21，根据史密森星表获取星等小于或等于预设数值的恒星的星号、星等、赤经和赤纬；
步骤S22，根据所述星号、星等、赤经和赤纬建立导航星数据库表；
步骤S23，根据所述赤经和赤纬创建导航星数据库索引。
在具体实施时，可以选择史密森星表(Smithsonian AstrophysicalObservatory，简称SAO星表)中星等小于或等于6.5的9040颗恒星，然后选择这9040颗恒星的星号、星等、赤经和赤纬信息建立导航星数据库表，然后以赤经和赤纬创建索引，存入SQLite数据库文件中备用。这样以赤经和赤纬建立索引，更便于确定搜索范围进行导航星数据检索。
其中，创建导航星数据库以及建立索引的程序语言描述如下：
CREATE TABLE sao(number int,mag real,starRA real,starDEC real)；
CREATE INDEX idx_sao ON sao(starRA ASC,starDEC ASC)。
更进一步的，采用与上述导航星数据库相同的表结构和索引，将建立好的导航型数据库加载到本地内存中，加载数据库的程序语言如下：
DROP TABLE IF EXISTS mem；
ATTACH DATABASE'sao.db'as diskdb；
CREATE TABLE mem AS SELECT*FROM diskdb.sao order by number；
CREATE INDEX idx_mem ON mem(starRA ASC,starDEC ASC)；
DETACH DATABASE diskdb。
进一步地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围之前，所述方法还包括：
根据均值、方差和预先确定的星敏感器姿态噪声生成函数生成姿态噪声，所述星敏感器姿态噪声生成函数用于表征均值和方差到姿态噪声的映射；
根据第一公式、第二公式和第三公式，将所述姿态噪声添加到星敏感器的三轴指向中；
所述第一公式是α＝α0+myrandom(μ,δ)；
所述第二公式是δ＝δ0+myrandom(μ,δ)；
所述第三公式是φ＝φ0+myrandom(μ,δ)；
其中，α0、δ0和φ0分别表示星敏感器添加所述姿态噪声前的初始偏航角、初始俯仰角和初始滚转角，α、δ和φ分别表示星敏感器添加所述姿态噪声后的偏航角、俯仰角和滚转角，myrandom(μ,δ)用于表示均值和方差到姿态噪声的映射的姿态噪声生成函数，μ和δ分别表示均值和方差。
由于星敏感器在天空中三轴指向会受到姿态噪声的干扰，为了提供更加真实的测试环境，在获取星敏感器的三轴指向和视场之后，在根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围之前，还需要增加星敏感器姿态噪声。
具体的，星敏感器姿态噪声可由Box-Muller变换产生，将服从均匀分布的随机数转换为服从高斯分布的随机数，转换过程如下：
其中：
随机数r、φ服从(0，1)之间的均匀分布，产生的z1和z2相互独立且服从均值为μ方差为σ的高斯分布。
生成姿态噪声生成函数的程序语句如下：
然后，将星敏感器姿态噪声添加到星敏感器的三轴指向中，公式如下：
α＝α0+myrandom(μ,δ)
δ＝δ0+myrandom(μ,δ)
φ＝φ0+myrandom(μ,δ)
其中的myrandom(μ,δ)表示姿态噪声生成函数，用于表征均值和方差到姿态噪声的映射。只要确定了均值和方差，便可以通过姿态噪声生成函数生成姿态噪声。
进一步地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，包括：
根据所述俯仰角、视场以及第四公式确定赤经跨度；
根据所述视场以及第五公式确定赤纬跨度；
根据所述偏航角和所述赤经跨度确定赤经的搜索范围是(α-Δα，α+Δα)；
根据所述俯仰角和所述赤纬跨度确定赤纬的搜索范围是(δ-Δδ，δ+Δδ)；
其中，所述第四公式为
所述第五公式为Δδ＝FOV/2；
α和δ分别表示偏航角和俯仰角，FOV表示视场，Δα和Δδ分别表示赤经跨度和赤纬跨度。
其中，通过公式得到赤经跨度和赤纬跨度后，进一步确定赤经和赤纬的检索范围，确定了检索范围后，可以通过SQL语句直接搜索导航星对应的相关数据。比如，检索范围是(15±5，0±5)(即赤经范围是(10，20)，赤纬范围是(-5，5))的导航星对应的数据，那么，SQL语句可以如下：
select number,mag,starRA,starDEC from mem where(starRA<20and starRA>10)and(starDEC<5and starDEC>-5)
进而得到星敏感器当前视场下恒星的星号、星等、赤经和赤纬。
进一步地，所述导航星对应的相关数据包括导航星的星号、星等，以及导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬，
所述根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图，包括：
根据所述导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬、星敏感器的三轴指向和视场确定所述导航星在星敏感器焦平面上的二维坐标；
创建星图背景图像；
在所述星图背景图像中增加高斯白噪声；
在所述星图背景图像中增加椒盐噪声；
根据所述导航星的星等确定所述导航星在所述星图背景图像上的星点灰度；
根据所述二维坐标和所述星点灰度在所述星图背景图像上生成星点；
输出星图。
在检索到星敏感器当前视场下的恒星对应的相关数据后，需要根据这些数据生成星图。由于星敏感器的成像满足透视投影模型，因此采用透视投影变换的方法将恒星从天球坐标系转换到星敏感器焦平面上。
具体的，根据导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬、星敏感器的三轴指向和视场确定导航星在星敏感器焦平面上的二维坐标，其公式如下：
其中，αi和δi分别表示导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬，α0、δ0和分别表示星敏感器的偏航角、俯仰角和滚转角，FOVx和FOVy分别表示星敏感器在水平方向的视场角和竖直方向的视场角，x表示导航星在星敏感器焦平面上的横坐标，y表示导航星在星敏感器焦平面上的纵坐标。
将恒星从天球坐标系下的数据转换成星敏感器焦平面上的数据后，创建灰度为0的背景图像。为了为星敏感器应用软件提供更加真实的测试环境，本申请还在背景图像中增加了高斯白噪声和椒盐噪声；高斯白噪声包括热噪声和散粒噪声；椒盐噪声是由于信号受到强烈干扰产生的脉冲噪声，图像会出现随机的白点或黑点。最后，根据提取到的导航星的星等确定导航星在星图背景图像上的星点灰度，根据得到的二维坐标和星点灰度合成星点。
具体的，根据提取到的导航星的星等确定导航星在星图背景图像上的星点灰度，包括：
确定星点中心像素灰度和星点中心周围的像素灰度；
星点中心像素灰度与星等满足如下关系：
其中，m表示星等，g表示灰度值，定义星等数值为6时对应的星点中心灰度值为255。
星点中心周围的像素灰度可按照高斯扩散函数计算得到，高斯扩散函数如下：
其中，方差(用σ表示)与星点扩散半径(用r表示)满足关系式σ＝r/3，Δx和Δy分别表示弥散斑与星点中心在星敏感器焦平面上的偏移量。
进一步地，所述创建星图背景图像，包括：
根据预先设定的图像在纵向和横向的像素数、图像类型、图像灰度以及图像生成函数，创建星图背景图像，所述图像生成函数用于表征图像在纵向和横向的像素数、图像类型和图像灰度到图像的映射。
具体的，可以利用opencv库函数创建星图初始背景图像，程序语句如下：
Mat starImage＝Mat(rows,cols,CV_8UC1,0.)；其中：
rows、cols分别表示图像在纵向和横向的像素数；
CV_8UC1表示生成单通道8位灰度图；
starImage为创建的星图初始背景图像；
通过将预先设定的图像在纵向和横向的像素数，图像类型(比如单通道8位灰度图)以及图像灰度(本申请中，设置图像灰度为0)这些代入图像生成函数，便能生成相应的星图背景图像。
进一步地，所述在所述星图背景图像中增加高斯白噪声，包括：
遍历所述星图背景图像上的每一个像素点，得到每个像素点的像素值，将高斯白噪声叠加到每个像素点的像素值；
所述高斯白噪声为预先计算产生的。
具体的，高斯白噪声包括热噪声和散粒噪声，其幅度分布服从高斯分布，功率谱密度服从均匀分布。高斯白噪声的产生算法与上述姿态噪声的产生算法相同，此处不再赘述，得到的myrandom(μ,δ)表示均值和方差到高斯白噪声的映射。
然后遍历星图背景图像上的每个像素点，其像素值(用pi表示)叠加高斯白噪声后为pi'，其公式如下：
pi'＝pi+myrandom(μ,σ)。
进一步地，所述在所述星图背景图像中增加椒盐噪声，包括：
随机选取所述星图背景图像中满足均匀分布的N个像素点；
按均匀分布随机设置所述N个像素点的像素值分别为0或255；
所述N的值为根据所述图像在纵向和横向的像素数以及椒盐噪声密度计算得到的；
所述椒盐噪声为预先计算产生的，所述椒盐噪声密度值为预先设定的。
具体的，椒盐噪声是由于信号受到强烈干扰产生的脉冲噪声，图像会出现随机的白点或黑点。本实施例中，椒盐噪声采用随机函数产生，采用椒盐噪声密度(用ρ表示)作为参数来确定噪声程度，其取值范围为[0,1]。
首先根据图像分辨率和椒盐噪声密度计算得出椒盐噪声像素点总数N：
N＝rows×cols×ρ，其中：
rows、cols分别表示图像在纵向和横向的像素数；
ρ表示椒盐噪声密度；
其次，在星图背景图像中叠加椒盐噪声，其软件实现方法包括以下步骤：
第一步，在星图背景图像中，选取满足均匀分布的一个像素点pi；
第二步，检查pi是否已选取过，如果是则按照第一步重新选取，
第三步，按照均匀分布随机设置pi的像素值为0或者255。
在具体实施时，执行N次如下语句操作进行椒盐噪声叠加：
j＝theRNG.uniform(0,rows),k＝theRNG().uniform(0,cols)
pjk＝theRNG().uniform(0,2)×255
进一步地，所述预设数值是6.5。
星等是衡量星星明暗程度的，星等数值越小，星越明亮，反之越暗。因此，设置星等预设数值为6.5，这样使得选取的恒星的星等均小于或等于6.5，剔除了亮度不够的恒星。
为了更***的理解本申请，下面对整个星图生成流程进行描述。
图3是根据另一示例性实施例示出的一种动态星图生成方法流程示意图。
如图3所示，本实施例提供的方法包括以下步骤：
第一步，开始；
第二步，创建导航星数据库；
第三步，以内存方式加载导航星数据库；
第四步，接收姿态四元数；
第五步，添加姿态噪声；
第六步，检索导航星；
第七步，透视投影变换；
第八步，添加高斯白噪声；
第九步，添加椒盐噪声；
第十步，星点灰度合成；
第十一步，输出星图；
第十二步，判断星图模拟是否结束；是则结束流程，否则返回第四步重新接受姿态四元数。
本实施例的详细实现方式可参考上述有关该方法的实施例中的说明，此处不再赘述。
本实施例中，不仅通过建立导航星数据库并将导航型数据库加载在本地内存中。使得检索导航星时可直接从本地内存的导航星数据库中检索到，避免了星敏感器视场范围跨越多个分区，检索时降低了算法复杂度，可以将单次导航星检索时间缩短到毫秒级，大大提高了提取效率，从而提高了星图生成速度。更进一步的，通过在模拟星图过程中增加姿态噪声、高斯白噪声以及椒盐噪声，解决了传统星图模拟时的噪声模拟欠缺问题，为星敏感器应用软件提供了更加真实的测试环境。
图4是根据另一示例性实施例示出的一种动态星图生成设备的结构示意图。
如图4所示，本实施例提供的设备包括：
处理器41，以及与所述处理器相连接的存储器42；
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行如下所述的动态星图生成方法：
获取星敏感器的三轴指向和视场；
根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；
根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；
根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；
其中，所述导航星数据库包含全天区恒星的相关数据；
所述导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的。
进一步地，所述方法还包括：建立所述导航星数据库，所述建立所述导航星数据库包括：
根据史密森星表获取星等小于或等于预设数值的恒星的星号、星等、赤经和赤纬；
根据所述星号、星等、赤经和赤纬建立导航星数据库表；
根据所述赤经和赤纬创建导航星数据库索引。
进一步地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围之前，所述方法还包括：
根据均值、方差和预先确定的星敏感器姿态噪声生成函数生成姿态噪声，所述星敏感器姿态噪声生成函数用于表征均值和方差到姿态噪声的映射；
根据第一公式、第二公式和第三公式，将所述姿态噪声添加到星敏感器的三轴指向中；
所述第一公式是α＝α0+myrandom(μ,δ)；
所述第二公式是δ＝δ0+myrandom(μ,δ)；
所述第三公式是φ＝φ0+myrandom(μ,δ)；
其中，α0、δ0和φ0分别表示星敏感器添加所述姿态噪声前的初始偏航角、初始俯仰角和初始滚转角，α、δ和φ分别表示星敏感器添加所述姿态噪声后的偏航角、俯仰角和滚转角，myrandom(μ,δ)用于表示均值和方差到姿态噪声的映射的姿态噪声生成函数，μ和δ分别表示均值和方差。
进一步地，所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，包括：
根据所述俯仰角、视场以及第四公式确定赤经跨度；
根据所述视场以及第五公式确定赤纬跨度；
根据所述偏航角和所述赤经跨度确定赤经的搜索范围是(α-Δα，α+Δα)；
根据所述俯仰角和所述赤纬跨度确定赤纬的搜索范围是(δ-Δδ，δ+Δδ)；
其中，所述第四公式为
所述第五公式为Δδ＝FOV/2；
α和δ分别表示偏航角和俯仰角，FOV表示视场，Δα和Δδ分别表示赤经跨度和赤纬跨度。
进一步地，所述导航星对应的相关数据包括导航星的星号、星等，以及导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬，
所述根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图，包括：
根据所述导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬、星敏感器的三轴指向和视场确定所述导航星在星敏感器焦平面上的二维坐标；
创建星图背景图像；
在所述星图背景图像中增加高斯白噪声；
在所述星图背景图像中增加椒盐噪声；
根据所述导航星的星等确定所述导航星在所述星图背景图像上的星点灰度；
根据所述二维坐标和所述星点灰度在所述星图背景图像上生成星点；
输出星图。
进一步地，所述创建星图背景图像，包括：
根据预先设定的图像在纵向和横向的像素数、图像类型、图像灰度以及图像生成函数，创建星图背景图像，所述图像生成函数用于表征图像在纵向和横向的像素数、图像类型和图像灰度到图像的映射。
进一步地，所述在所述星图背景图像中增加高斯白噪声，包括：
遍历所述星图背景图像上的每一个像素点，得到每个像素点的像素值，将高斯白噪声叠加到每个像素点的像素值；
所述高斯白噪声为预先计算产生的。
进一步地，所述在所述星图背景图像中增加椒盐噪声，包括：
随机选取所述星图背景图像中满足均匀分布的N个像素点；
按均匀分布随机设置所述N个像素点的像素值分别为0或255；
所述N的值为根据所述图像在纵向和横向的像素数以及椒盐噪声密度计算得到的；
所述椒盐噪声为预先计算产生的，所述椒盐噪声密度值为预先设定的。
进一步地，所述预设数值是6.5。
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
关于上述实施例中的设备，其中各个模块执行操作的具体方式已经在其他实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对资源信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种动态星图生成方法，其特征在于，包括：
获取星敏感器的三轴指向和视场；
根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，所述导航星为在所述星敏感器的视场范围内的恒星；
根据所述搜索范围在本地内存的导航星数据库中提取导航星对应的相关数据；
根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图；
其中，所述导航星数据库包含全天区恒星的相关数据；
所述导航星数据库为预先建立并加载到本地内存中的；
所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角；
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围之前，所述方法还包括：根据均值、方差和预先确定的星敏感器姿态噪声生成函数生成姿态噪声，所述星敏感器姿态噪声生成函数用于表征均值和方差到姿态噪声的映射；根据第一公式、第二公式和第三公式，将所述姿态噪声添加到星敏感器的三轴指向中；
所述第一公式是α＝α0+myrandom(μ，δ)；
所述第二公式是δ＝δ0+myrandom(μ，δ)；
所述第三公式是
其中，α0、δ0和分别表示星敏感器添加所述姿态噪声前的初始偏航角、初始俯仰角和初始滚转角，α、δ和/>分别表示星敏感器添加所述姿态噪声后的偏航角、俯仰角和滚转角，myrandom(μ，δ)用于表示均值和方差到姿态噪声的映射的姿态噪声生成函数，μ和δ分别表示均值和方差；
所述建立所述导航星数据库包括：根据史密森星表获取星等小于或等于预设数值的恒星的星号、星等、赤经和赤纬；根据所述星号、星等、赤经和赤纬建立导航星数据库表；根据所述赤经和赤纬创建导航星数据库索引；
所述三轴指向包括偏航角、俯仰角和滚转角，
所述根据所述三轴指向和视场确定导航星的搜索范围，包括：
根据所述俯仰角、视场以及第四公式确定赤经跨度；
根据所述视场以及第五公式确定赤纬跨度；
根据所述偏航角和所述赤经跨度确定赤经的搜索范围是(α-Δα，α+Δα)；
根据所述俯仰角和所述赤纬跨度确定赤纬的搜索范围是(δ-Δδ，δ+Δδ)；
其中，所述第四公式为
所述第五公式为Δδ＝FOV/2；
α和δ分别表示偏航角和俯仰角，FOV表示视场，Δα和Δδ分别表示赤经跨度和赤纬跨度；
所述导航星对应的相关数据包括导航星的星号、星等，以及导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬，
所述根据提取到的导航星对应的相关数据生成星图，包括：
根据所述导航星在天球坐标系下的赤经和赤纬、星敏感器的三轴指向和视场确定所述导航星在星敏感器焦平面上的二维坐标；
创建星图背景图像；
在所述星图背景图像中增加高斯白噪声；
在所述星图背景图像中增加椒盐噪声；
根据所述导航星的星等确定所述导航星在所述星图背景图像上的星点灰度；
根据所述二维坐标和所述星点灰度在所述星图背景图像上生成星点；
输出星图；
所述创建星图背景图像，包括：
根据预先设定的图像在纵向和横向的像素数、图像类型、图像灰度以及图像生成函数，创建星图背景图像，所述图像生成函数用于表征图像在纵向和横向的像素数、图像类型和图像灰度到图像的映射；
所述在所述星图背景图像中增加高斯白噪声，包括：
遍历所述星图背景图像上的每一个像素点，得到每个像素点的像素值，将高斯白噪声叠加到每个像素点的像素值；
所述高斯白噪声为预先计算产生的；
所述在所述星图背景图像中增加椒盐噪声，包括：
随机选取所述星图背景图像中满足均匀分布的N个像素点；
按均匀分布随机设置所述N个像素点的像素值分别为0或255；
所述N的值为根据所述图像在纵向和横向的像素数以及椒盐噪声密度计算得到的；
所述椒盐噪声为预先计算产生的，所述椒盐噪声密度值为预先设定的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设数值是6.5。
3.一种动态星图生成设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行权利要求1-2任一项所述的动态星图生成方法；
所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。
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