CN110954085A - 一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，包括：利用天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，形成分区后的星表；在确定星敏感器视场中部分星点所在的子区域对应的天球子区域，并在所述天球子区域中对导航星进行检索，提取出导航星的位置信息；将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库。本发明还公开了一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库装置。本发明公开的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法和装置具有分区均匀的优点。
Description
技术领域
本发明涉及天文导航技术领域，特别涉及一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法以及装置。
背景技术
星敏感器是一种以赤道惯性系为参考系、以恒星为导航信息源的高精度空间姿态测量装置，通过拍摄天球上不同位置恒星的图像，经过信号处理电路提取出星点的位置信息，采用星图识别算法在导航星库中寻找观测星，利用观测星的方向矢量来确定空间飞行器的姿态信息。
当星敏感器对星空成像时，由于视场大小的限制，其通常只能对某一片天区进行成像，而三角形算法在识别的过程中需要对整个星表进行检索，严重影响了星图识别的识别速度。为了解决这一问题，现有的做法是把整个天区划分成若干个子区域，但现有技术中存在着星表分区不均匀，分区程度低的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法。所述应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法包括步骤：
将整个天区近似为一个球体作为天球，利用所述天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，形成分区后的星表；
在所述分区后的星表中确定星敏感器视场中部分星点所在的子区域对应的天球子区域，并在所述天球子区域中对导航星进行检索，提取出导航星的位置信息；
将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库。
在一些实施例中，所述利用所述天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，包括：利用所述天球中心和天球内接正二十面体每个面中三个顶点的连线构成一个锥体，锥体和球面相交并将所述天球表面分成二十个区域，再将所述二十个区域的每一个区域等分成n个子区域。
在一些实施例中，所述n＝(N+1)2，其中N的取值范围为N∈[0,+∞)。
在一些实施例中，在所述分区后的星表中，所述导航星的信息包括星等、赤经、赤纬、所在天体子区域编号和相邻子区域的编号。
在一些实施例中，所述将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库是通过三角形算法构建。
在一些实施例中，所述导航星之间的位置关系，是指以三个导航星构建的特征三角形的特征值。
在一些实施例中，所述特征值包括所述特征三角形的边长，以及外接圆和内切圆半径的乘积。
在一些实施例中，所述特征三角形的边长为所述导航星之间的星角距。
在一些实施例中，所述将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库具体包括步骤：
从星表中选择三颗导航星并记录其星号，
计算导航星之间的星角距作为特征三角形的边长，
根据计算结果判断三颗导航星是否共线，
若共线则需重新选择三颗导航星，
若不共线则利用三颗导航星之间的星角距计算特征三角形外接圆和内切圆半径的乘积，
将特征三角形的全部特征值存储到导航特征库中，
当星表中任意三颗导航星的组合都被遍历后即完成导航特征库的构建。
另一方面，本发明提供了一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库装置。所述应用于星敏感器的星表分区和特征建库装置包括：星表分区模块，检索模块以及特征建库模块，
所述星表分区模块，利用天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，形成分区后的星表；
所述检索模块，用于对通过所述星表分区模块形成的分区后的星表中确定星敏感器视场中部分星点所在的子区域对应的天球子区域，并在所述天球子区域中对导航星进行检索，提取出导航星的位置信息；
所述特征建库模块，通过对所述检索模块中提取的导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库。
本发明的技术效果：本发明公开的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法和装置将整个天区近似为一个球体作为天球，利用天球的内接正二十面体法对星表进行分区，这种分区方法可以对全天球星表进行均匀分区，可以提高天体分区的均匀度，且分区程度高。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的天球分区示意图；
图2为根据本发明一个实施例的分区后的星表中恒星的信息示意图；
图3为根据本发明一个实施例的特征三角区的构建示意图；
图4为根据本发明一个实施例的导航特征建库方法的流程示意图；
图5为根据本发明一个实施例的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法的流程示意图；
图6为根据本发明一个实施例的应用于星敏感器的星表分区和特征建库装置的模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图5所示，示意出了根据本发明一个实施例的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法。所述应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法包括步骤：
S1,将整个天区近似为一个球体作为天球，利用所述天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，形成分区后的星表；
S2,在所述分区后的星表中确定星敏感器视场中部分星点所在的子区域对应的天球子区域，并在所述天球子区域中对导航星进行检索，提取出导航星的位置信息；
S3,将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库。
在一些实施例中，步骤S1中：利用所述天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，包括：利用所述天球中心和天球内接正二十面体每个面中三个顶点的连线构成一个锥体，锥体和球面相交并将所述天球表面分成二十个区域，再将所述二十个区域的每一个区域等分成n个子区域。
在一些实施例中，所述n＝(N+1)2，其中N的取值范围为N∈[0,+∞)。
在一些实施例中，在所述分区后的星表中，所述导航星的信息包括星等、赤经、赤纬、所在天体子区域编号和相邻子区域的编号。
在一些实施例中，所述将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库是通过三角形算法构建。
在一些实施例中，所述导航星之间的位置关系，是指以三个导航星构建的特征三角形的特征值。
在一些实施例中，所述特征值包括所述特征三角形的边长，以及外接圆和内切圆半径的乘积。
在一些实施例中，所述特征三角形的边长为所述导航星之间的星角距。
在一些实施例中，参考图4所示，所述将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库具体包括步骤：
从星表中选择三颗导航星并记录其星号，
计算导航星之间的星角距作为特征三角形的边长，
根据计算结果判断三颗导航星是否共线，
若共线则需重新选择三颗导航星，
若不共线则利用三颗导航星之间的星角距计算特征三角形外接圆和内切圆半径的乘积，
将特征三角形的全部特征值存储到导航特征库中，
当星表中任意三颗导航星的组合都被遍历后即完成导航特征库的构建。
另一方面，参考图6所示，本发明提供了一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库装置100。所述应用于星敏感器的星表分区和特征建库装置100包括：星表分区模块10，检索模块20以及特征建库模块30，
所述星表分区模块10，利用天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，形成分区后的星表；
所述检索模块20，用于对通过所述星表分区模块10形成的分区后的星表中确定星敏感器视场中部分星点所在的子区域对应的天球子区域，并在所述天球子区域中对导航星进行检索，提取出导航星的位置信息；
所述特征建库模块30，通过对所述检索模块20中提取的导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库。
本发明的技术效果：本发明实施例公开的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法和装置将整个天区近似为一个球体作为天球，利用天球的内接正二十面体法对星表进行分区，这种分区方法可以对全天球星表进行均匀分区，可以提高天体分区的均匀度，且分区程度高。
本发明实施例公开的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法和装置将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库，通过采用多个特征值进行匹配降低了冗余匹配和误匹配的概率，提高了三角形算法的识别率。
以下结合附图1至附图4对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1：
如图1所示，天球中心oc和天球内接正二十面体每个面中3个顶点的连线构成一个锥体，锥体和球面相交并将其表面分成20个区域，分别编号为S1～S20。对于S1～S20中的每一个区域，再将其等分成(N+1)2个子区域，并对每个子区域进行编号，因此整个天球可以被划分成20×(N+1)2个子区域，其中N在理论上的取值范围为N∈[0,+∞)，在实际应用的过程中需要根据星敏感器视场的大小选择合适的值。当N＝0时，表示不再对S1～S20进行划分。
根据上述星表分区的方法，对整个星表进行遍历，并将每个导航星归类到相应的子区域中，最终完成星表的分区。在分区后的星表中，星号为i的恒星的信息不仅包括星等、赤经和赤纬，还包括其所在子区域和相邻子区域的编号。分区后星表中恒星的信息如图2所示。
当已知星敏感器视场中部分星点所在的子区域后，可以根据分区后的星表快速确定星敏感器视场所包含的天球子区域，并在子区域中对导航星进行检索，缩小了星表检索的范围，从而提高了星图识别的速度。
将星表中恒星的信息以及恒星之间的位置关系作为特征值可以构建导航特征库，它是星图识别的基础。经典三角形算法通常选择三角形的边长、周长、内角、高和面积等作为识别的特征，这些特征都具有平移，旋转不变性的特点。但是仅采用边长和周长作为特征值时特征值的维数较低，在识别时容易出现冗余匹配和误匹配的问题，而采用内角、高和面积作为特征值时又增加了特征值计算的复杂度，因此，需要引入新的特征值或特征值的组合对经典三角形算法进行改进。
本发明实施例根据三角形外接圆和内切圆半径的关系构建特征三角形ΔA′B′C′，如图3所示。ΔA′B′C′的边长分别为a，b和c，外接圆⊙OR和内切圆⊙Or的半径分别为
式中，
根据公式(1)，可以得到ΔA′B′C′外接圆和内切圆的半径满足关系
公式(2)说明任意三角形外接圆和内切圆半径的乘积仅与三角形的边长有关，计算复杂度较低，因此本专利将其与特征三角形的边长作为主要特征值，如表1所示。
表1特征三角形的特征值
在表1中，特征三角形的边长通常用两颗导航星之间的星角距表示。对于星表中星号为m和n的导航星来说，其参考矢量分别为
式中，(αm,δm)和(αn,δn)分别为导航星m和n的赤经和赤纬。
根据公式(3)，导航星m和n之间的星角距为
式中，符号“·”为矢量的内积，“||”为矢量的模。
利用公式(4)可以计算特征三角形的边长a，b，c，进而得到特征三角形外接圆和内切圆半径的乘积Mf。
利用预处理后的星表，根据表1中的特征值构建导航特征库，导航特征库的构建方法如图4所示。首先从星表中选择三颗导航星并记录其星号，然后计算导航星之间的星角距作为特征三角形的边长，并根据计算结果判断三颗导航星是否共线，若共线则需重新选择三颗导航星，若不共线则利用三颗导航星之间的星角距计算特征三角形外接圆和内切圆半径的乘积，最后将特征三角形的全部特征值存储到导航特征库中，当星表中任意三颗导航星的组合都被遍历后即完成导航特征库的构建。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
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发明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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，包括：
将整个天区近似为一个球体作为天球，利用所述天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，形成分区后的星表；
在所述分区后的星表中确定星敏感器视场中部分星点所在的子区域对应的天球子区域，并在所述天球子区域中对导航星进行检索，提取出导航星的位置信息；
将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库。
2.根据权利要求1所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，所述利用所述天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，包括：利用所述天球中心和天球内接正二十面体每个面中三个顶点的连线构成一个锥体，锥体和球面相交并将所述天球表面分成二十个区域，再将所述二十个区域的每一个区域等分成n个子区域。
3.根据权利要求2所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，所述n＝(N+1)2，其中N的取值范围为N∈[0,+∞)。
4.根据权利要求1所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，在所述分区后的星表中，所述导航星的信息包括星等、赤经、赤纬、所在天体子区域编号和相邻子区域的编号。
5.根据权利要求1所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，所述将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库是通过三角形算法构建。
6.根据权利要求1所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，所述导航星之间的位置关系，是指以三个导航星构建的特征三角形的特征值。
7.根据权利要求6所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，所述特征值包括所述特征三角形的边长，以及外接圆和内切圆半径的乘积。
8.根据权利要求7所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，所述特征三角形的边长为所述导航星之间的星角距。
9.根据权利要求1所述的应用于星敏感器的星表分区和特征建库方法，其特征在于，所述将星表中导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库具体包括：
从星表中选择三颗导航星并记录其星号，
计算导航星之间的星角距作为特征三角形的边长，
根据计算结果判断三颗导航星是否共线，
若共线则需重新选择三颗导航星，
若不共线则利用三颗导航星之间的星角距计算特征三角形外接圆和内切圆半径的乘积，
将特征三角形的全部特征值存储到导航特征库中，
当星表中任意三颗导航星的组合都被遍历后即完成导航特征库的构建。
10.一种应用于星敏感器的星表分区和特征建库装置，其特征在于，包括：
星表分区模块，利用天球的内接正二十面体法对星表进行均匀分区，形成分区后的星表；
检索模块，用于对通过所述星表分区模块形成的分区后的星表中确定星敏感器视场中部分星点所在的子区域对应的天球子区域，并在所述天球子区域中对导航星进行检索，提取出导航星的位置信息；
特征建库模块，通过对所述检索模块中提取的导航星的信息以及导航星之间的位置关系作为特征值构建导航特征库。
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