星敏感器中星图图像的星体细分定位方法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理和星图图像的预处理的主要方法,将传统质心法、带阈值的质心法、平方加权质心法和高斯曲面拟合法应用于星敏感器中星图图像的星体细分定位,并进行了较为系统的仿真研究.仿真结果表明,带阈值的质心法是一种较为理想的星体细分定位方法.就噪声水平、阈值选择及低通滤波对细分定位精度的影响进行了仿真研究.最后,利用仿真结果对模拟星图图像的星体进行了细分定位实验,取得了较为满意的结果.      

具有方向特性的X角点的亚像素检测定位

X角点被广泛应用于相机标定与可见光视觉跟踪系统,不仅具有位置信息,还可以具有方向信息.针对X角点的精确位置检测和方向检测,提出了一种利用X角点对称性的检测与定位算法——对称性计算算子(SC,Symmetry Calculation),简称SC算子.该算法主要由两部分组成.先利用对称性计算值确定X角点像素位置,然后基于二次曲线拟合及直线相交求亚像素位置.通过角点定位实验,仿真分析高斯噪声和畸变对定位精度及鲁棒性的影响,并与Harris算法及Micron Tracker系统进行比较.实验表明,本文方法能有效检测X角点,排除其他类型的角点和干扰点,具有较高的定位精度和鲁棒性.      

基于NCCO的十字图像特征亚像素定位

利用标准互相关算子(NCCO)对机器视觉领域常用的十字图像特征进行匹配运算,发现相似函数在峰值区域的分布特征为4个互相对称的双曲面.据此提出一种基于NCCO图像匹配的双曲面拟合亚像素精密定位方法:首先进行粗定位,确定整像素级的相似函数峰值点;然后使用伪逆法对峰值区域的4个卦限分别进行最小二乘拟合;最后求解4个拟合双曲面的交点,得到图像特征的亚像素定位坐标.在微装配显微视觉系统上实现了该算法并进行了实验验证.实验表明:与常用的高斯拟合或二次曲面拟合方法相比,双曲面拟合方法在定位精度上为0.25个像素,而计算量大为减少.     

星敏感器用仪器星等的确定

仪器星等对正确评估星敏感器的灵敏度、捕获概率以及建立导航星表都有重要的意义。理论推导了色指数与接受器和恒星辐射之间的关系,证明星敏感器仪器星等可以由波段星等线性拟合得出,在此基础上由蓝光和可见光波段星等拟合计算了星敏感器的仪器星等,并与实测计算数据做了对比,结果表明用色指数计算仪器星等是可行的。更进一步对误差产生的原因也作了分析探讨,结合最近天文学的研究成果,提出了改进方法,从而使获得的拟合仪器星等与通过13波段观星数据计算得出的仪器星等的标准差不超过0.1个星等,满足当前星敏感器的要求。     

基于姿态标准化的线特征点云提取方法

从零件三维点云中提取棱边等线特征所对应的点云是零件模型重构的关键,也是点云数据处理的基本操作.基于曲率的线特征点云提取方法易受点云初始姿态以及曲率估计方法的影响,曲面拟合及曲率估计误差较大.提出了一种基于点云姿态标准化的线特征点云提取方法:首先计算点云主方向并将其同z轴对准实现点云姿态的标准化,然后进行曲面拟合并以最大主曲率绝对值作为曲率估计值,最后对曲率值取阈值提取出线特征点云.用不同类型的点云数据进行了实验,结果表明所提方法有较高的提取效率和良好的适用性.     

B样条曲面自适应拟合算法

针对复杂曲面物体在虚拟环境中的再现问题,依据复杂曲面上提取的已知数据点, 快速反算曲面的控制顶点;由控制顶点、节点矢量确定一条B样条曲面,即真实物体的拟合 曲面.由于提取的数据点存在噪声和摆动,拟合曲面与已知曲面会产生偏差.通过误差判定 条件找到偏差点,根据偏差点、偏差方向及偏差距离计算出曲面更真实的控制顶点;然后重 置相应的控制顶点,达到自动修复拟合曲面的目的.算法在CAD(Computer Aided Design)/C AM(Computer Aided Manufacture)/VR(Virtual Reality)等工程实践中,能够满足对三维物 体造型的不同精度要求.      

基于星体边缘和轨道投影的光学自主导航算法

针对光学导航中存在的通过星体（球体）图像部分边缘点拟合椭圆参数计算轨道参数产生中间误差的问题,提出利用边缘点映射轨道参数的直接投影模型,避免拟合椭圆参数的方法。在小孔成像模型基础上,建立了边缘点与轨道参数的直接投影数学模型,对其映射过程进行了理论推导,利用列文伯格-马夸尔特迭代算法进行求解轨道参数。用实际探测器以及镜头参数进行数值仿真验证,结果表明：该方法在相同边缘点的条件下,轨道精度可以达到5‰。与传统方法相比,这种方法避免了椭圆的拟合过程,减少了引入中间误差过程。     

动态拖尾星图模拟算法研究

星图模拟技术是星图识别算法仿真和性能测试的基础.为了更好地模拟星敏感器在轨工作的情况,对星敏感器的软件开发以及自身性能进行有效的地面测试,提出一种动态拖尾星图模拟算法.该算法分为4个步骤:首先根据星敏感器指向在全天球范围内搜索导航星;接着利用小孔成像模型计算导航星在星敏感器成像面的投影位置;然后在考虑卫星运动引起的恒星拖尾的基础上,按照二维灰度分布规律置灰度值来模拟星像点像素;最后叠加杂散光背景及成像器件引起的噪声.提出的算法具有速度快、精度高及可实现性高等优点.     

地磁场模型简化计算方法

为了实现地磁导航在近地轨道卫星上的应用,需要解决传统的高斯球谐函数递推法在计算地磁场强度时存在方法复杂、计算量大、实时性难以保证等问题.针对上述问题,提出一种用地球磁场估计函数代替球谐函数的地磁场强度计算方法.该方法利用伪地心下的磁偶极子模型代替主磁场模型,通过多项式拟合离线得到高度范围内固定经纬度网格点的伪中心距系数,进而利用插值法和偶极子模型得到任意点的地磁场强度.仿真结果表明,轨道高度为300～500km,经纬度网格间隔为0.5°时,地球磁场估计函数法的导航精度与地球主磁场模型WMM精度一致的同时,降低了计算负担,提高了算法计算效率.      

激光测高仪回波分解算法

开发了一种激光测高仪回波基本信息提取算法,对回波数据进行了高斯波分解,获取了高斯波分量的个数,及每个高斯波分量的波中心位置、宽度和幅度等参数．该算法首先根据回波拐点的数目和位置确定出高斯分量的个数及每个高斯分量的波中心位置和宽度初始值,随后利用线性最小二乘法计算出每个高斯分量的幅度,最后将经过选择和标记的高斯分量针对实际回波采用Levenberg-Marquardt方法进行拟合,得到优化后的高斯波基本参数．通过这些基本参数信息,能够进一步推导出激光测高仪光斑内各个反射表面的垂直分布、起伏程度和反射率等基本信息．     

基于PSF相关的星点定位算法

为提高非高斯分布星点定位的精度,提出了一种新的PSFC (point spread function correlation)星点定位算法,具有很好的抗噪性能和精度水平,易于工程实现.该算法利用互相关中的定义,通过确定系统所测定的PSF与星像灰度值之间的最大相似度来定位星点位置,PSF的测定是在作互相关计算之前全视场范围内可按照整像素和亚像素两种方式完成的.仿真实验结果表明：在带有噪声的星像图条件下,本文PSF相关法的定位精度最高可达到0.034像素,比质心法的精度提高1个数量级,比曲面拟合法的精度提高约20%.     

高精度星相机光学系统像质评价及实现

摘要： 高精度星相机光学系统是实现高性能星相机的关键技术.从工程实际出发，梳理星相机光学系统像质评价的指标，重点论述星点质心位置指标分解、光学系统评价指标分解过程.分析认为星相机光学系统设计过程中需关注质心位置偏差和质心位置与理想像高的偏差、温度分析需兼顾均匀温升及梯度温度变化.给出一个继承于双高斯结构形式的设计实例，结合像差理论进行消热设计和畸变控制，分析不同温度条件下不同类别恒星的质心位置一致性.设计结果表明该光学系统可满足高精度星相机指标要求.     

基于卷积曲面的动态实时星图模拟

多星模拟器可动态刷新显示变化的星空,是星敏感器测试的关键设备。在动态条件下星点成像发生拖尾,要求星模拟器能够准确、实时仿真拖尾星图。建立了动态拖尾星点的卷积曲面模型。该模型是星点光斑弥散函数与权重函数沿着星点运动轨迹的卷积,可描述以任意形式运动产生的拖尾星点。提出了一种基于卷积曲面的像素离散算法,解决了星图仿真实时性不够的问题。先将星点轨迹分割为多段,再计算得到每段轨迹对应形成的星点光斑的像素值,将所有星点光斑累加。所提算法将多重积分化简,使得仿真速度提高了一个数量级,多星模拟器的刷新率达30 Hz。      

一种基于恒星分布的星敏感器导航星库制作方法

为了进一步提升星敏感器的定姿精度,分析了恒星的空间几何分布对姿态精度的影响,提出了一种基于恒星分布的星敏感器导航星库制作方法。在分析对比了现有星库的基础上,选择了精度较高的依巴谷星库作为基础星库,并剔除了暗星和双星以精简星库。遍历全天球对每个视场的星库中的空间几何分布进行分析对比,删除定姿较差的3颗星。对星库进行遍历补偿,保证了星库中恒星分布的均匀性。实验结果表明,全天球轨道测试中,本文方法制作星库的全天识别率为100%,且星颗分布数10颗以上天区占到97.64%,具有良好的覆盖性,同时有效提升了姿态精度。     

星敏感器中快速星跟踪技术

跟踪模式是星敏感器的主要工作模式之一,跟踪过程的快速性直接影响星敏感器的整体性能.提出了一种快速星跟踪算法.在跟踪算法的3个耗时环节,分别采用了分区星表、阈值映射、先排序后匹配识别这3种方法,以提高跟踪过程的快速性.其中分区星表法将整个天区分成了若干个子天区,使得在星体映射时,只是搜索星敏感器视轴指向附近的部分子天区,而不是搜索整个天区,减少了搜索星体的数量;阈值映射法,在满足精确度的情况下,设置被跟踪星体的数量阈值,只有被跟踪的星体数目少于此阈值时,才进行星体映射,减少了映射次数;先排序后匹配识别法,先根据星体在星图中的坐标值进行排序,然后再进行匹配识别,减少了那些距离较大的无谓的星体间的匹配识别.仿真测试结果表明,这3种方法的采用,提高了跟踪算法的快速性,提高了星敏感器的整体效能.      

基于粒子群寻优的高精度星敏感器在轨标定方法

星敏感器结构设计与安装过程会产生多种误差,主要误差源有星敏感器像平面主点误差、主距误差、倾斜误差与旋转误差,这些误差影响了星敏感器在轨标定的精度。本文根据星敏感器的误差模型,提出了一种高精度的星敏感器在轨标定方法。在已知含有误差的像平面的基础上,构造一个虚拟的像平面。当粒子群优化算法使含有误差的像点投影到虚拟像平面上的坐标与无误差时像点的坐标一致时,再利用Quest解算出三轴姿态角求得两个像平面之间的姿态矩阵,得出两像平面之间的关系。结果表明：星敏感器姿态确定精度较高且比较稳定。这种方法与传统标定方法的优势在于不依靠陀螺信息,原理简单,提高了数据的准确性。     

上面级快速星图匹配算法研究

现有星图匹配算法存在搜索时间慢、算法实时性差的问题。为了满足上面级实时性的要求,文章采用K矢量查找算法来提高查找快速性,选择星对角矩作为星图匹配的特征量,构造星对角矩矢量,采用星棱锥星图匹配算法进行星图识别。最后采用上下位机的形式进行仿真分析,结果表明采用该星棱锥快速星图匹配算法成功率在99%以上,识别时间最长约为100ms,平均时间在15ms以内。该算法能够满足上面级对匹配算法快速性和高精度的要求。     

高动态条件下星点像斑建模与补偿

高动态条件下星点提取有两个难点：一是暗弱星点目标湮没在噪声中不易识别,质心定位精度较差;二是星点像斑可能断裂,无法用常用的连通域算法提取。针对上述难点,本文建立了高动态条件下星点像斑模型,提出了基于该模型的像斑补偿与质心定位提取算法。该方法分为四步：第一,利用卡尔曼滤波实现星点像斑静态模板的实时迭代;第二,基于静态模型与星点运动模糊模型建立星点像斑动态模型;第三,以动态模型作为模板在恒星跟踪窗口内进行相关性匹配以确定星点像斑位置;第四,基于动态模型补偿星点像斑,并计算质心位置。实验结果表明,该方法能有效解决高动态条件下暗弱星点提取与断裂残损星点修复问题。相比传统算法,姿态精度误差均值减少了40.9%,最大误差减少了81.2%;星点提取率达到100%,提高174.5%,提取星数相比阈值分割与连通域法提高了173%。     

一种多帧相关滤波的星敏感器像素非均匀性误差校正方法

为了进一步提升星敏感器的星点定位精度,分析星敏感器的像素误差来源和形成机理,提出一种多帧相关滤波的像素非均匀性误差校正方法.根据星图中星点的位置确定质心定位域和局部校正域,利用当前帧星图信息和前一帧的局部校正域信息预测当前帧的校正域,满足校正条件后采用差分法校正质心定位域.实验结果表明,本文方法能够较好地预测星图的非均匀性噪声,提升星点定位精度,具有较好的鲁棒性.