星点坐标辅助的全天区三角形星图识别算法

随着当前星敏感器视场（FOV）的增大,探测能力的提高,一帧图中拍摄到的恒星更多。但是受星敏感器光谱范围的限制及空间环境干扰影响,星等测试精度一般不高于0.2 mV。为了充分发挥当前星敏感器视场和探测能力的优势,并避免星等误差的影响,提高全天区星图识别算法在线应用的适用性,提出了一种星点坐标辅助的全天区三角形星图识别算法。该方法采用"全局初步搜索识别—局部精细匹配验证—最优结果选取"的算法思想。首先,根据星敏感器探测到的极限星等范围构建导航星表,选取亮星构建角距星表,既确保了星表的完备性,又有利于充分利用星敏感器的探测能力。然后,在三角形约束条件下进行角距匹配识别,得到一个或多个导航三角形,在该识别环节提出了非线性矢量法查找星表,既提高了定位精度,又能采用单精度数据类型降低存储空间。最后,提出局部天区星点坐标匹配算法进一步消除冗余匹配,同时又识别出视场内更多的观测星,有利于提高识别率和定姿精度。试验结果表明,与其他一些经典的星图识别算法相比,所提算法在识别率和星表容量方面更有优势。识别率可达99.9%,且随着星等的增加,存储容量增加的最少。所提算法更加适于大视场、高星等敏感范围的星敏感器在线应用。     

An all-sky autonomous star map identification algorithm

The attitude of the spacecraft can be obtained with accuracy by using star sensors. Its key technology is how to identify stellar maps. Triangle algorithm is used most widely in the current star map identification algorithms. In the field of physical geography modelling, Delaunay triangulation cutting algorithm has been widely used because of its important characteristic; the result of this triangulation cutting method is unique from a random set of points. This triangulation algorithm is first applied to identify star map for its particular character. In final, the proposed method is applied to simulation; the results show that compared with the current star map identification algorithms, the algorithm presented in this paper has the advantage of real-time properties and robustness. It needs a smaller database of guidance stars and matches more rapidly.     

Recursive mode star identification algorithms

Star identification can be accomplished by several different available algorithms that identify the stars observed by a star tracker. However, efficiency and reliability remain key issues and the availability of new active pixel cameras requires new approaches. Two novel algorithms for recursive mode star identification are presented here. The first approach is derived by the spherical polygon search (SP-search) algorithm, it was used to access all the cataloged stars observed by the sensor field-of-view (FOV) and recursively add/remove candidate cataloged stars according to the predicted image motion induced by camera attitude dynamics. Star identification is then accomplished by a star pattern matching technique which identifies the observed stars in the reference catalog. The second method uses star neighborhood information and a catalog neighborhood pointer matrix to access the star catalog. In the recursive star identification process, and under the assumption of "slow" attitude dynamics, only the stars in the neighborhood of previously identified stars are considered for star identification in the succeeding frames. Numerical tests are performed to validate the absolute and relative efficiency of the proposed methods.     

Algorithms for Fast Image Registration

The automatic determination of local similarity between two images (image registration) is one of the most fundamental problems of image processing and pattern recognition. A class of registration algorithms that are reasonably efficient and robust for translational displacement has been considered to determine relative shift between reference and search images. Stochastic image models defined on a rectangular region of support are used to determine feature vectors associated with reference and search images. A new measure, namely, coefficient of variation, is defined to take into account effects of contrast and sharpness of the images. Based upon this measure, a computationally efficient two-stage algorithm is obtained by combining the image-model based algorithm with a template matching technique. Simulation results with several synthetic and real images are presented to evaluate the performance of the algorithms.     

IDENTIFICATION OF GYRO DRIFTS UNDER THREE AXIS ATTITUDE COUPLING

ＩＤＥＮＴＩＦＩＣＡＴＩＯＮＯＦＧＹＲＯＤＲＩＦＴＳＵＮＤＥＲＴＨＲＥＥＡＸＩＳＡＴＴＩＴＵＤＥＣＯＵＰＬＩＮＧＪＩＮＧＷｕｘｉｎｇ（荆武兴），ＷＡＮＧＸｕｅｘｉａｏ（王学孝），ＷＵＹａｏｈｕａ（吴瑶华）（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎ...     

一种改进的星图降噪算法研究

在星敏感器的使用过程中，由于外界环境的影响及传感器自身的限制，拍摄出来的星图不可避免地存在一些噪声，因此对星图进行去噪处理是一项非常重要的工作。针对传统高斯模板滤波存在的引入邻域噪声、无法自行根据星图特性修正等造成去噪效果不好的问题，提出了一种改进的星图降噪算法。该方法在滤波前先进行坏点剔除工作，并采用高斯低通滤波与高通滤波结合的方式对图像进行处理，在抑制噪声的同时有效地保留了星点信号。通过阐述星敏感器的工作原理，分析星图的噪声特性，对星图滤波去噪算法进行研究，并进行模拟星图影像提取星点坐标实验。结果表明：使用该算法进行滤波比传统的高斯滤波算法提取的质心坐标精确度更高，较传统方法横坐标提高0.00538个像素点，纵坐标提高0.0077个像素点，证实了图像处理算法的有效性。     

近地空间全天时星敏感器技术现状及发展综述

星敏感器是一种以恒星为参考源的姿态测量设备,在卫星、导弹、舰船等平台得到广泛应用。对于需在大气层内全天时工作的近地空间平台,如舰船、飞机、导弹、高空气球等,星敏感器面临白天强烈天空背景条件下探测暗弱恒星目标的难题。首先介绍了近地空间全天时星敏感器的基本工作原理;其次介绍了国内外研究现状;然后分析并总结了全天时星敏感器实现的主要技术途径;最后梳理出下一步研究方向。分析结果可为近地空间全天时星敏感器系统的研制提供参考和帮助。     

Modified Grid Algorithm for Noisy All-Sky Autonomous Star Identification

Grid algorithm is a classical algorithm for all-sky autonomous star identification. However its recognition rate decreases rapidly when the position and magnitude noise increases in the star image. In order to overcome this problem, a modified grid algorithm called the "elastic gray grid algorithm" is proposed. Gray pattern and elastic template matching are introduced into the grid algorithm to enhance its ability to tolerate the position and magnitude noise. Experimental results show that the modified grid algorithm performs better compared with the original one. The elastic gray grid algorithm reached up to a 100% recognition rate under random positional noise in our test bed. Furthermore it increases the original recognition rate from 69.86% to 97%, under the same condition, for both the position and the magnitude noise.     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

Star-configuration searching for satellite attitude computation

A star pattern recognition algorithm is described which recovers attitude information by processing data obtained from a modular star sensor (MOSS) mounted on a spacecraft information is obtained by matching the stars detected by the MOSS with those inside a stellar catalogue. The system performance has been evaluated both from the point of view of computation time and error probability. The effect of errors in the MOSS measurements and multiple matches cases are also discussed     

基于帧间角距匹配的跟踪模式星图识别

为了提高星敏感器的跟踪匹配速率,提高星敏感器姿态更新率,本文提出了一种基于帧间角距匹配的跟踪模式星图识别方法.该方法充分利用上一时刻的角距匹配信息构建了一个实时跟踪星库,并把当前时刻的角距信息在实时跟踪星库中进行匹配识别,识别成功后利用识别时用到的信息对实时跟踪星库进行更新.仿真实验表明,该方法具有匹配时间短、匹配成功率高的优点.     

一种结合角距特征的改进栅格星图识别算法

针对栅格算法易受邻域星点影响导致误匹配的问题,提出了一种结合角距特征的改进栅格星图识别算法。首先介绍了改进栅格算法的原理,其次设计了融合栅格识别模式和星角距识别模式的算法实现流程,最后开展了基于不同视角下的大视场仿真星图的算法试验验证和性能分析。结果表明,由于角距特征具有旋转不变性和不易受观测星邻域星点分布影响等特点,结合角距特征对失效观测星进行再匹配的改进栅格算法,在兼顾存储量需求小、运行速度快等优势的同时,识别率和鲁棒性也得到了提升,最高识别率可达98.88%,在位置噪声干扰以及缺失星干扰下,改进算法的识别率仍可保持在95%,说明算法鲁棒性强,具有较好的应用前景。     

大动态干扰下基于光学图像的自主导航技术

针对高超声速飞行器在平流层内飞行过程中自主天文导航时,气动光学效应及运动模糊等大动态干扰严重影响观星和高精度导航的问题,提出一种基于正则化思想的高超星图半盲复原改进算法。该算法首先借助已有的高超星图模糊核提取算法获得先验模糊核,为复原提供便利条件。接着结合天文图像灰度及梯度的稀疏先验分布特性,设计了一种针对高超星图的正则化盲复原模型,并结合先验模糊核所提供的信息,构建了改进的半盲复原方法,能在先验模糊核精度较低或缺失时转化为盲复原方法,提高了算法的鲁棒性。将本算法与传统星图复原算法、其他最新正则化复原算法进行星图复原与导航效果比较,数值仿真结果显示本算法的复原效果更佳,峰值信噪比（PSNR）达到36.97,并且质心提取成功率达到99.23%,能够明显改善星图识别的成功率,从而大幅提升高超声速飞行器在平流层中的大动态干扰下的自主导航能力。     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.     

高光谱观测卫星高精时间同步方案设计与应用

为了满足星上高光谱相机、全谱段光谱成像仪、星敏感器等时间精度敏感仪器的高精度时间同步需求,高光谱观测卫星上设计了可适应多种精度需求的时间同步方案。对于系统时间,综合通过星地时差集中校时、均匀校时、GPS总线校时、GPS硬件秒脉冲校时等校时方法进行时间修正;对于终端用户,分别给出直接采用广播的进行本地时间修正的时间同步方法、采用广播及内部秒脉冲的时间同步方法、采用广播授时和不同秒脉冲校时方案的地面时间重建算法。利用在轨数据,对卫星星敏感器、全谱段光谱成像仪及可见短波红外高光谱相机的曝光时刻时间重建方法进行了应用说明,并对不同方法的时统误差进行了分析。     

由后验概率密度递推导出的地形轮廓匹配定位算法

 飞行器一边飞行,一边不断测出下方地面的海拔高度或飞行器与地面间的高程差,和已知的基准地形图比较,从而确定飞行器的位置,这就是地形轮廓匹配定位问题。本文给出了根据测高数据进行后验概率密度递推的基本公式,由此简化得到的几个具体算法,经计算机在实际地形图上仿真表明,具有递推执行,截获概率和定位精度较高,可用于任意飞行航迹和不等间隔测高,可对付较严重的随机扰动、航速误差和航向偏差等特点。     

飞机蒙皮缺陷磁光图像识别算法研究

提出一种基于模糊支持向量机自动识别飞机蒙皮磁光图像中铆钉裂纹缺陷的新方法。针对铆钉磁光图像的不规则圆形特点．采用阈值法确定近似铆钉区域中心，将由中心发出的星形射线矢量作为识别的基本特征，采用模糊支持向量机方法对铆钉周围裂纹的方向进行分类。其中，支持向量机采用径向基核函数，利用网格法选取核宽度惩罚常数．并结合模糊隶属度函数解决多类分类问题中存在的错分、拒分现象。样本测试实验结果表明，算法具有很高的识别率。     

发展单兵星敏导航装备的必要性及技术特点

星光导航不受电磁干扰、能提供绝对姿态信息，具有重大战略意义。目前的星敏主要是为空天基导航而发展的，将其应用于单兵导航是否必要、需克服哪些技术难点、能达到怎样的效果等，都是值得探索的问题。为此，首先论述了发展单兵星敏导航装备的必要性，包括：不受电磁干扰破坏，是其他单兵导航装备失效时的保底装备；定向精度高，能弥补单兵卫星导航装备无法定向的缺陷；已突破部分气象因素限制，具备了全天时导航条件等。然后探讨了单兵星敏导航与空天基星敏导航、卫星导航、天文大地测量等比较所具有的不同技术特点。提出了发展单兵星敏导航装备需解决的关键技术问题，包括：气象因素影响的消减、时间基准和电源的长期维持、系统探测性能与系统小型化的平衡等。研究结果可为发展单兵星敏导航技术、设计研制单兵星敏导航系统提供参考。     

Star identification algorithms: novel approach & comparison study

A novel approach to the problem of star identification for spacecraft attitude determination based on data provided by a star camera is proposed. The algorithm is based on pattern matching ideas and provides improved reliability with respect to similar methods available in the literature. The achievable performance is demonstrated via a comparison study with two published algorithms     

一种基于星座匹配的全天自主星图识别算法

讨论了一种新的无须任何先验知识的星图识别算法。通过对导航星座数据库进行调整和最大限度地利用了已识别基元所提供的匹配信息,使得算法的计算量和存储容量与传统的三角形匹配算法相当。ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ 模拟表明,在星等误差０．５ 星等（３σ）,位置误差１０ 角秒（１σ） 时,算法的识别成功率接近１００％ 。