本文關(guān)鍵詞： 星敏感器 星點(diǎn)定位 星圖識別 星模式 特征向量　出處：《西安電子科技大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：深空探測有助于人類了解宇宙和生命的起源與演化,探索和擴(kuò)展生存空間,合理地利用空間的資源,謀求社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著深空探測任務(wù)的開展,對深空探測器自主導(dǎo)航技術(shù)的要求越來越高�，F(xiàn)有的深空探測器一般高度依賴地面測控系統(tǒng),但地面監(jiān)測站的固有缺陷,使得其無法保持穩(wěn)定的遠(yuǎn)距離長時間的導(dǎo)航性能,需要尋求新的導(dǎo)航方式。天文導(dǎo)航具有其他導(dǎo)航方式無法比擬的優(yōu)勢,可為深空探測器提供位置和姿態(tài)信息,是一種非常重要的深空探測器自主導(dǎo)航手段。星敏感器是目前航天應(yīng)用中精度最高的絕對姿態(tài)敏感器,能夠為衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天器等提供精準(zhǔn)的位置和姿態(tài)信息。基于星敏感器的自主天文導(dǎo)航技術(shù)屬于完全自主式的導(dǎo)航方式,具有較高的測量精度、無累積誤差、隱蔽性好等眾多優(yōu)點(diǎn),近些年圍繞基于星敏感器的自主天文導(dǎo)航技術(shù)國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。本文針對星敏感器中的星點(diǎn)提取和星圖識別問題進(jìn)行了研究,主要工作內(nèi)容包括:1.為了改善星圖圖像星點(diǎn)提取的定位精度,同時提高星點(diǎn)提取的效率,提出一種高精度星點(diǎn)快速提取算法。首先根據(jù)星點(diǎn)像素的分布特點(diǎn),利用聚類算法的思想,對星點(diǎn)進(jìn)行粗定位操作,將星點(diǎn)提取的全局操作轉(zhuǎn)化為局部區(qū)域操作,減少對背景像素的掃描。其次,利用星點(diǎn)粗定位操作得到的星點(diǎn)中心坐標(biāo)作為種子點(diǎn),根據(jù)區(qū)域生長算法,自動選取星點(diǎn)的像素。隨后,根據(jù)星點(diǎn)能量的分布特征,利用星點(diǎn)像素與種子點(diǎn)的平面距離,采取兩種不同的修正策略,對星點(diǎn)像素的灰度值進(jìn)行修正,降低噪聲對星點(diǎn)提取的影響。最后,利用雙線性插值算法,提高星點(diǎn)的分辨率,使用質(zhì)心計算公式得到星點(diǎn)的質(zhì)心坐標(biāo),完成星點(diǎn)的精確定位。仿真實(shí)驗驗證了該算法的有效性。對比的實(shí)驗結(jié)果表明:該算法能夠取得較高的定位精度,且提高了星點(diǎn)提取的速度。2.在對基于Log-Polar變換的星圖識別算法分析的基礎(chǔ)上,提出了一種基于Log-Polar變換改進(jìn)的自主星圖識別算法。該算法首先分析了基于Log-Polar變換的星圖識別算法所存在的不足。隨后通過重構(gòu)星圖圖像的平面直角坐標(biāo)系,將視場內(nèi)的觀測星進(jìn)行重新投影,使觀測星的識別特征在星圖圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)時能夠保持不變。之后引入觀測星平面坐標(biāo)的對數(shù)值作為識別特征向量的元素,增強(qiáng)識別特征的抗噪性能。最后,利用觀測星特征向量中非零值的個數(shù)來限定觀測星特征向量在導(dǎo)航星特征庫中匹配搜索的范圍,提高觀測星識別的速度。仿真結(jié)果表明,該算法克服了基于Log-Polar變換的星圖識別算法所存在的不足。與改進(jìn)的柵格算法和基于Log-Polar變換的星圖識別算法相比,該算法具有較強(qiáng)的魯棒性,且在提高算法識別率的同時,加快了觀測星識別的速度。3.星圖識別中能夠使用的星圖圖像信息只有星點(diǎn)的位置和亮度信息,而星點(diǎn)的亮度信息常被認(rèn)為是一種不穩(wěn)定的信息。本文利用觀測星與其鄰星間的平面幾何位置關(guān)系,提出了一種基于一維矢量模式的自主星圖識別算法。該算法利用觀測星的平面位置以及觀測星與鄰星間的夾角信息來構(gòu)建觀測星的識別特征;利用觀測星星模式的矢量方向,對視場內(nèi)的觀測星進(jìn)行重新的投影,使得觀測星的識別特征在星圖圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)時保持不變。在觀測星識別特征匹配的過程中,利用特征向量中非零值的個數(shù)縮小特征向量在導(dǎo)航星特征庫中匹配搜索的范圍,加快觀測星的識別。仿真實(shí)驗驗證了該算法的有效性。仿真結(jié)果表明,該算法在提高星識別率的同時,加快了星識別的速度。在同一條件下,該算法與金字塔算法、改進(jìn)的柵格算法和基于Log-Polar變換的星圖識別算法進(jìn)行了比較。對比結(jié)果表明,該算法比其他算法具有更優(yōu)的性能。4.為了優(yōu)化星的識別過程,且在增強(qiáng)星圖識別魯棒性的同時,加快觀測星識別的速度,提出了一種基于組合模式的自主星圖識別算法。該算法融合了徑向模式和編碼模式的優(yōu)勢,利用徑向模式的平移和旋轉(zhuǎn)不變性,使觀測星的識別特征不會隨著星圖圖像的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化;利用編碼模式將觀測星的識別問題簡化為數(shù)值的比較。根據(jù)觀測星在組合模式下的識別特征的特點(diǎn),將觀測星在編碼模式下的識別特征用于初始匹配,即使用編碼模式的識別特征,在導(dǎo)航星特征庫中進(jìn)行匹配搜索,確定觀測星的候選匹配結(jié)果。隨后利用觀測星在徑向模式下的識別特征,與候選匹配結(jié)果相應(yīng)的徑向模式識別特征進(jìn)行比較,從而得到識別的結(jié)果。仿真實(shí)驗驗證了該算法的有效性。與金字塔算法和改進(jìn)的柵格算法相比,該算法在位置噪聲增加時,能夠保持較強(qiáng)的穩(wěn)定性,其抗噪性能有一定的提高,且其具有較快的識別速度。通過本論文的研究工作,明確了星圖圖像模擬的過程,為后續(xù)的研究工作提供了必要的實(shí)驗數(shù)據(jù);提出了高精度星點(diǎn)快速提取算法、基于Log-Polar變換改進(jìn)的自主星圖識別算法、基于一維矢量模式的星圖識別算法和基于組合模式的星圖識別算法,并通過仿真實(shí)驗對所提出的算法進(jìn)行了驗證,有效地提高了星點(diǎn)的定位精度及識別速度,改善了星圖識別的性能。論文研究成果為改善星敏感器的性能提供了充足的理論基礎(chǔ),為星敏感器的高精度高穩(wěn)定性算法軟件設(shè)計提供重要的指導(dǎo)。
[Abstract]:In order to improve the accuracy of star point extraction and to improve the efficiency of star point extraction , it is a very important self - navigation method for deep space detectors . The results show that the algorithm is more robust than other algorithms .

【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2;TP391.41

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本文編號：1455241