本文關鍵詞： 星敏感器 星點定位 星圖識別 星模式 特征向量　出處：《西安電子科技大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【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。隨著深空探測任務的開展,對深空探測器自主導航技術的要求越來越高�，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)定的遠距離長時間的導航性能,需要尋求新的導航方式。天文導航具有其他導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航手段。星敏感器是目前航天應用中精度最高的絕對姿態(tài)敏感器,能夠為衛(wèi)星、導彈、航天器等提供精準的位置和姿態(tài)信息�；谛敲舾衅鞯淖灾魈煳膶Ш郊夹g屬于完全自主式的導航方式,具有較高的測量精度、無累積誤差、隱蔽性好等眾多優(yōu)點,近些年圍繞基于星敏感器的自主天文導航技術國內(nèi)外學者開展了大量的研究。本文針對星敏感器中的星點提取和星圖識別問題進行了研究,主要工作內(nèi)容包括:1.為了改善星圖圖像星點提取的定位精度,同時提高星點提取的效率,提出一種高精度星點快速提取算法。首先根據(jù)星點像素的分布特點,利用聚類算法的思想,對星點進行粗定位操作,將星點提取的全局操作轉化為局部區(qū)域操作,減少對背景像素的掃描。其次,利用星點粗定位操作得到的星點中心坐標作為種子點,根據(jù)區(qū)域生長算法,自動選取星點的像素。隨后,根據(jù)星點能量的分布特征,利用星點像素與種子點的平面距離,采取兩種不同的修正策略,對星點像素的灰度值進行修正,降低噪聲對星點提取的影響。最后,利用雙線性插值算法,提高星點的分辨率,使用質心計算公式得到星點的質心坐標,完成星點的精確定位。仿真實驗驗證了該算法的有效性。對比的實驗結果表明:該算法能夠取得較高的定位精度,且提高了星點提取的速度。2.在對基于Log-Polar變換的星圖識別算法分析的基礎上,提出了一種基于Log-Polar變換改進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。隨后通過重構星圖圖像的平面直角坐標系,將視場內(nèi)的觀測星進行重新投影,使觀測星的識別特征在星圖圖像發(fā)生旋轉時能夠保持不變。之后引入觀測星平面坐標的對數(shù)值作為識別特征向量的元素,增強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的位置和亮度信息,而星點的亮度信息常被認為是一種不穩(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)縮小特征向量在導航星特征庫中匹配搜索的范圍,加快觀測星的識別。仿真實驗驗證了該算法的有效性。仿真結果表明,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、改進的柵格算法和基于Log-Polar變換的星圖識別算法進行了比較。對比結果表明,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不變性,使觀測星的識別特征不會隨著星圖圖像的旋轉而發(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,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,在導航星特征庫中進行匹配搜索,確定觀測星的候選匹配結果。隨后利用觀測星在徑向模式下的識別特征,與候選匹配結果相應的徑向模式識別特征進行比較,從而得到識別的結果。仿真實驗驗證了該算法的有效性。與金字塔算法和改進的柵格算法相比,該算法在位置噪聲增加時,能夠保持較強的穩(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驗數(shù)據(jù);提出了高精度星點快速提取算法、基于Log-Polar變換改進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,并通過仿真實驗對所提出的算法進行了驗證,有效地提高了星點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,為星敏感器的高精度高穩(wěn)定性算法軟件設計提供重要的指導。
[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 .

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

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本文編號：1455241