基於壓縮成像的高精度姿態確定方法研究

《基於壓縮成像的高精度姿態確定方法研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由宋新擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於壓縮成像的高精度姿態確定方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宋新
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

大視場高精度星敏感器要求有高成像解析度，產生的圖像數據需要高採樣率，這給模數轉換、數據存儲和後續處理帶來了巨大壓力。考慮星圖本身的稀疏特性，採用壓縮感知理論，可以在成像中以遠少於傳統成像方法所要求的數據進行成像，從而突破傳統方法對採樣率的限制。本課題針對高精度姿態確定中存在的高數據率問題，對星敏感器的壓縮成像技術展開全面深入的研究，重點研究面向星圖特徵的稀疏表示和重構方法，建立保持星點識別特徵的壓縮成像模型，提出行列相關性低且易於硬體實現的確定性測量矩陣構造方法，建立滿足星圖稀疏重構算法的姿態確定仿真平台，對高精度壓縮成像姿態確定進行系統驗證。本研究成果將豐富和發展壓縮感知理論和套用，並為點目標圖像的壓縮成像套用提供理論和技術支撐。

結題摘要

星敏感器是當前太空飛行器絕對姿態測量精度最高的感測器，隨著星敏感器向著大視場、高精度和高動態方向發展，高精度星敏感器正面臨著數據量過大、處理速度不足等問題，對其效能及套用造成較大的限制。壓縮感知理論的出現通過改變傳統的成像方式為解決這些問題提供了新的思路，具有將新理論與傳統套用相結合的現實意義。本項目通過研究壓縮感知理論在星敏感器姿態確定套用中的稀疏表示、非相干測量和稀疏重構三個關鍵問題，將壓縮感知理論引入到星敏感器光學成像過程中，實現了壓縮感知姿態確定，並探討了壓縮成像模式下的可靠星模式識別和姿態確定方法。 本項目在壓縮感知理論框架下，將基於星敏感器壓縮成像的姿態確定方法作為切入點，首先定量分析了星圖的稀疏表示性能，並給出了星圖稀疏恢復的評價指標，結果表明星圖的稀疏度能夠很好地滿足壓縮感知的要求，驗證了壓縮感知套用於星敏感器姿態確定的稀疏前提及可行性。其次，針對星敏感器壓縮成像，提供了一種適用於星敏感器的壓縮測量方法，對於如星圖等含較多低頻信息的信號具有較好的壓縮測量性能，驗證了壓縮測量套用於星敏感器的可行性。再次，在稀疏重構方面，驗證了星圖在相同重構條件下較一般場景圖像獲得了更高的重構質量以及更短的重構時間，並且在重構過程中星點能夠在很大程度上保持可用於姿態確定的特徵，從稀疏重構的角度很好地驗證了壓縮感知套用於星敏感器姿態確定的可行性。最後，通過綜合仿真實驗對所提出的CFR方法進行性能分析，驗證了該方法在求解過程中的有效性以及在噪聲情況下的魯棒性。本項目不僅提供了一種適用於星圖的稀疏重構方法，而且創新地提出了面向特徵的稀疏重構理念，既豐富和發展了壓縮感知這一新興理論，又完成其在姿態確定系統中的套用，具有理論基礎和套用方法研究的雙重科學意義。