星跟蹤算法

星跟蹤算法是根據星敏感器在一次全天球識別後能夠獲得一定先驗信息的特點, 利用星敏感器在上一時刻採集的星圖中已識別觀測星的信息來獲取星敏感器下一時刻採集的星圖中待識別觀測星的信息。

基本介紹

• 中文名：星跟蹤算法
• 外文名：Star tracking algorithm

原理

對於任何一幅星敏感器採集的星圖,背景占據 了絕大部分星圖信息。如果星敏感器完全工作在全天球識別模式,即先掃描整幅星圖來提取星像坐標, 然後進行全天球識別,最後計算出飛行器的姿態信 息。這會導致在星像坐標提取過程中在很多星圖背 景處進行掃描,將花費大量的時間。隨著星敏感器 像平面面陣的增大,每次提取星像坐標所用的時間 也隨之增加。然而寬視場、大面陣的像平面是新一 代星敏感器的發展趨勢。所以如果星敏感器完全工 作在全天球識別模式,很難進一步提高星敏感器的姿態更新率。

對於適用於星敏感 器的星跟蹤算法,它的原理是飛行器進入平穩飛行 階段時處於緩慢移動狀態,因此在任意相鄰的短時間間隔內,同一恆星相鄰兩次在星敏感器像平面內 成像距離可能很小,可以看成在某範圍內移動,所以 在計算恆星在下一時刻的星像坐標時,可以以該恆 星在上一時刻的星像坐標為中心的某範圍內搜尋, 如圖 1 所示。

這就避免了在很多星圖背景處判斷是否存在星像的過程,節省了星像坐標提取的時間,從 而提高了星敏感器的姿態更新率。而且在提取星像坐標過程中,只是在星圖適當區域內判斷是否有星 像,不會隨著像平面面陣增大而增加掃描星圖的區 域,因此也不會增加星像坐標提取的時間。同時,由於在上一時刻已經完成了對成像在星敏感器像平面 上的恆星的匹配,而在下一時刻恆星只是在星敏感 器中的星像位置發生了變化,在天球內的位置沒有改變,因此在下一時刻不必對其重新匹配。所以,只 要能夠跟蹤一定數目的恆星在連續採集的星圖上星 像位置的變化,利用這種對應關係無需進行星圖識 別就可以直接求出飛行器在下一時刻的姿態信息。

星跟蹤原理圖

星跟蹤算法具體實現

1.採用全天球識別算法識別出在 t時刻採集的 星圖上的所有的觀測星對應於天球上的恆星,從而 得到了 t 時刻觀測星在星圖上的星像坐標和與觀測 星對應的恆星在天球坐標系中的坐標等先驗信息。

2.在 時刻採集的星圖上,在以t時刻提取的各個星像坐標 為圓心,以R 為半徑的圓形區域內提取 時刻的各個星像坐標 ,其中 n 是t 時刻已識別星的個數。

3.如果在某些圓形區域內只提取到一個星像, 則該星像坐標 就是星像 對應的恆星在 時刻的像平面坐標。

4.由於恆星在天空中分布不均勻,在有些圓形 區域內可能會提取到多個星像坐標,即不但 與 之間的距離小於R ,而且 與 之間的距離 也小於 R 。例如圖 2 中

不但 S1與 S1' 之間的距離小 於 R,而且S 1 與S3' 之間的距離也小於R; 不但S 2 與 S2' 之間的距離小於 R ,而且 S2 與 S4' 之間的距離 以及S2 與S5' 之間的距離也都小於 R。此時,可以利 用星對角距不變原理來選取正確的星像坐標,即利 用 t時刻 與 之 間的星對角距應該等於 時刻與之對應的星像坐標 與 之間 的星對角距這一基本原理來選取正確的星像坐標。 實現步驟如下：

以 t 時刻各個星像坐標為中心,以 R 為半徑的搜尋區域

（1）在 時刻採集的星圖上,在以每個t時刻 提取的星像坐標 為圓心,以R 為半徑 的圓形區域內提取分布在該區域內的所有星像的坐標 ,其中 是每個圓形區域內包含的星像個數。

（2）計算各個星像之間星對角距的餘弦值:

其中 為星像 *和星像 **的星對角 距, 。

（3）若且唯若 時,即認為星像坐 標 是星像 對應的恆星在 時刻的像平面坐標; 星像坐標是星像對應的恆星在時刻的像 平面坐標。

（4）如果同時存在兩組或兩組以上滿足 ,那么提取以為 圓心,以 R 為半徑的圓形區域內的所有星像的坐標 ,重複上 述過程,直到唯一為止。