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星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究

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星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究 2005年2月 第4卷第1期 导航与控制 NAVIGA耵ONANDCONnOL Feb2005 V0J.4No.1 星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究 尤太华冯展军陈强华王涛 (中国航天时代电子公司研究院,北京100854) 摘要:在研究星敏感器基本工作原理的基础上开发了星图模拟和匹配算法的仿真 该 软件. 软件根据星图特点,模拟了CCD输出图像,采用基于带阈值的质心法对星图进行 了细分定位,并以此 为基础建立星模式,利用栅格算法进行星图匹配.通过系统的仿真实验,对...
星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究
星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究 2005年2月 第4卷第1期 导航与控制 NAVIGA耵ONANDCONnOL Feb2005 V0J.4No.1 星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究 尤太华冯展军陈强华王涛 (中国航天时代电子公司研究院,北京100854) 摘要:在研究星敏感器基本工作原理的基础上开发了星图模拟和匹配算法的仿真 该 软件. 软件根据星图特点,模拟了CCD输出图像,采用基于带阈值的质心法对星图进行 了细分定位,并以此 为基础建立星模式,利用栅格算法进行星图匹配.通过系统的仿真实验,对不同噪 声情况的细分定位 精度和识别正确率进行了比较,仿真结果较为满意,对星敏感器的实际研究工作有 重要的意义. 关键词:星敏感器;星图模拟;细分定位;识别算法 AStellarMapSimulationandIdentificationSoftwareforStarSensor YouTaihua,FengZh~un,ChenQianghua,WangTao (TheAcademyofChinaAerospaceTimesElectronicsCorporation,Beijing100854) Abstract:Asimulationsoftwareaboutstellarsimulationandmatchingalgorithmwasdevelo pedbasedon studyingthebasictheoryofstar9田 1s0T.Thissoftware,accordingtothespecificcharacterofstellarmap, simulatedtheoutputimageofCCDandprocessedthesubdividedlocationtostellarmapwhen determiningthe centroid.Thenafterestablishedthestellarpattern,dalgorithmwas印 puedintostellarmapmatching.By havingsimulationtestandcomparingthesubdividedlocationprecisionandrecognitionaccu racyundervarious noises,thesatisfyingresultwasobtained.Itmakesabigsensetofutureresearchonstarsensor. Keywords:Starsensor;Stellarmapsimulation;Staridentification;Subdividedlocating 1引言器前期研究具有重要的意义. 星敏感器是当今航天飞行器中广泛采用的一种 高精度,高可靠性的姿态测量器件,其工作原理为: CCD(或者CMOS)图像传感器拍摄当前视场范围内 的星空图像,图像经信号处理,提取星体在观测视场 中的位置(和亮度)信息,并由星图识别算法在导航 星库中找到观测星的对应匹配,最后利用这些匹配 星对计算出星敏感器的三轴姿态. 随着基于面阵CCD器件的星敏感器逐渐发展 成为航天器组合导航的重要组成部分,所以仿照星 敏感器在轨时的工作过程,模拟出星敏感器在轨时 对星空成像输出的数字图像及其匹配处理软件成为 星敏感器研制过程中的重要组成部分,作为星敏感 2CCD输出星图的模拟 模拟中首先假设星图已经由历元平位置转 换到了视位置,即赤经坐标系.随机产生天球中某 一 天区(二维平面坐标系),天区中观测星的数目和 视场FOV大小以及光学系统对星等的敏感度有关. 模拟时取FOV为9.×8.,星等的敏感度为6.0等星 (即可以敏感亮度大于6.0等的星)时,视场内的平 均观测星数目为8.54颗,可以满足星图识别要求, 并符合实际星图的统计规律. 模拟时取星敏感器任意一指向(相对于天区坐 标系的旋转角为a),CCD的坐标原点在该天区中的 位置为(o,b),视场内的某一观测星的坐标为(, 收稿日期:2OO4—12修订日期:2005—01 作者简介:尤太华,男,硕士研究生,研究方向为导航,制导与控制. 通信地址:北京142信箱403分箱(100854) 第1期尤太华等:星敏感器星图模拟和识别算法软件的研究.23. ),则由坐标转换公式: fXCCD=(天一a)*COS(口)+(y天一b)*sin(口) 【ylc?=(y天一b)*COS(口)一(天一a)*sin(口) (1) 计算得出该观测星在CCD坐标系中的坐标位置. 对于星敏感器的CCD而言,星目标为点光源, 焦平面上星像为光学系统的点扩散函数.光学系统 并非理想,星像能量分布近似为二维高斯分布…1: .,,1f(一置)+(Y—)\Ji( x'y懿PI一————J (2) 模拟时将每颗观测星弥散为3×3像元区域,仿 真计算可知方差=0.45(像元)时,90%以上的能 量集中在3×3矩阵内.因此3×3细分算法可以得到 很高的定位精度.模拟时对于天空当作一平滑背景, 亮度相当于10等星;对于散粒噪声以及暗电流,转 移和输出噪声等,采用均值为零,方差为一定值的高 斯分布随机数来模拟. 3星体的细分定位预处理 模拟的星敏感器CED分辨率为800×600,受光学系 统和CCD制造的限制,图像的分辨率不可能无限制 的提高,因此通过提高图像分辨率来提高定位精度的方 法受到一定的限制.为了从星图中获得更高的星体位置 定位精度,常采用离焦(弥散)的方式,使观测星在CCD 的感光面上的成像点扩散到较多的像数匕.本文采用弥 散斑为3×3像元,可以取得较好的定位精度. 在提取星体位置信息之前必须将图像中的星体 目标和背景分割开来,并将星体与星体分割开.对 于星体目标和背景分割,本文采用一个固定全局背 景阈值即可将背景和星体目标分割开;对于星体之 间的分割,采用连通域算法-2j2来实现,即由CCD坐 标系原点逐行扫描(从左到右,从上到下),对于大于 背景阈值的像素点做上不同的标记,相同标记像素 点的集合代表不同的星体. 为了提高算法的效率,在进行上述粗识别的同 时进行细分定位.点状光斑目标的细分通常有 基于灰度和基于边缘的两种,本文采用基于灰度信 息,带阈值的质心法进行细分定位,计算公式如下: ??[,y)一] =1y=1 XO=—?——————————一 ??[,y)一] ??[,y)一T]y= 1=1 Yo=—_一——————————一??[,y)一](3) 其中厂(,Y)为具有相同标记的像素点的灰度值.带 阈值的质心法相当于将原图像与二值化阈值相减,然 后对相减后的图像求质心.这里的通常取为背景阈 值.实验证明带阈值的质心法有较高的精度. 4星图识别算法 星敏感器星图识别的本质是模式识别,它把观 测星图作为待识别的模式,通过模式识别算法与预 先储存的导航星模式进行匹配,找出最佳匹配模式, 从而完成星模式识别.目前方法较多,通过比较可 知:概率统计算法基于贝叶斯决策理论,该方法不直 观,计算复杂,实时性能差,已经被淘汰;常用的三角 形算法和匹配组算法模式的特征维数较低,容易产 生冗余匹配,特别在测量误差较大时,识别成功率迅 速下降;基于遗传算法的方法匹配精度和速度受优 化参数的影响很大,实时性能较差;基于神经网络的 算法,训练需要较大的计算强度,精度和实时性能也 较差-3j3.本文采用栅格算法,仿真实验表明该方法 在各种误差干扰下性能稳定,匹配成功率和实时性 能都比较好. ?? …? ? I? ?? ? ?? …… 审……?一? 二?Ce1)Or ? ?_ :. (a)(b)(c) 图1栅格算法中星模式建立过程 (d) ? 24?导航与控制2005年第1期 星模式识别的栅格算法是一种直观的方法,建 立星模式的过程(如上图所示):对于任意一颗导航 星以它为中心,以r为半径寻找圆周外最近的一 颗星s,以s为原点,从s到s的方向为轴正向确 定一个坐标系统,在该坐标系统上建立大小为g×g 的网格,将模式半径rn的圆周内的所有星投影到网 格中,有星的网格值为1,没有星的网格值为0,这就 是星s的特征模式LjL. 栅格算法具体实现步骤: (1)首先建立导航星模式库,即将导航星库中 的每一颗星按上述方法建立相应的模式; (2)在CCD输出图像帧中选择P颗星,分别建 立相应的特征模式; (3)将P颗星的模式分别与导航星模式库进行 匹配,将匹配结果进行统计处理,消除冗余匹配.若 没有匹配成功,则错误. 5模拟实验结果及其分析 仿真实验时,采用IntelCeleron2.8GHz主频微 机,WindowXP环境下使用VC++6.0工具,对不同 噪声下的定位精度和识别正确率进行了模拟实验, 开发的仿真软件如左图所示.模拟实验中首先验证 细分定位算法.对所模拟拍摄的星图分别从质心位 置,星等加入均值为零,方差为一定值的高斯噪声, 将细分定位后的星点位置和模拟拍摄的星点实际位 置进行比较. 如右图所示,对弥散的像元加入不同方差的高 斯噪声,采用带阈值的细分定位算法进行定位,和模 拟的实际位置比较可知,在噪声水平比较低时,带阈 值的细分定位算法具有较好的抗噪性,质心偏差比 较小.在噪声水平升高时,质心偏差上升的比较慢. 嚣0 0 BR 0 錾0mj}f0 图2实验仿真软件界面 对弥散像元的灰度值加入不同方差的噪声(图 略),实验表明,在误差允许范围内星等噪声对细分 定位的精度影响很小. 堡 《 0.13 0.11甄二:======二:二二:: 基喜至三2 图3噪声对细分定位精度的影响 在验证匹配算法的实验中,对模拟采集的每幅 图像分别加入一定方差的噪声,每组噪声等级下进 行100次模拟拍摄并匹配,将结果进行统计处理. 从下图结果可知,当加入位置噪声时,在一定噪声范 围内(这与栅格大小有关),识别正确率接近100%, 当噪声水平加大,识别正确率下降较慢,算法表现出 很强的鲁棒性;当加入星等噪声时,由于算法对星等 误差敏感度较低,在误差允许范围内,该算法的识别 正确率下降很慢. 埒 霉 BR m 质心位置噪声方差(单位:CCD单位度)星等归一化噪声方差(单位:10.星等) 图4不同噪声下该算法的识别正确率 (下转第29页) 第1期陈利超等:单轴激光陀螺稳定系统建模与仿真研究?29? 趣,-, 援 f 一. ,_ 0123一?}56789l1 图6匀速转动仿真曲线 4.3单轴稳定仿真曲线 单轴稳定时,模型和匀速转动情况下基本相同, 只需在zero—orderholder1后面加上数字积分环节 ;同样利用Simulink工具箱中的示波器观察激 光陀螺误差角仿真曲线如下: 图7单轴稳定仿真曲线 5结束语 通过以上理论分析和仿真得到的结果证明: (1)可以利用数字PID控制方法校正网 络.数字PID控制结构简单,参数便于调整,在不确 切知道控制系统参数的情况下,可以很快的对系统 进行调节,在实际系统设计时采用软件编程的方法 实现; (2)激光陀螺作为测量元件用在单轴稳定和匀 速旋转系统的方案是可行的.这样用激光陀螺代替 机械陀螺作为敏感器件可以减小成本,实现系统的 数字化. 参考文献: [1]姚俊,马松辉等.Simulink建模与仿真.西安电子科技大 学出版社,20O2年8月 [2]张智星.Matlab程序设计与应用.清华大学出版社, 20O2年4月 [3]夏德铃.反馈控制理论.哈尔滨工业大学出版社,1984 年12月 [4]胡寿松.自动控制原理.科学出版社,2001年2月 [5]何克忠.计算机控制技术.重庆大学出版社,2001年 [6]谢列金,库库利耶夫.激光陀螺及其应用.航空工业出 版社.1992年1月 l7jDanielP.Johnson.FrenquencyDomainAnalysisforRIGsystern Design.Proc.oftheNationalTechnicalMeeting,Jan15—17, 】985. (上接第24页) 实验表明,采用栅格算法进行星图匹配类似于 字符串匹配,只涉及逻辑运算和加减运算,几乎没有 乘除运算,因此匹配速度较快.而且针对不同敏感 程度的CCD,导航星库只需增减相应导航星的星模 式,计算量小.根据CCD的敏感程度,调整栅格的 大小,可以在不同噪声等级下保持很高的识别正确 率,具有很高的稳定性.但是该算法也存在导航星 库需要较强的完备性,栅格大小调整较难等有待完 善的地方. 参考文献: [1]郝胜国,郝志航.星敏感器星像模拟软件的研究.光学 精密工程,2OOO,8(3):208,211. [2]魏新国,张广军,江洁.星敏感器中星图图像的星体细 分定位方法研究.北京航空航天大学,2OO3,29(9): 812,815. [3]朱长征,沈振康.面向星敏感器的星模式识别算法.中 国惯性技术,2O04,12(1):55,6o. [4]李葆华,张迎春,李化义,许士文.用KMP算法进行星 敏感器星图识别的方法.光电工程,2O04,31(1):9,11. [5]李静.字符串的模式匹配算法——基于KMP算法的讨 论.青岛化工学院,20O2,23(2):78,80.
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