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1、48中国空间科学技术2000年2月CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY第1期一种基于主星的导航星座构造方法林涛刘瑞宽贾晓光钱国蕙(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)摘要提出了一种基于主星的导航星座构造方法,利用不等式约束下多变量函数最优化问题的求解方法实现了导航主星的选取和导航星座的构造。实验表明,采用该方法构造的导航星座数据库,既不会造成导航星的丢失,又显著地减少了需要存储的识别基元的数量,从而有效地降低了导航星座数据库的存储容量。主题词星体跟踪器星图匹配制导识别最佳算法1引言
2、为了满足未来空间飞行器姿态控制与导航系统所要求的高度自主、高精确度、高效的管理能力和快速的故障恢复能力,美国喷气推进实验室(JPL)首先提出了自主式星跟踪器的概念。由这种新一代的CCD星跟踪器和陀螺仪构成的姿控与导航系统可以为空间飞行器提供精确到几个角秒的飞行姿态。在当前的自主星图识别算法中,通常采用恒星星等和星对间的角距作为识别特征,在识别过程中,与由预先选择的参照星(称为导航星)构成的导航星座进行比较,取和观测星图匹配程度最高的导航星座作为识别结果。为了加快匹配查找的速度,基于这种策略的星图识别算法一般都
3、带有一个预先计算好的包含着任意两颗星或由多颗星按照一定的几何形状构成的多边形星对间角距的数据库(称为导航星座数据库)。与单纯的使用星对相比,三角形模式更为特殊,可以删除一大批虚假的星象点,并且该模式较好管理,因此不少算法[1,2]都采用三角形模式来构造导航星座数据库。这样,一个由N颗导航星构成的数据库将包3含有CN个导航星座(受敏感器视场口径的限制,实际的导航星座数目将小于这一数值)。随着N的增加,该数据库的存储容量将急剧增大,而星上的存储空间是有限的,过于庞大的导航星座数据库会造成识别时间的增加。因此,如何
4、在保证不丢失导航星的前提下,尽量减少需要存储的导航星座的数量就成为一个极为重要的问题。对此,本文将根据识别算法赋予每颗观测星一个识别优先权,并且识别总是从具有最高优先权的星开始的这一特点,提出导航主星的概念,通过采用基于主星的导航星座构造方法来达到降低所需存储容量的目的,并利用最优化理论中不等式约束条件下函数极值的求解方法来实现导航主星的选取和导航星座的构造。最后,本文将以包含2685颗导航星的星表为例,分别采用常规方法和本方法来构造导航星座数据库,以验证该方法的有效性。收稿日期:1998-12-31。收修改
5、稿日期:1999-07-272000年2月中国空间科学技术492导航主星的概念在识别过程中,对于每颗观测星来说,都有一个与它有关的优先权,而匹配通常开始于具有最高优先[3]权的恒星。图1示出了不同星等灵敏度门限下恒星的数量。从图中可以看出,低星等恒星的数量非常少。而具有相同星等的恒星越少,其唯一性就越高,越有利于该星的识别。因此,建立识别优先权的一个较好的标准就是按照恒星的星等,即具有较低星等的恒星图1星表中包含的恒星的数量具有较高的识别优先权。与星等门限的关系图鉴于星图的识别过程是从具有最高优先权,即视场中
6、最亮的星开始的,对于任何一个观测视场,均可以找到至少一颗最亮的观测星,称之为观测主星。同样,在导航星座内,从构成该星座的多颗导航星中,也可以指定一颗最亮的星,称之为导航主星,其它亮度比主星低的星则称为导航伴星,并且这些导航星在该星座内必然是以某种顺序排列的。因此,可以令导航星座的构造遵从“每一个导航三角形的第一颗星都是所谓的导航主星”的原则,以此构成基于该主星的导航星座。3导航主星的选取和导航星座的构造随着敏感器视轴在天球上的移动,视场内的观测星在不断地发生变化。为了确保对于任何一个视场,都能找到与观测主星相
7、对应的导航主星,需要对全体导航星进行筛选,以便从中选出所有可能的导航主星,并据此实现基于该主星的导航星座的构造。对于任何一个导航星而言,在CCD平面上以它为圆心,以2r(r为敏感器视场半径)为半径的圆周内的每两颗星都可能与它同时出现在某一个视场内。为了保证视场内肯定会包含该星,敏感器的视轴位置只能在以该星为圆心,以r为半径的圆周内。根据主星的定义,如果在此范围内能够找到一个视场,使得所有比这颗星亮的导航星都在视场之外,而至少有两颗比该星暗的导航星落在视场内,则这颗星就可以被认为是一颗导航主星,并构成基于该星的
8、导航三角形,如图2所示。图2中,A为候选的导航星,B表示比该星亮的导航星,而图2导航主星的选取C则为比该星暗的。由图可以看出,存在着一个视轴位置D,使得该候选星是视场中最亮的,而且在此视场内,还存在两个比该星暗的导航伴星,从而构成一个基于该星的导航三角形。此时敏感器的视轴位置(x,y)必须满足以下条件222x+y≤r222(xi-x)+(yi-y)≥ri=1,2,⋯,b(1)222(xj-x)+(y
