專利名稱：一種基于lpt變換的星圖識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，涉及對星圖識別方法的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
星敏感器是當(dāng)今航天飛行器中廣泛采用的一種高精度、高可靠性的姿態(tài)測量部件，其工作原理為CCD(或者CMOS)圖像傳感器拍攝當(dāng)前視場范圍內(nèi)的星空圖像，圖像經(jīng)信號處理，提取星體在觀測視場中的位置(和亮度)信息，并由星圖識別算法在導(dǎo)航星表中找到觀測星的對應(yīng)匹配，最后利用這些匹配星對計(jì)算出星敏感器的三軸姿態(tài)。星圖識別算法是星敏感器中的一個(gè)核心部分。
現(xiàn)有的星圖識別方法可以大致分為兩大類基于星對角距的方法(如多邊形角距算法，最大匹配組算法，三角形算法等)和基于“星模式”的方法(如柵格算法等)。傳統(tǒng)的星圖識別方法一般利用角距作為識別特征。這些方法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是識別率不高，識別時(shí)間較長，不能達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。此外，有些方法還需要依賴先驗(yàn)的姿態(tài)信息，不能滿足自主性的要求。作為第二類方法中的代表，柵格算法是一種比較優(yōu)秀的方法，它具有較高的識別率，較快的識別速度且導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的容量也很小。但是它也存在一個(gè)問題當(dāng)定位星(構(gòu)造模式過程中需要找一個(gè)臨近的星)識別錯(cuò)誤的情況下，會生成錯(cuò)誤的模式向量而造成識別失敗。由于定位星的識別率不高，因此也從一定程度上影響了算法的識別率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種基于Log-Polar變換的星圖識別方法。通過變換可以提取星的特征模式，并利用這個(gè)模式進(jìn)行匹配識別，以期在減少存儲容量和提高抗噪聲干擾能力方面均獲得優(yōu)異的性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于LPT變換的星圖識別方法，其特征在于，1、對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，其步驟如下
1.1、選擇導(dǎo)航星的鄰域R，選擇任意一個(gè)導(dǎo)航星s，以導(dǎo)航星s的方向矢量為星敏感器的視軸指向，將導(dǎo)航星s半徑為R鄰域內(nèi)的其他導(dǎo)航星投影到成像平面上，將這樣得到的星像作為原始圖像，導(dǎo)航星s投影到原始圖像的原點(diǎn)，將該原始圖像作為該導(dǎo)航星的鄰域，將該鄰域中的其他導(dǎo)航星作為該導(dǎo)航星的伴星，R＝4°～10°；1.2、對該導(dǎo)航星s的所有伴星做LPT變換，即將伴星所在的平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成對數(shù)半徑的極坐標(biāo)系，設(shè)在平面直角坐標(biāo)系下二值圖像表示為f(x，y)，則通過LPT變換后在極坐標(biāo)系下的圖像表示為f′(r，θ)，LPT變換定義為r=lnx2+y2,]]>θ＝tan-1(y/x)，式中r為極坐標(biāo)系下的對數(shù)半徑的縱坐標(biāo)，θ為極坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)(由于星像可以看作是由二維離散點(diǎn)構(gòu)成，因此星圖的LPT變換只需要對伴星所在的像素點(diǎn)進(jìn)行變換)；1.3、確定導(dǎo)航星s的特征向量，設(shè)該導(dǎo)航星s所在的原始圖像即投影到成像面上所成的圖像大小為M×N，LPT變換后的圖像大小為m×n，即在θ和r方向上分辨力分別為360°/m和R/n，LPT變換后的二值圖像用一個(gè)m×n的稀疏矩陣A來表示 i＝1，...，m，j＝1，...，n將變換后的圖像向θ軸投影，得到一個(gè)1×m的向量lpt(s)＝(a1，a2，...ai，...am)，ai(i＝1，...，m)定義如下①如果對于任意的j∈(1，...，n)，A(i，j)＝0，則ai＝0；②如果存在j∈(1，...，n)，使得A(i，j)＝1，則ai等于使得A(i，j)＝1的最小的j值，按照以上定義得到的lpt(s)即為經(jīng)過LPT變換得到的導(dǎo)航星s的特征向量；1.4、按照上面1.1.1至1.1.3的方法對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，得到所有導(dǎo)航星的特征向量lpt(s)并存儲起來；2、對觀測星圖中的所有觀測星進(jìn)行LPT變換，其變換方法和導(dǎo)航星的變換方法相同，3、尋找與觀測星匹配的導(dǎo)航星，將某觀測星的特征模式lpt(t)與導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星的特征模式lpt(s)一一進(jìn)行比對，找出與該觀測星匹配的導(dǎo)航星，導(dǎo)航星表中，觀測星t的特征模式lpt(t)與導(dǎo)航星s的特征模式lpt(s)的相似度定義為sim(lpt(s),lpt(t))=maxv=1msame(cs(lpt(s),v),lpt(t)),]]>式中，cs(lpt(s)，v)表示將lpt(s)循環(huán)左或右移v位，same定義為兩個(gè)向量中對應(yīng)非零位相匹配的個(gè)數(shù)，same值越大，表明對應(yīng)非零位相匹配的個(gè)數(shù)越多，兩個(gè)模式向量越相近，sim(lpt(s)，lpt(t)越大，表明lpt(t)和lpt(s)的相似程度越高；若滿足下式sim(lpt(s)，lpt(t))＞ξ，則觀測星t和導(dǎo)航星s匹配，其中，ξ為相似度閾值，ξ的取值與觀測星鄰域伴星的數(shù)目nneighbor有關(guān)，假設(shè)允許誤匹配的伴星數(shù)目(非零位不匹配)為nwrong，則可取ξ＝nneighbor-nwrong，當(dāng)找到2顆觀測星與導(dǎo)航星匹配時(shí)，停止尋找；4、驗(yàn)證，利用上面找到的觀測星和導(dǎo)航星的匹配計(jì)算星敏感器的姿態(tài)，進(jìn)而，根據(jù)這個(gè)姿態(tài)產(chǎn)生一幅模擬的參考星圖，用該參考星圖與觀測星圖比較，如果參考星圖中的星均能在觀測星圖中較小的鄰域半徑內(nèi)找到對應(yīng)觀測星，即認(rèn)為參考星圖和觀測星圖一致，則識別正確；否則，重復(fù)1.3和1.4的步驟，直到識別正確為止。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、將圖像識別中的LPT變換引入到星圖識別中來，利用LPT變換提取星圖的特征，采用字符串編碼和字符串匹配的方式實(shí)現(xiàn)觀測星和導(dǎo)航星模式的快速匹配。
2、導(dǎo)航星模式庫的存儲空間較少，優(yōu)于其它識別算法。
3、對星點(diǎn)位置噪聲和星等噪聲均具有很強(qiáng)的魯棒性。


圖1是LPT變換原理示意圖。
圖2是對星圖進(jìn)行LPT變換的示意圖。
圖3是本發(fā)明方法中星圖識別中的字符串匹配的示意圖。
圖4是本發(fā)明方法所使用的識別算法流程圖。
圖5是本發(fā)明方法在星敏感器的偏航角，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角分別為27.50°，-14.18°和17.20°時(shí)模擬生成的一幅星圖的識別情況。
圖6是星點(diǎn)位置噪聲對識別的影響。
圖7是星等噪聲對識別的影響。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。首先，對Log-Polar變換做簡要說明。Schwartz曾經(jīng)提出，在人類視網(wǎng)膜表面和視覺皮層之間存在一種Log-Polar的映射，對于具有大小、位移、旋轉(zhuǎn)不變性的目標(biāo)識別重要的作用。Log-Polar變換(Log-Polar Transform，以下簡稱LPT)是一種將平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到對數(shù)半徑的極坐標(biāo)系的一種變換，通過映射，將目標(biāo)的大小、位移和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為單一的位移變化，使得問題大大簡化。LPT變換在運(yùn)動目標(biāo)識別、字符識別等很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
參見圖1，設(shè)在平面直角坐標(biāo)系下二值圖像表示為f(x，y)，通過LPT變換后在極坐標(biāo)系下的圖像表示為f′(r，θ)，LPT變換可以定義為r=lnx2+y2]]>θ＝tan-1(y/x)通過LPT變換，原始圖像中的旋轉(zhuǎn)變換表現(xiàn)為極坐標(biāo)系下θ軸方向的循環(huán)平移(circular shift)，原始圖像中的比例變換表現(xiàn)為極坐標(biāo)系下r軸方向的平移。因此，LPT變換可以用于在圖像匹配中提取旋轉(zhuǎn)不變特征和比例不變特征。
觀測星圖可以看作是天球上某一區(qū)域的星圖經(jīng)過旋轉(zhuǎn)而來，星圖識別從某種程度上可以理解為利用旋轉(zhuǎn)不變性特征進(jìn)行圖像匹配識別的過程。
圖2所示為星圖的LPT變換的示意圖。圖2(a)為導(dǎo)航星表中導(dǎo)航星s鄰近的星所構(gòu)成的星圖及其LPT變換(以s為坐標(biāo)原點(diǎn))的結(jié)果；圖2(b)為觀測星圖以觀測星t為坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行LPT變換的結(jié)果。如果觀測星和導(dǎo)航星匹配，則觀測星圖繞t旋轉(zhuǎn)一定角度后應(yīng)該與2(a)中導(dǎo)航星構(gòu)成的星圖重合，反映在LPT變換后的圖像上為在θ軸方向上的循環(huán)平移。以導(dǎo)航星(或者觀測星)為中心的LPT變換后得到的結(jié)果作為導(dǎo)航星(或者觀測星)的特征模式。
本發(fā)明星圖識別方法的步驟如下對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，其步驟如下1.1、選擇導(dǎo)航星的鄰域R，選擇任意一個(gè)導(dǎo)航星s，以導(dǎo)航星s的方向矢量為星敏感器的視軸指向，將導(dǎo)航星s半徑為R鄰域內(nèi)的其他導(dǎo)航星投影到成像平面上，將這樣得到的星像作為原始圖像，導(dǎo)航星s投影到原始圖像的原點(diǎn)，將該原始圖像作為該導(dǎo)航星的鄰域，將該鄰域中的其他導(dǎo)航星作為該導(dǎo)航星的伴星，R＝4°～10°。
1.2、對該導(dǎo)航星s的所有伴星做LPT變換，即將伴星所在的平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成對數(shù)半徑的極坐標(biāo)系，設(shè)在平面直角坐標(biāo)系下二值圖像表示為f(x，y)，則通過LPT變換后在極坐標(biāo)系下的圖像表示為f′(r，θ)，LPT變換定義為r=lnx2+y2,]]>θ＝tan-1(y/x)，式中r為極坐標(biāo)系下的對數(shù)半徑的縱坐標(biāo)，θ為極坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)(由于星像可以看作是由二維離散點(diǎn)構(gòu)成，因此星圖的LPT變換只需要對伴星所在的像素點(diǎn)進(jìn)行變換)；1.3、確定導(dǎo)航星s的特征向量，設(shè)該導(dǎo)航星s所在的原始圖像(投影到成像面上所成的圖像)大小為M×N，LPT變換后的圖像大小為m×n，即在θ和r方向上分辨力分別為360°/m和R/n，LPT變換后的二值圖像用一個(gè)m×n的稀疏矩陣A來表示 i＝1，...，m，j＝1，...，n將變換后的圖像向θ軸投影，得到一個(gè)1×m的向量lpt(s)＝(a1，a2，...ai，...am)，ai(i＝1，...，m)定義如下①如果對于任意的j∈(1，...，n)，A(i，j)＝0，則ai＝0；②如果存在j∈(1，...，n)，使得A(i，j)＝1，則ai等于使得A(i，j)＝1的最小的j值，按照以上定義得到的lpt(s)即為經(jīng)過LPT變換得到的導(dǎo)航星s的特征向量。
1.4、按照上面1.1至1.3的方法對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，得到所有導(dǎo)航星的特征向量lpt(s)并存儲起來。
2、對觀測星圖中的所有觀測星進(jìn)行LPT變換，其變換方法和導(dǎo)航星的變換方法相同。
3、尋找與觀測星匹配的導(dǎo)航星，將某觀測星的特征模式lpt(t)與導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星的特征模式lpt(s)一一進(jìn)行比對，找出與該觀測星匹配的導(dǎo)航星，導(dǎo)航星表中，觀測星t的特征模式lpt(t)與導(dǎo)航星s的特征模式lpt(s)的相似度定義為sim(lpt(s),lpt(t))=maxv=1msame(cs(lpt(s),v),lpt(t)),]]>式中，cs(lpt(s)，v)表示將lpt(s)循環(huán)左或右移v位，same定義為兩個(gè)向量中對應(yīng)非零位相匹配的個(gè)數(shù)，same值越大，表明對應(yīng)非零位相匹配的個(gè)數(shù)越多，兩個(gè)模式向量越相近，sim(lpt(s)，lpt(t))越大，表明lpt(t)和lpt(s)的相似程度越高。例如，對于m＝20的兩個(gè)導(dǎo)航星和觀測星的特征向量
lpt(s)＝(0 23 0 0 54 0 10 0 0 0 21 0 0 0 0 0 0 19 0 0)lpt(t)＝(10 0 46 0 21 00 12 0 0 0 19 0 0 0 20 0 0 54 0)其相似度為sim(lpt(s)，lpt(t))＝same(cs(lpt(s)，6)，lpt(t))＝4，表示導(dǎo)航星的特征向量向左循環(huán)6位后與觀測星的特征向量具有最大的形似度，即非零位相匹配的個(gè)數(shù)最大為4。
若滿足下式sim(lpt(s)，lpt(t))＞ξ，則觀測星t和導(dǎo)航星s匹配，其中，ξ為相似度閾值，ξ的取值與觀測星鄰域伴星的數(shù)目nneighbor有關(guān)，假設(shè)允許誤匹配的伴星數(shù)目(非零位不匹配)為nwrong，則可取ξ＝nneighbor-nwrong，當(dāng)找到2顆觀測星與導(dǎo)航星匹配時(shí)，停止尋找。
4、驗(yàn)證，驗(yàn)證環(huán)節(jié)的主要作用是①驗(yàn)證識別的正確性，同時(shí)篩選出錯(cuò)誤的匹配。
②為觀測星圖中盡可能多的觀測星找到其匹配星，這樣有利于跟蹤識別以及提高姿態(tài)計(jì)算的精度。
③可以提供粗略的姿態(tài)信息。
驗(yàn)證環(huán)節(jié)的基本思想為如果有兩顆星識別正確，利用這兩顆星算得的星敏感器的姿態(tài)應(yīng)該是準(zhǔn)確的。進(jìn)而，根據(jù)這個(gè)姿態(tài)產(chǎn)生的一幅模擬的星圖(稱為參考星圖)也應(yīng)該和原始的觀測星圖一致(星點(diǎn)的位置對應(yīng)一致)。如果參考星圖中的星均能在觀測星圖中較小的鄰域半徑內(nèi)找到對應(yīng)觀測星，即認(rèn)為參考星圖和觀測星圖一致，即認(rèn)為識別正確，算法結(jié)束。否則，重復(fù)1.3和1.4的步驟，依次挑選排序較低的其它觀測星來識別，直到識別正確為止。整個(gè)算法流程圖如圖4所示。
由于導(dǎo)航星和觀測星的特征模式都為1×m的向量，其中除了少數(shù)的非零位，大多數(shù)位均為0，如果直接用來識別，不僅會增加模式向量庫的容量，而且還會增加模式搜索匹配的時(shí)間。因此，可以對經(jīng)過LPT變換得到的模式向量進(jìn)行重新編碼，用字符串的形式來表示星的特征模式，不僅可以節(jié)約存儲空間，也使搜索的速度得以提高。編碼的方法為A、在對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換時(shí)，得到導(dǎo)航星s的特征向量lpt(s)以后，對導(dǎo)航星s的特征向量進(jìn)行重新編碼，用字符串的形式來表示星的特征向量，編碼方法為首先，將lpt(s)中第一個(gè)非零位前所有的零循環(huán)左移到向量末尾，使非零位成為1×m向量的首位；然后，重新編碼得到導(dǎo)航星的模式字符串str(s)，奇數(shù)位為lpt(s)中的非零位，偶數(shù)位為lpt(s)中相鄰非零位之間的零的個(gè)數(shù)；對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，得到所有導(dǎo)航星的模式字符串str(s)并存儲起來。如下所示為導(dǎo)航星表中序號為5的導(dǎo)航星經(jīng)LPT變換后得到的模式向量(m＝100)，str(s)為編碼后的字符串；lpt(s)＝(0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 35 0 0 0 00 0 53 0 0 0 0 0 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 52 51 0 00 0 0 0 0 54 48 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 31 0 49 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 53 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 29 0 0 0 0 0 0 0)str(s)＝(35 65 39 44 5 52 0 51 7 54 0 48 10 31 1 49 14 53 16 29 21)B、在對觀測星圖中的所有觀測星進(jìn)行LPT變換時(shí)，得到觀測星的特征向量lpt(t)以后，對觀測星t的特征向量lpt(t)進(jìn)行重新編碼，用字符串的形式來表示星的特征向量，編碼方法為首先，將lpt(t)中第一個(gè)非零位前所有的零循環(huán)左移到向量末尾，使非零位成為1×m向量的首位；然后，重新編碼得到觀測星的模式字符串str(t)，其奇數(shù)位為lpt(t)中的非零位，偶數(shù)位為lpt(t)中相鄰非零位之間的零的個(gè)數(shù)。
考慮到旋轉(zhuǎn)經(jīng)LPT變換后體現(xiàn)為循環(huán)平移的特性，為了方便模式的匹配，可以將導(dǎo)航星的編碼后的字符串延長1/2，而觀測星的編碼字符串保持不變。這樣可以使得在匹配過程中無須再進(jìn)行循環(huán)平移操作，只需要平移即可。如上所示導(dǎo)航星表中序號為5的導(dǎo)航星的模式字符串經(jīng)過延長后的變?yōu)閟tr′(s)＝(36 6 53 9 44 5 52 0 51 7 54 0 48 10 31 1 49 14 53 16 29 21 36 6 539 44 5 52 0 51 7 54 0)C、字符串匹配，經(jīng)過LPT變換和字符串編碼之后，可以將星的模式看成單詞，而整個(gè)導(dǎo)航星表中所有導(dǎo)航星的模式字符串的集合看成一本字典，星圖識別的過程就是在字典里面查找與之最相近的單詞的過程。
設(shè)模式字符串為str1×m，在字典里查找單詞實(shí)質(zhì)上是在字典dict＝{p1，p2，...，pN}中尋找一個(gè)模式pi使之與str1×m相匹配。將字典中所有的單詞組成一個(gè)文本tex1×k，在字典中查找單詞可以用字符串匹配問題來描述，即尋找模式字符串str1×m在文本tex1×k中出現(xiàn)的位置。其中，str(i)∈R，i＝1，2，...，m，tex(i)∈R，i＝1，2，...，k，R表示字符集。一般情況下，k＞＞m＞0。
采用窮盡法字符串匹配的時(shí)間復(fù)雜度m(k-m-1)，即在最壞的情況下(搜索到文本結(jié)束)需要進(jìn)行m(k-m-1)次比較。KMP(Knuth-Morris-Pratt)算法是字符串匹配中常用的一種快速算法。與窮盡法不同的，KMP算法在發(fā)現(xiàn)某個(gè)字符匹配失敗的情況下不是簡單的從文本中返回，而是充分利用前面的比較信息。KMP算法可以使字符串匹配的復(fù)雜度大大降低，在最壞的情況下只需要進(jìn)行m+k次比較。
應(yīng)用于星圖識別的字符串匹配算法與一般意義上的字符串匹配算法有所區(qū)別，因此不能直接將KMP算法用來進(jìn)行識別。這些區(qū)別主要體現(xiàn)在①兩者所用的字符集不同，字符表示的意義不同。普通字符串匹配的各位所表示的意義是等同的，而星圖識別中星模式的字符串奇數(shù)位字符和偶數(shù)位字符表示的意義不同，奇數(shù)位字符代表伴星經(jīng)過LPT變換后在r軸方向上坐標(biāo)值，偶數(shù)位字符代表θ軸方向的間隔。對星圖識別而言，字符串匹配實(shí)際上是奇數(shù)位字符串的匹配。如圖3所示，設(shè)觀測星字符串和導(dǎo)航星字符串以(c1，d1)為起始點(diǎn)匹配，c2i+1和d2i+1匹配必須同時(shí)滿足c2i+1＝d2i+1且c2+c4+…+c2i＝d2+d4+…+d2i顯然，這里字符串中字符的匹配和一般字符串中字符的匹配定義是不同的。
②星圖識別中字符串匹配實(shí)際上是一種模糊字符串匹配。這里的“模糊”主要有兩方面的含義首先，由于觀測星的模式并不完整，特別是在視場邊緣的情況下，觀測星的模式只有其對應(yīng)導(dǎo)航星模式的1/4到1/2，再加上星點(diǎn)定位誤差以及干擾星的影響，觀測星生成模式字符串與其相匹配的導(dǎo)航星模式字符串并不能完全一一對應(yīng)；其次，由于星點(diǎn)定位誤差的存在，不能用精確字符串匹配的原則來對字符的匹配進(jìn)行定義。因此，為了增加字符串匹配的魯棒性，需要對上式重新定義在進(jìn)行所說的星圖匹配時(shí)，推薦采用模糊字符串匹配方法，其具體方法是在KMP算法的基礎(chǔ)上，設(shè)觀測星的模式字符串為str(t)＝c1+c2+…+ci，導(dǎo)航星的模式字符串為str(s)＝d1+d2+…+di，
字符匹配的定義為|c2i+1-d2i+1|＝1且|(c2+c4+…+c2i)-(d2+d4+…+d2i)|＝1本發(fā)明在KMP算法的基礎(chǔ)上，給出一種適合于星圖特征字符串識別的模糊字符串識別方法，它重新定義字符匹配原則。一般的模糊字符串匹配算法需要考慮到字符的刪除、插入和替換三種情況，而在星圖識別中可以采用一種相對簡單的方法。設(shè)觀測星模式字符串在導(dǎo)航星模式字符串中能對應(yīng)匹配的字符(奇數(shù)位)個(gè)數(shù)和不能對應(yīng)匹配的字符個(gè)數(shù)分別為nmatch和ndismatch，nmatch和ndismatch在匹配過程中不斷更新。通過跟蹤這兩個(gè)計(jì)數(shù)值的狀態(tài)，以控制識別搜索的流程。設(shè)觀測星模式字符串在導(dǎo)航星模式字符串中能對應(yīng)匹配的奇數(shù)位字符個(gè)數(shù)為nmatch，不能對應(yīng)匹配的字符個(gè)數(shù)為ndismatch，則字符串匹配的原則是正確匹配如果nmatch大于閾值ξ，則認(rèn)為找到了正確的匹配，算法成功返回；ξ與組成觀測星模式的鄰域伴星的個(gè)數(shù)nneighbor有關(guān)。取ξ＝nneighbor-2，即允許出現(xiàn)兩個(gè)字符誤識別。
錯(cuò)誤匹配當(dāng)不匹配的字符累計(jì)到2個(gè)以上，即ndismatch＞2，則認(rèn)為不可能在該位置找到正確的匹配，失敗返回，返回的狀態(tài)由KMP算法構(gòu)造的失敗鏈接決定。通過這種方式可以盡快的從錯(cuò)誤匹配處跳出，從而加快識別的速度。
搜索范圍待識別導(dǎo)航星鄰域伴星的數(shù)目應(yīng)該在一定范圍內(nèi)，理論上它應(yīng)該大于和觀測星鄰域伴星的數(shù)目且不能超出太多(在視場邊緣觀測星的鄰域范圍為對應(yīng)導(dǎo)航星鄰域范圍的1/4到1/2)。設(shè)構(gòu)成導(dǎo)航星模式字符串伴星數(shù)目為mneighbor，如果mneighbor＜nneighbor-2或者mneighbor＞2nneighbor，即忽略該導(dǎo)航星，轉(zhuǎn)而匹配下一顆導(dǎo)航星。這樣可以把搜索的導(dǎo)航星限定到一個(gè)較小的范圍，從而使識別的速度得到提高。
鄰域伴星的個(gè)數(shù)nneighbor越多，觀測星被正確識別的概率越高。同時(shí)，亮度較高的星更容易被捕捉到，具有更高的可信度。為此，為每顆觀測星定義Q＝M/nneighbor(M為星等)，將觀測星按照Q取值排序，具有最小Q值的星優(yōu)先被挑選進(jìn)行匹配。
對于觀測星圖，將挑選出來的觀測星進(jìn)行LPT變化和字符串編碼，并用上述字符串匹配的方法進(jìn)行識別。如果有兩顆星找到對應(yīng)的匹配，則可轉(zhuǎn)入驗(yàn)證環(huán)節(jié)。
如圖5所示為星敏感器偏航角，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角分別為27.50°，-14.18°和17.20°時(shí)模擬生成的一幅星圖的識別情況。表1所示為觀測星圖中星點(diǎn)的信息。序號為6和7的觀測星具有最小的Q值，因此，先對這兩顆星進(jìn)行LPT變換并進(jìn)行字符串編碼，經(jīng)變換和編碼后的模式字符串為str(6)＝(26 0 21 27 48 6 44 0 48 7 52 3 41 24 48 25)str(7)＝(48 5 55 0 60 17 47 8 24 3 23 2 48 4 52 13)用字符串匹配的方法分別將其與儲存的導(dǎo)航星模式字符串進(jìn)行匹配，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)觀測星6與導(dǎo)航星表中序號為2869的導(dǎo)航星的模式字符串具有最大的相似度，其相似度為7，觀測星7與導(dǎo)航星表中序號為2870的導(dǎo)航星的模式字符串具有最大的相似度，其相似度為7。利用這兩個(gè)匹配星對進(jìn)行驗(yàn)證，生成的參考星圖中的所有星點(diǎn)和均在觀測星圖相應(yīng)鄰域找到對應(yīng)，即參考星圖和觀測星圖一致，因此，認(rèn)為識別正確。
表1一幅隨機(jī)生成的星圖所包含的星點(diǎn)信息

(表1中記錄的分別為觀測星圖中13顆觀測星在的星像中位置、模式半徑鄰域內(nèi)伴星數(shù)目、星等以及Q值的信息)為了評估本發(fā)明方法的性能，采用了模擬的星圖進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)中其它識別參數(shù)的取值為模式半徑R＝6°，識別過程中LPT變換參數(shù)m＝100，n＝60。仿真實(shí)驗(yàn)主要就星點(diǎn)位置噪聲和星等(亮度)噪聲對識別的影響進(jìn)行考察。
表2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

星點(diǎn)的位置噪聲主要來源于星點(diǎn)中心細(xì)分定位方法的誤差。實(shí)驗(yàn)中，對于模擬生成的星像，在真實(shí)星點(diǎn)位置上加上服從高斯分布，均值為0，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ從0到2像素變化的噪聲。其識別結(jié)果如圖6所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，這種方法對位置噪聲具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在σ＝2像素時(shí)，仍然能達(dá)到98％以上的識別率。
星等噪聲反映了圖像傳感器對恒星亮度的敏感程度。實(shí)驗(yàn)中，在星圖模擬過程中，對星等加上服從高斯分布的均值為0，標(biāo)準(zhǔn)偏差從0到1Mv變化的噪聲，反映在星圖中為星點(diǎn)圖像灰度幅值的噪聲。同樣，隨機(jī)從全天球取1000幅星圖進(jìn)行識別統(tǒng)計(jì)，圖7為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖中可以看出，從統(tǒng)計(jì)可以看出，星等噪聲對識別率的影響不大，在噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差為1Mv時(shí)識別率仍可以達(dá)到99％左右，因此可以將亮度誤差對識別的影響忽略不計(jì)。
本發(fā)明方法在Pentium 800M Hz PC機(jī)上進(jìn)行1000次識別平均識別時(shí)間為15.7ms，時(shí)間開銷主要集中在字符串的匹配搜索階段，在視場內(nèi)觀測星比較多的情況下，識別的運(yùn)行時(shí)間明顯增加。在LPT變換中，每個(gè)模式字符串的平均長度約為28，以每個(gè)字符一個(gè)字節(jié)計(jì)算，3360顆導(dǎo)航星共需要94K字節(jié)的存儲空間。可見，基于LPT變換的星圖識別方法對存儲空間的需求是非常小的。
權(quán)利要求
1.一種基于LPT(Log-Polar Transform)變換的星圖識別方法，其特征在于，1.1、對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，其步驟如下1.1.1、選擇導(dǎo)航星的鄰域R，選擇任意一個(gè)導(dǎo)航星s，以導(dǎo)航星s的方向矢量為星敏感器的視軸指向，將導(dǎo)航星s半徑為R鄰域內(nèi)的其他導(dǎo)航星投影到成像平面上，將這樣得到的星像作為原始圖像，導(dǎo)航星s投影到原始圖像的原點(diǎn)，將該原始圖像作為該導(dǎo)航星的鄰域，將該鄰域中的其他導(dǎo)航星作為該導(dǎo)航星的伴星，R＝4°～10°；1.1.2、對該導(dǎo)航星s的所有伴星做LPT變換，即將伴星所在的平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成對數(shù)半徑的極坐標(biāo)系，設(shè)在平面直角坐標(biāo)系下二值圖像表示為f(x，y)，則通過LPT變換后在極坐標(biāo)系下的圖像表示為f′(r，θ)，LPT變換定義為r=lnx2+y2,]]>θ＝tan-1(y/x)，式中r為極坐標(biāo)系下的對數(shù)半徑的縱坐標(biāo)，θ為極坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)(由于星像可以看作是由二維離散點(diǎn)構(gòu)成，因此星圖的LPT變換只需要對伴星所在的像素點(diǎn)進(jìn)行變換)；1.1.3、確定導(dǎo)航星s的特征向量，設(shè)該導(dǎo)航星s所在的原始圖像即投影到成像面上所成的圖像大小為M×N，LPT變換后的圖像大小為m×n，即在θ和r方向上分辨力分別為360°/m和R/n，LPT變換后的二值圖像用一個(gè)m×n的稀疏矩陣A來表示 將變換后的圖像向θ軸投影，得到一個(gè)1×m的向量lpt(s)＝(a1，a2，...ai，...am)，ai(i＝1，...，m)，定義如下①如果對于任意的j∈(1，...，n)，A(i，j)＝0，則ai＝0；②如果存在j∈(1，...，n)，使得A(i，j)＝1，則ai等于使得A(i，j)＝1的最小的j值，按照以上定義得到的lpt(s)即為經(jīng)過LPT變換得到的導(dǎo)航星s的特征向量；1.1.4、按照上面1.1.1至1.1.3的方法對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，得到所有導(dǎo)航星的特征向量lpt(s)并存儲起來；1.2、對觀測星圖中的所有觀測星進(jìn)行LPT變換，其變換方法和導(dǎo)航星的變換方法相同，1.3、尋找與觀測星匹配的導(dǎo)航星，將某觀測星的特征模式lpt(t)與導(dǎo)航星表中的導(dǎo)航星的特征模式lpt(s)一一進(jìn)行比對，找出與該觀測星匹配的導(dǎo)航星，導(dǎo)航星表中，觀測星t的特征模式lpt(t)與導(dǎo)航星s的特征模式lpt(s)的相似度定義為sim(lpt(s),lpt(t))=maxv=1msame(cs(lpt(s),v),lpt(t)),]]>式中，cs(lpt(s)，v)表示將lpt(s)循環(huán)左或右移v位，same定義為兩個(gè)向量中對應(yīng)非零位相匹配的個(gè)數(shù)，same值越大，表明對應(yīng)非零位相匹配的個(gè)數(shù)越多，兩個(gè)模式向量越相近，sim(lpt(s)，lpt(t))越大，表明lpt(t)和lpt(s)的相似程度越高；若滿足下式sim(lpt(s)，lpt(t))＞ξ，則觀測星t和導(dǎo)航星s匹配，其中，ξ為相似度閾值，ξ的取值與觀測星鄰域伴星的數(shù)目nneighbor有關(guān)，假設(shè)允許誤匹配的伴星數(shù)目為nwrong，則可取ξ＝nneighbor-nwrong，當(dāng)找到2顆觀測星與導(dǎo)航星匹配時(shí)，停止尋找；1.4、驗(yàn)證，利用上面找到的觀測星和導(dǎo)航星的匹配計(jì)算星敏感器的姿態(tài)，進(jìn)而，根據(jù)這個(gè)姿態(tài)產(chǎn)生一幅模擬的參考星圖，用該參考星圖與觀測星圖比較，如果參考星圖中的星均能在觀測星圖中較小的鄰域半徑內(nèi)找到對應(yīng)觀測星，即認(rèn)為參考星圖和觀測星圖一致，則識別正確；否則，重復(fù)1.3和1.4的步驟，直到識別正確為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星圖識別方法，其特征在于，2.1、在對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換時(shí)，得到導(dǎo)航星s的特征向量lpt(s)以后，對導(dǎo)航星s的特征向量進(jìn)行重新編碼，用字符串的形式來表示星的特征向量，編碼方法為首先，將lpt(s)中第一個(gè)非零位前所有的零循環(huán)左移到向量末尾，使非零位成為1×m向量的首位；然后，重新編碼得到導(dǎo)航星的模式字符串str(s)，奇數(shù)位為lpt(s)中的非零位，偶數(shù)位為lpt(s)中相鄰非零位之間的零的個(gè)數(shù)；對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，得到所有導(dǎo)航星的模式字符串str(s)并存儲在導(dǎo)航起來；2.2、在對觀測星圖中的所有觀測星進(jìn)行LPT變換時(shí)，得到觀測星的特征向量lpt(t)以后，對觀測星t的特征向量lpt(t)進(jìn)行重新編碼，用字符串的形式來表示星的特征向量，編碼方法為首先，將lpt(t)中第一個(gè)非零位前所有的零循環(huán)左移到向量末尾，使非零位成為1×m向量的首位；然后，重新編碼得到觀測星的模式字符串str(t)，其奇數(shù)位為lpt(t)中的非零位，偶數(shù)位為lpt(t)中相鄰非零位之間的零的個(gè)數(shù)；2.3、在所說的星圖匹配時(shí)，采用模糊字符串匹配方法，其具體方法是在KMP算法的基礎(chǔ)上，設(shè)觀測星的模式字符串為str(t)＝c1+c2+…+ci，導(dǎo)航星的模式字符串為str(s)＝d1+d2+…+di，將字符匹配重新定義為|c2i+1-d2i+1|＝1且|(c2+c4+…+c2i)-(d2+d4+…+d2i)|＝1設(shè)觀測星模式字符串在導(dǎo)航星模式字符串中能對應(yīng)匹配的奇數(shù)位字符個(gè)數(shù)為nmatch，不能對應(yīng)匹配的字符個(gè)數(shù)為ndismatch，則字符串匹配的原則是2.3.1、正確匹配如果nmatch大于閾值ξ，則認(rèn)為找到了正確的匹配，算法成功返回；2.3.2、錯(cuò)誤匹配當(dāng)不匹配的字符累計(jì)到2個(gè)以上，即ndismatch＞2，則認(rèn)為不可能在該位置找到正確的匹配，失敗返回；2.3.3、搜索范圍設(shè)構(gòu)成導(dǎo)航星模式字符串伴星數(shù)目為mneighbor，觀測星模式字符串伴星數(shù)目為nneighbor，如果mneighbor＜nneighbor-2或者mneighbor＞2nneighbor，即忽略該導(dǎo)航星，轉(zhuǎn)而匹配下一顆導(dǎo)航星。
全文摘要
本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，涉及對星圖識別方法的改進(jìn)。本發(fā)明的步驟為1.對導(dǎo)航星表中的所有導(dǎo)航星進(jìn)行LPT變換，并存儲變換后得到的特征模式，2.對觀測星圖中的所有觀測星進(jìn)行LPT變換，3.尋找與觀測星匹配的導(dǎo)航星，4.驗(yàn)證。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)觀測星和導(dǎo)航星模式的快速匹配；占用存儲空間少；對星點(diǎn)位置噪聲和星等噪聲均具有很強(qiáng)的魯棒性。
文檔編號G01C21/24GK1796939SQ200410102588
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者張廣軍, 魏新國, 江潔 申請人:北京航空航天大學(xué)