[发明专利]一种基于姿态信息的星点提取方法

说明书

本发明一种基于姿态信息的星点提取方法，包括构造纵坐标矩阵M、构造差分矩阵Q、剔除噪声点与提取种子点、星点内部像素精确提取与质心定位、基于惯性器件姿态变化量输出递推星点质心位置五大步骤。同现有技术相比，自适应阈值由实时图像确定，最大程度的降低计算量，提高实时性能；构造纵坐标矩阵，采用的行步长减小了一般的计算量；基于纵坐标矩阵构造差分矩阵，体现为离散序列具有非常高的辨识性，能够精确剔除噪声点，提取出想要的种子点，纵坐标矩阵与差分矩阵的共同作用下，能够同时保证星点提取的精度与实时性水平；利用惯性器件姿态变化量输出递推星点质心位置，解决了正常导航状态下的快速星点提取问题，具有更广泛的适用范围。

技术领域

本发明属于天文定位定向技术领域，涉及一种基于姿态信息的星点提取方法。

背景技术

星点提取的主要任务是通过一系列处理得到星敏感器视场内的恒星在CCD平面上的二维坐标信息。为了最终得到的二维坐标信息尽可能精确，在设计星敏感器时通过离焦处理使恒星投影为一个点状弥散区域，并且该区域的能量分布模型通常符合高斯分布，因此星点提取过程实际上也是点状目标的定位技术在星敏感器星图处理中的应用。星点提取是星敏感器整个任务计划中的重要一环，也是输出星图后首先需要处理的工作。星点提取主要涉及两项技术指标，一是星点提取速度，二是星点提取精度。星点提取速度影响星敏感器整体的实时性水平，星点提取精度影响下一步恒星识别的成功率与星敏感器最终的定姿精度。总的来讲，星点提取包含两大步骤：星点像素区域精确提取与质心定位。星点像素区域精确提取又可分为如下两个步骤。一是将图像的背景噪声与目标区域(星点弥散区域)区分开来；二是聚合归类目标区域，得到星点的精确分布。图像的背景噪声与星点目标区域进行区分所依赖的主要特征是灰度值。区分星点目标区域与背景噪声时，最常见的方法是阈值分割法，该方法在图像处理领域运用广泛，是一种典型的基于灰度特征的图像分割方法。视场内能有多少恒星投影到CCD平面上主要取决于星敏感器极限探测星等、视场大小等参数，极限探测星等越高、视场越大，则成像在CCD上的恒星数越多，可以多达几十颗。因此，区分开星点目标区域与背景噪声后，必须按照星点像素所属的星点进行归类聚合，得到各个星点自身弥散区域的精确分布。此时像素在星敏感器成像平面上的位置关系成为星点像素归类聚合的主要依据。找出不同星点在星图中精确的分布之后，则需要利用提取出来的星点弥散区域的位置信息及对应的灰度信息求解星点的二维质心坐标。亚像素内插定位算法能够达到亚像素级别的质心定位精度，是目前应用最为广泛的星点细分定位算法。王兆魁等人于2006年发表在《空间科学学报》26卷第3期的文章《一种CCD星图星点快速定位算法》提出了灰度交叉投影法，通过两次灰度投影，可以快速得到星点区域的分布。该方法大大降低了计算量和存储量，具有一定的工程实际应用价值。但如果星图上星点存在重叠(横轴或者纵轴)，该方法得到的星点区域将会被错误地扩大；另外该方法得到的星点区域只能是矩形的形状，难以刻画出准确的星点区域边缘。因此该方法虽然效率较高，但难以准确地确定星点区域范围。王海涌等人于2012年发表在《光学精密工程》20卷第11期的文章《分块峰值点局部区域生长的星像提取》提出将分块峰值点作为“种子”点，基于局部区域生长确定星点区域的方法，该方法以星图识别的最小角距要求根据确定星图分块数量，将各区块内灰度最大的像素作为“种子”点，进行局部区域生长得到星点区域。Li等人于2008年发表在《Optics Communications》第281期的文章《Accuracy analysis of centroid calculatedby a modified center detection algorithm for Shack–Hartmann wavefront sensor》分析研究了以像素信号的不同幂次作为权重的质心法在不同信噪比条件下的精度表现，其研究结果表明该方法在加性噪声条件下精度较高，但容易受到光子散粒等与星光信号相关的噪声影响。周召发等人于2021年提出的发明专利申请《一种基于姿态关联的星点质心提取方法》，与本发明发明目的相同，但是利用基于距离判别的灰度交叉投影法与一种新的目标区域标记方法来提取星图中的星点，所涉及方法与本专利所涉及方法在采用的技术上是不相干的、独立的，具有完全不同的核心理论。上述文献对星点细分定位算法系统性误差的研究多是基于数值模拟仿真进行的，得到的是经验性的结果。He等人于2013年发表在《Lecture Notes in Electrical Engineering》第229期的文章《A Novel Two-ScanConnected-Component Labeling Algorithm》基于简化的星点能量高斯分布模型，推导了在有限采样窗口条件下系统性误差与星点高斯半径之间的关系。该方法能够解释最佳的星点大小，但是其忽略了像素响应函数以及不同像素位置的影响。综上所述，虽然目前已经有不少学者在星点提取领域给出相应的解决方案，但如何在星点提取实时性水平与星点提取精度二者之间取得一个更好的平衡仍旧是当下亟待解决的问题，需要在已有知识理论的基础上进一步提高星敏感器星点提取的性能。