控制工程
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星图识别算法研究
雪；蔓善l摘要本文研宄应用星敏感器确定航天器姿态的星图识别算法.在分析和总结一其老星图识别算法以后，提出了一种基于星三角形的星图识别算法，并对星图特征
—三和导航星星图模式唯一性问题作初步探讨.经过定性分析和比较得出基于星三角形
的星识别算法更易于在星载计算机上实现.另外由星图识剐提出一英特殊的模式识
别问题——无类别模式识别，井简单分析了它和普通模式识剐问题的区别.
主置字星敏感器，星圈识剐，模式识剐
一
，介绍
星敏感器作为新一代高精度姿态敏感器已广泛地被国际宇航界所接受.利用星敏感器来
确定航天器姿态的问题(图1)可描述如下:
+
J.
+十
+
+
园
电压互感器接线{
÷|幸十,———一
图1姿态确定问题
由于航天器姿态的偏差，固联在航天器上的
星敏感器的视场将偏离预定的天区.视场可能观
测到的天区称为不确定天区.星敏感器通过光学
探测器摄取视场内的恒星(称为观测星).利用
拉画笔星等和几何特征进行星图识别，以确定观测星中
哪些是预先选定的恒星(称为导航星).如果识
剐出两颗以上的导航星，根据它们在星表中的赤
经和赤纬数据就能确定航天器的姿态[1].
早期的星敏感器探测器一般采用光电倍增管
和析象管，它所能用的导航星数量很少.如只用
北极星作为导航星，这时的星识别算法很简单,
因为北极星是不确定天区中最亮的星，仅根据星等就能识剐.到了8O年代，人们开始栗用
CCD固态成象器件作为星敏感器的探测器，它能同时摄取多颗观测星星图，这为更好地开natr-241
发利用星敏感器定姿提供了方便.多星识别根据有无粗姿态分为局部星图识别和全天星图识
别两种.对于局部星图识别，由其它姿态敏感器(如地球敏感器，太阳敏感器等)提供粗姿
态，根据粗姿态及其精度可以计算出星图识剐的不确定天区，这就大大限制了一次星识别中
参加匹配的导航星的数量，一般在100颗以下.在没有飞行器粗姿态的情况下，不确定天区 就是整个天球，这时要进行垒天的星图匹配才能识别出观测星.美国JPL的Bezooijen等人
在全天星图识别方面做了开创性的工作.他们提出了全天星图摸式的唯一性问题,
并实现了
一
种基于主星的垒天星图识别算法
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二，星图识别
星图是由具有一定几何特征的若干颗同一球面上的恒星组成的，其几何特征可由星对之
间的角距唯一确定.星图识别就是将由星敏感器视场中观测星组成的星图和由星表中导航星
组成的星图根据几何别征进行匹配，以确定观测星与导航星的对应关系(图2)
图2星图识别
假定观测星f1,2,3,4}分别为导航星
{,B,C,D}.星图识别要将观测星星图
和导航星星图进行匹配，从而出它们等价
的子集{1,2,34}和{,B,c,D}如
果把星图识别看成是一个模式识别问题，那
.
么观测星星图是未知样奉，导航星星图是已
知模板.但和普通模式识别不同的是星图识
别中没有明确的划分模式类别，或者说模式
类别不是离散的而是连续的.普通的模式识
别问题在识别以前就可以划分出明确的模式
类别，每个模式类别有一定的特征，识别时
只要直接将未知样本和每个模式类别的模板
进行匹配即可得出结果.这种直接匹配是因为未知样本和模板等价.星图识别可以说是一种
动态的模式识别.随营星敏感器视场的变化，观测星星图所对应的导航星星图将呈连续的变
化，所以星图识别不能预先将导航星星图划分成离散的模式类别，而只能在匹配过程中动态
地寻一种划分另外在星图识别中，有些导航星可能没被观测到，而有些观测星又不是导
航星，所以观测星星图和导航星星图不等价，等价的只是它们的一个子集，因此无法直接将
观测星星图和导航星星图进行匹配.这种识别问题在飞行器视觉导航中也会遇到，如利用飞
行器拍到的一幅地面照片来确定飞行器所在的位置就是根据地形图来识别照片的问题，在这
里由于地形图只记录地形的主要特征，所以l照片与地形图也不是等_价的.这种没有明确模式
类别而且未知样本与模板不等价的识别问题可称为无类别模式识别，其模板称为总模板.在
识别过程中，总模板通过和未知样本的匹配生成若干个不相关的子集，称为匹配模板，匹配
模板生成以后，通过和未知样本的重复匹配逐步缩小，未知样本也同时缩小，直到两者完全
匹配.如星图识别问题，首先从观测星中任选一个星对，根据星等和角距在导航星中出匹
配的星对，导航星星对可能不止一个，这时以每个导航星星对的某个邻域作为匹配模板再和
观测星图比较，删掉不匹配的导航星和观澳【星，重复这个过程，直到导航星和观测星完全匹
配
星图一般以星等和星对角距为特征星等是根据恒星光谱型和光学探测器的敏感特性经细胞芯片
过纠正得到的仪器星等.由于仪器星等有较大的误差，而且有的恒星的星等无法得到，因而
泡钉星等只能作为星图识别的补充特征.而恒星的星对角距是可以精确测量的，它是星图识别的
主要特征.对于星对角距的微小误差可以设定一个门限值，门限值的大小取决于光学探测器
的灵敏度
星图识别算法F以采用星对匹配，星三角形匹配.由Junkins等人提出的星图识别算
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法[2]是单纯依赖于星对匹配的算法.这种算法需要多次重复匹配，并且只适用于局部星图
不用充电的手电筒识别.Bezooijen等人提出的星图识别算法[8]是从星图的整体几何特征出发，依据星等和星
对角距来进行星图识别.这种算法基本上不要重复匹配，而且适用于全天星阿识别.
Bezooijen算法分以下四步来做
根据星对匹配选择主星，建立匹配矩阵;
每颗主星组成一个星组，删除重复星组并对所有的星组进行几何检验;
镜象检验，导航星星图和它经过透镜后的观测星星图应具有镜象关系;
选择最大星组作为识别结果.
Bezooijen算法以主星为基础所建立的星组具有很大的重复性和不确定性.仅凭主星角
距不能唯一确定星图，从而产生许多伪匹配，需要进行几何特征检验.如果几何特征不匹
配，则要进行星组分裂.这种两步几何检验方法使得算法非常复杂，并且所需的运
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