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大视场CCD星图处理方法研究

大视场CCD星图处理方法研究

作者：蒋梦源中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

学位级别：硕士

照相天顶筒作为一种天文测地仪器,多数仪器的视场不足1°。目前国家授时中心已投入观测的照相天顶筒视场为1°左右,由于大视场照相天顶筒可以拍摄到更多星像,提高观测地点铅垂线的解算精度,因此中国科学院国家授时中心委托国内相关单位... 详细信息

照相天顶筒作为一种天文测地仪器,多数仪器的视场不足1°。目前国家授时中心已投入观测的照相天顶筒视场为1°左右,由于大视场照相天顶筒可以拍摄到更多星像,提高观测地点铅垂线的解算精度,因此中国科学院国家授时中心委托国内相关单位正在研制的新型照相天顶筒视场增大到2°.34。随着视场增大,像差、视场畸变、投影误差等会进一步增大,对于小视场采用的理想切平面投影方法需要进行改进。本文分析比较了多种星图处理方法,利用照相天顶筒拍摄的实际星图进行实验,进而探索出适用于大视场CCD星图的处理方案。星图处理工作包括星像质心提取和星图识别,其中星像质心提取是为了得到高精度的星像质心的量度坐标,星图识别是根据星像和参考星的位置信息进行特征匹配,得到星像与参考星的对应关系。在星像质心提取方面,经分析比较高斯滤波、中值滤波的效果,认为高斯滤波更适合CCD星图处理;根据星像与噪声的灰度特征,采用阈值分割提取星像区域;在星像质心提取中比较不同的质心算法,结果表明加权质心法计算的星像质心位置更稳定且效率更高。在星图识别工作中,研究并实现了三角形算法进行星图识别。星像质心位置是在二维的底片坐标系中量度的,参考星的视位置是在三维球面坐标系中描述的,在利用三角形算法识别前,需先进行坐标系转换。对此研究了先将参考星投影到理想切平面后再利用三角形算法进行识别的方案,对于理想切平面投影,分别采用了投影公式法和MDS算法。同时研究了先将星像转换到三维天顶筒坐标系下后再利用三角形算法进行识别的方案。最后利用观测数据,对多种识别方案进行比较,结果表明先将星像转换到三维天顶筒坐标系下后再利用三角形算法进行识别的方案能够获得更好的位置解算精度。

关键词：星图处理星图识别坐标系转换天文定位

星图处理算法的初步研究及一体化组合导航的电路设计

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星图处理算法的初步研究及一体化组合导航的电路设计

作者：徐侨荣浙江大学

学位级别：硕士

一体化、小型化的星光／惯性组合导航系统是导航研究领域中一个重要的发展方向，也是目前我国导航应用方面所急需解决的难题。星图处理和导航系统的硬件设计均为星光／惯性组合导航系统的核心技术，因此开展该两项技术的研究具有极高的... 详细信息

一体化、小型化的星光／惯性组合导航系统是导航研究领域中一个重要的发展方向，也是目前我国导航应用方面所急需解决的难题。星图处理和导航系统的硬件设计均为星光／惯性组合导航系统的核心技术，因此开展该两项技术的研究具有极高的工程应用价值。本文的主要工作包括星图处理算法的初步研究及一体化组合导航的电路设计。星图处理算法的初步研究主要包括对星图处理各组成部分的分析、算法开发及仿真试验;一体化组合导航的电路设计主要包括一体化组合导航的电路板设计及板上通信管理系统设计。论文主要分为两个部分，第一部分：星图处理算法的初步研究，包括第二、三章;第二部分：一体化组合导航的电路设计，包括第四、五章。其各章内容安排如下：第一章：简述了星光导航的工作原理、现状及发展趋势，提出本课题的研究内容及其研究意义，并简要介绍了本文的创新点。第二章：分析了CCD相机的噪声特性，阐述了星图维纳滤波处理的原理和效果，并系统地介绍了本课题所开发的星图分割算法及基于匹配查询和单点相关运算的伪星识别算法的组成、工作原理、算法实现及仿真试验。第三章：详细介绍了本课题所开发的查表高斯拟合亚象元细分定位算法及基于多维三角形向量的双次检测识别算法的组成、算法的实现及仿真试验。第四章：系统地介绍了一体化组合导航电路板的各组成部分的设计，包括一体化组合导航电路板的总体架构设计、供电电源设计、电路板的层次结构设计、信号完整性仿真及电路板的设计结果。第五章：详细介绍了一体化组合导航的板上通信管理系统的设计及FPGA实现，主要包括整个通信管理系统的总体架构设计、系统的各外部通信管理单元设计、板间SPI通信管理模块设计、总控制单元的设计及系统的综合实现。第六章：总结和展望。本文的创新之处在于：提出了查询匹配结合单点相关运算的伪星识别算法，并利用星图的一维数组转换算法简化了对恒星星点的相对位置的描述;提出了高精度、快速定位的查表高斯拟合算法。

关键词：星光导航星光/惯性组合导航星图处理匹配识别组合导航电路设计信号完整性仿真

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视频测量机器人在野外天文测量中的应用

测绘科学技术学报 2018年第2期35卷 153-158页

作者：时春霖叶凯张超袁晓波韩忠信息工程大学 61206部队中国天绘卫星中心

测量自动化是未来天文作业的发展方向。针对现有的天文测量系统仍需人眼观测恒星的缺陷,基于视频测量机器人TS50i的工作模式,详细介绍了其相关参数和关键技术,提出了利用TS50i代替传统全站仪进行自动天文测量的方法。采用星图处理方法... 详细信息

测量自动化是未来天文作业的发展方向。针对现有的天文测量系统仍需人眼观测恒星的缺陷,基于视频测量机器人TS50i的工作模式,详细介绍了其相关参数和关键技术,提出了利用TS50i代替传统全站仪进行自动天文测量的方法。采用星图处理方法解算室内观测模拟数据,验证了基于其视频测量特点的星点提取算法的适用性,其室内模拟实验横纵方向的星点提取精度分别达到0.010和0.011像素。基于大量室外观测结果表明:以视频测量机器人为平台的自动天文测量具有可靠性和准确性,经纬度定位精度达到分别优于0.24″和0.22″,可以满足野外高精度的天文测量要求。

关键词：视频测量机器人自动天文测量星图处理单峰直方图阈值分割

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采用最大背景估计的星敏感器图像处理方法

激光与红外 2017年第7期47卷 889-895页

作者：余路伟毛晓楠周琦金荷胡雄超朱虹张晴上海航天控制技术研究所上海200233 中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心上海200233 上海应用技术大学计算机科学与信息工程学院上海201418

星图处理是星敏感器运行的基础,而杂光干扰是影响星敏感器图像处理的主要因素之一,是算法设计需要重点考虑的干扰源。为消除杂光干扰的影响,通过分析星图中目标及背景的特征,根据星点二维高斯分布模型构造了权值参考函数,改进了最大化... 详细信息

星图处理是星敏感器运行的基础,而杂光干扰是影响星敏感器图像处理的主要因素之一,是算法设计需要重点考虑的干扰源。为消除杂光干扰的影响,通过分析星图中目标及背景的特征,根据星点二维高斯分布模型构造了权值参考函数,改进了最大化背景估计模型,设计了欧几里德四象限旋转对称的掩模,辅以图像分割、去噪,构成采用最大背景估计的星敏感器图像处理算法。另外采用了星点提取率、虚警率、极限探测星等、单星定位精度和仿真时序综合评价星图处理算法性能。实验证明该图像处理算法星点提取率高、虚警率低、单星定位精度高、抗杂光干扰性能优异且具有通用性。

关键词：光学测量星点背景估计最大化背景模型星图处理抗杂光星敏感器

基于动态序列噪声模板的主动式像素传感器星图去噪方法

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光学学报 2019年第3期39卷 281-289页

作者：谢俊峰朱红李品莫凡李响国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心北京100048 辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新123000

提出了一种基于动态序列噪声模板的主动式像素传感器(APS)星图去噪方法。该方法利用短时静态背景噪声与随机噪声阈值构建动态序列噪声模板,实现了对APS星图数据的去噪处理。以ZY-3卫星的APS原始星图作为实验数据进行研究,结果表明所提... 详细信息

提出了一种基于动态序列噪声模板的主动式像素传感器(APS)星图去噪方法。该方法利用短时静态背景噪声与随机噪声阈值构建动态序列噪声模板,实现了对APS星图数据的去噪处理。以ZY-3卫星的APS原始星图作为实验数据进行研究,结果表明所提方法能很好地剔除条带和边缘噪声。与传统去噪处理方法相比,所提方法的星图质心提取精度提升了约12.98″;与全局阈值分割法相比,所提方法的星图质心提取精度提升了约2.16″;与静态背景噪声方法相比,所提方法的星图质心提取精度提升了约9.64″。这充分表明所提方法可有效提升APS恒星质心定位精度,适用于事后姿态处理。

关键词：机器视觉主动式像素传感器动态背景星图处理质心提取星对角距

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一种高噪音情况下的星点聚心算法

光电工程 2010年第12期37卷 6-10页

作者：刘太阳王仕成刘志国杨建业第二炮兵工程学院科研部研究所西安710025 第二炮兵工程学院301教研室西安710025

针对严重噪音污染情况下星图的星点聚心问题,提出一种利用子窗口灰度分布判别全局背景阈值的聚心算法。根据星图特性在星图中随机选择一定数量和大小的子窗口,统计每个子窗口灰度分布并计算离散度,根据计算结果判断子窗口是否适合背景... 详细信息

针对严重噪音污染情况下星图的星点聚心问题,提出一种利用子窗口灰度分布判别全局背景阈值的聚心算法。根据星图特性在星图中随机选择一定数量和大小的子窗口,统计每个子窗口灰度分布并计算离散度,根据计算结果判断子窗口是否适合背景阈值计算,决定是否重新进行窗口选择,使得计算出的背景阈值能更真实的反映全局背景信息,并通过带阈值的质心平方加权算法进行星点聚心运算。仿真实验表明,算法具有较好性能和一定的抗干扰性。

关键词：星图处理星点聚心灰度判别阈值确定

基于SINS/CNS组合状态下的CNS系统环境误差补偿技术研究

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基于SINS/CNS组合状态下的CNS系统环境误差补偿技术研究

作者：马新华哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System,SINS）可以在不受外界信息辅助仅仅依靠自身的传感器就能实现全球化全天候的导航,但是惯性导航具有随时间误差积累的缺点,必须与其它导航系统如天文导航系统（Celestial Navig... 详细信息

捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System,SINS）可以在不受外界信息辅助仅仅依靠自身的传感器就能实现全球化全天候的导航,但是惯性导航具有随时间误差积累的缺点,必须与其它导航系统如天文导航系统（Celestial Navigation System,CNS）组合来提高系统导航精度。目前,卫星、飞行器等载体应用SINS/CNS组合导航方案,而船载组合导航系统由于环境误差的影响限制了SINS/CNS组合导航方案应用。比如星敏感器需要在外界信息辅助下才能实现定位,这就会引入误差;船舶高机动运动以及自身振动甚至撞击引起的星图模糊、星敏感器采集星图时大气折射所引入的环境误差;以及船载环境下只能实现晚上晴朗天气下的导航,白天或阴天星敏感器无法工作等。因此,研究船载SINS/CNS组合导航状态下环境误差影响及校正方法就变得十分重要,本文主要针对星图模糊引入的导航误差及组合导航系统误差进行深入的研究。本文深入分析了外界辅助水平姿态信息误差和位置误差对星敏感器的定位或定姿精度的影响,提出了一种惯导/星敏感器的组合导航方案,以速度、位置、姿态等误差作为状态量,姿态误差为观测量,构造组合导航系统模型,通过卡尔曼滤波对上述误差影响进行系统校正。并在MATLAB平台上对所提出的方案进行了仿真验证分析,试验结果验证了该方案正确性和有效性。由于船载环境的特殊性,船舶在海上行驶受到海浪、大风的影响,尤其是战争状态时,船体不规则的振动、高速旋转、快速机动等运动状态都可能会使星敏感器在采集星图时遇到星图模糊的情况,为了达到25帧/s的星图处理速度和512×512像素的处理精度,提出了1DWF（One-dimensional Wiener Filter）星图模糊处理算法,该算法根据惯导提供的载体此时的运动信息,沿载体运动方向在CCD传感器中的角度将二维星图划分为N个一维的M像素序列,对每一个像素序列进行一维维纳滤波,每一个像素表示时间,每一个像素值表示这个时间上的值,最后将处理后的像素序列按照原来的方式组合在一起,生成一幅处理后的图像,经过仿真实验分析,这种算法不但能够解决星图模糊问题,效率也大大提高。最后,针对所提出的组合导航方案和模糊星图的处理方式,设计并进行了实船试验,实验在晚上的湖面进行,分为静态和动态试验,静态实验用来解算安装误差,动态试验用人工模拟船舶高机动运动情况,并对试验结果进行了深入的分析,试验结果验证了该SINS/CNS组合导航方案和星图处理算法的有效性。

关键词：组合导航星敏感器惯性导航环境误差星图处理

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基于改进的Ly算子的快速星图质心确定方法

测绘科学 2012年第1期37卷 128-130页

作者：施群山徐青槐慧临卞春夺蓝朝桢邢帅信息工程大学测绘学院海军91206部队 65015部队

Ly算子是摄影测量中应用较多的一种点特征提取算子,它的解算速度快、抗噪能力强,但精度较低;而质心法是星图质心确定中比较具有代表性的方法,但它对噪声敏感,星图较大时,效率不高。根据Ly算子特点,本文在对Ly算子改进的基础上,提出了基... 详细信息

Ly算子是摄影测量中应用较多的一种点特征提取算子,它的解算速度快、抗噪能力强,但精度较低;而质心法是星图质心确定中比较具有代表性的方法,但它对噪声敏感,星图较大时,效率不高。根据Ly算子特点,本文在对Ly算子改进的基础上,提出了基于改进的Ly算子的快速星图质心确定方法,实验结果表明,该方法在信噪比较低、星图较大的情况下,较传统质心法解算速度更快、定位精度更高、抗噪能力更强;较带阈值的质心法,解算精度相当,但解算速度更快。

关键词：星图处理 Ly算子质心法

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基于高斯分布的星点图像亚像元定位算法研究

光学技术 2011年第1期37卷 57-61页

作者：李光蕊陕西教育学院数理工程系西安710061 中国科学院研究生院北京100039

应用高斯点分布函数为数学模型,提出了一种新的获取高精度恒星质心位置的方法。由于入射到星像点邻域内像元中的光子能量呈近高斯分布,因此利用成像邻域内像元强度的比值,将高斯点分布函数展开成为关于质心位置的多项式,可将质心位置在x... 详细信息

应用高斯点分布函数为数学模型,提出了一种新的获取高精度恒星质心位置的方法。由于入射到星像点邻域内像元中的光子能量呈近高斯分布,因此利用成像邻域内像元强度的比值,将高斯点分布函数展开成为关于质心位置的多项式,可将质心位置在x、y轴方向分别计算出来,并利用从星图中提取出的多星对角距误差的统计值来间接验证提出的算法。试验结果表明,该算法的定位精度达到1/33个像元,相比一阶矩法提高了大约两倍,表明该算法能够在不增加算法复杂度的前提下有效地提高质心的定位精度。对质心位置观测相机姿态精度的影响做了分析。结果表明,提出的质心算法能够有效地提高观测相机的姿态定位精度。

关键词：亚像元质心算法高斯点分布函数星图处理 CCD相机姿态确定