تحلیل و بهبود الگوریتم شناسایی ستاره مبتنی‌بر تجزیة مقدار تکین برای حسگر ستاره

زاهدنمازی, منا; طلوعی, علیرضا

doi:10.30699/jsst.2023.1445

نوع مقاله : مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

¹ دکتری، دانشکده فناوری های نوین و مهندسی هوافضا، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

² دانشیار، دانشکده مهندسی فناوری های نوین و مهندسی هوافضا، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

https://doi.org/10.30699/jsst.2023.1445

چکیده

یکی از حسگرهای تعیین وضعیت برای فضاپیما حسگر ستاره است. محاسبة وضعیت توسط حسگر ستاره شامل چندین گام است: پردازش تصویر، شناسایی ستاره، جستجو در پایگاه‌داده و پیاده‌سازی الگوریتم تعیین وضعیت. این مقاله به تحلیل و بهبود الگوریتم شناسایی ستاره مبتنی‌بر تجزیة مقدار تکین می‌پردازد. به‌منظور بهبود نتایج شناسایی، اصلاحاتی در الگویتم‌ انجام شده است. همچنین، تحلیل و شبیه‌سازی به‌منظور بررسی تأثیر ابعاد میدان دید و تعداد ستارگان مورد استفاده بر نتایج شناسایی و نرخ مجموعه‌های تکراری در پایگاه‌داده ارائه شده است. علاوه‌بر این، شناسایی به‌عنوان یک فرآیند دو مرحله‌ای براساس مقادیر و بردارهای تکین درنظرگرفته شده است. نتایج، برتری الگوریتم بهبود یافته در افزایش نرخ شناسایی و کاهش نرخ مجموعه‌های تکراری در پایگاه‌داده را نشان می‌دهد. نرخ شناسایی الگوریتم بهبود یافته در میدان‌های دید 〖۱۰〗^°×〖۱۰〗^° و 〖۱۲〗^°×〖۱۲〗^°، همواره بالاتر از ٪97 است. شبیه‌سازی‌ها براساس کاتالوگ ستاره‌ای هیپارکوس برای ستارگان روشن‌تر از قدر 5/6 و با استفاده از نرم‌افزار متلب انجام شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

سیستم‌های مکان‌یابی جهانی و ناوبری GPS)، GLONASS، GALILEO

عنوان مقاله [English]

Analysis and Improvement of Star Identification Algorithm Based on Singular Value Decomposition for Star Sensor

نویسندگان [English]

Mona Zahednamazi ¹
Alireza Toloui ²

¹ Ph.D., Faculty of New Technologies and Aerospace Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

² Associate Professor, Faculty of New Technologies and Aerospace Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

One of the attitude sensors for the spacecraft is the star sensor. The attitude calculation by the star sensor includes several steps: image processing, star identification, database search, and implementation of the attitude determination algorithm. This paper presents analysis and improvements on the star identification algorithm based on singular value decomposition. To improve the identification results, modifications have been made to the algorithm. Also, analysis and simulation are presented to investigate the effect of field of view dimensions and the number of stars used on the identification results, and the rate of duplicate sets in the database. In addition, identification has been considered a two-step process based on singular values and vectors. The results show the superiority of the improved algorithm in increasing the identification rate and reducing the rate of duplicate sets in the database. The identification rate of the improved algorithm in 〖10〗^°×〖10〗^° and 〖12〗^°×〖12〗^° fields of view dimension is always more the %97. The simulations were performed based on the Hipparcos star catalog for stars brighter than magnitude 6.5 and using MATLAB software.

کلیدواژه‌ها [English]

Star sensor
Star identification
Singular value decomposition
Lost-in-space identification algorithm

مراجع

[1] A. Saeidi, N. Rahbar, and M. A. Alirezapouri. "Usinge The qEKF Algorithm for Satellite Attitude Estimation with Two Magnetometer & Sun Sensors," Journal of Space Science and Technology, vol. 14, no. 3, pp. 65-73, 2021. doi:10.22034/jsst.2021.1128.

[2] M. Shamirzaei, and M.Mirshams. "Inertial navigation position error estimation, using vision system," Journal of Space Science and Technology, vol. 14, no. 3, pp. 75-90, 2021, doi: 10.22034/jsst.2020.1270.

[3] M. Ebrahimi Kachoie, M. Arbabmir, and M. Norouz. "A Survey on Vision Navigation Methods for UAV Navigation Applications," Journal of Space Science and Technology, vol. 10, no. 2, pp. 33-52, 2017.

[4] G. Zhang, "Star Identification: Methods, Techniques and Algorithms". Springer, 2016.

[5] M. Zahednamazi, A. Toloei, and R. Ghasemi, "Simulation of database search algorithms towards star-identification speed enhancement," Aerospace Knowledge and Technology Journal, vol. 11, no. 1, pp. 115-130, 2022.

[6] B.B. Spratling IV, and D.Mortari, "A survey on star identification algorithms". Algorithms, vol.2 no.1, pp.93-107, 2009, https://doi.org/10.3390/a2010093.

[7] A. Toloei, M. Zahednamazi, R. Ghasemi, and F.Mohammadi, "A comparative analysis of star identification algorithms", Astrophysics and Space Science”, vol.365, no.4, pp.1-9, 2020, https://doi.org/10.1007/s10509-020-03775-9.

[8] M. Zahednamazi, A. Toloei, and R. Ghasemi, "Different types of star identification algorithms for satellite attitude determination using star sensor," Aerospace Systems, vol. 4, no. 4, pp. 315-321, 2021, https://doi.org/10.1007/s42401-021-00093-y.

[9] A. Toloei, M.S. Arani, and M. Abaszadeh, "A new composite algorithm for identifying the stars in the star tracker", International Journal of Computer Applications, vol.102, no.2, 2014.

[10] M.S. Arani, A. Toloei, and Z. Eghbaleh, "A geometric star identification algorithm based on triple triangle pattern", In 2015 7th International Conference on Recent Advances in Space Technologies (RAST), IEEE, pp. 81-85, 2015, doi: 10.1109/RAST.2015.7208320.

[11] Cole, C.L. and Crassidis, J.L., "Fast star-pattern recognition using planar triangles," Journal of guidance, control, and dynamics, vol. 29, no. 1, pp. 64-71, 2006, https://doi.org/10.2514/1.13314.

[12] D. Mortari, M.A. Samaan, C. Bruccoleri, and J.L. Junkins, "The pyramid star identification technique," Navigation, vol. 51, no. 3, pp. 171-183, 2004, https://doi.org/10.1002/j.2161-4296.2004.tb00349.x.

[13] H. Sedaghat, A. Toloei, and H. Ghanbarpour, "Automatic Star Identification Using Triangle Base and Increase Search Speed" Space Science and Technology, vol.4, no.4, pp. 83-92, 2012.

[14] J. N. Juang, H.-Y. Kim, and J. L. Junkins, "An efficient and robust singular value method for star pattern recognition and attitude determination," The Journal of the Astronautical Sciences, vol. 52, pp. 211-220, 2004, https://doi.org/10.1007/BF03546429.

[15] Sun, Fei, and Xinhong Li. "Star Chart Recognition Algorithm Based on Singular Value Decomposition," In 2021 IEEE 5th Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference (IAEAC), vol. 5, pp. 124-129. IEEE, 2021, https://doi.org/10.1109/IAEAC50856.2021.9391032.

[16] J. N. Juang, and Y.-C. Wang, "Further studies on singular value method for star pattern recognition and attitude determination," The Journal of the Astronautical Sciences, vol. 59, pp. 370-380, 2012, doi: 10.1007/s40295-013-0023-4.

[17] H. Yin, X. Song, and Y. Yan,. "Robustness analysis and improvement of singular value decomposition algorithm for autonomous star identification" Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol.229, no. 10, pp.1757-1770, 2015, https://doi.org/10.1177/0954410014560181.

[18] M. Liu, X. Wei, D. Wen, and H. Wang, "Star identification based on multilayer voting algorithm for star sensors," Sensors, vol. 21, no. 9, p. 3084, 2021, https://doi.org/10.3390/s21093084.

[19] K.Kim, and H. Bang. "Algorithm with patterned singular value approach for highly reliable autonomous star identification." Sensors, vol.20, no. 2, pp.374, 2020, https://doi.org/10.3390/s20020374 .

[20] L. Wu, Q. Xu, J. Heikkilä, Z. Zhao, L. Liu, and Y. Niu, "A star sensor on-orbit calibration method based on singular value decomposition," Sensors, vol. 19, no. 15, p. 3301, 2019, https://doi.org/10.3390/s19153301.

[21] H. Johnston, C.Leake, M.M. de Almeida, and D.Mortari. "Recursive Star-Identification Algorithm Using an Adaptive Singular-Value-Decomposition-Based Angular-Velocity Estimator," Journal of Spacecraft and Rockets vol.58, no. 4, pp.1138-1148, 2021, https://doi.org/10.2514/1.A34869.

[22] N. Muller, L. Magaia, and B.M.Herbst, "Singular value decomposition, eigenfaces, and 3D reconstructions," SIAM review, vol.46 no. 3, pp.518-545, 2004, https://doi.org/10.1137/S0036144501387517.

[23] J. Shen, "On the singular values of Gaussian random matrices" Linear Algebra and its Applications, vol.326, no. (1-3), pp.1-14, 2001, https://doi.org/10.1016/S0024-3795(00)00322-0.

[24] H.B. Liu, and et al,"Angular velocity estimation from measurement vectors of star tracker," Applied optics, vol.51, no. 16, pp. 3590-3598, 2012, https://doi.org/10.1364/AO.51.003590.

علوم و فناوری فضایی

تحلیل و بهبود الگوریتم شناسایی ستاره مبتنی‌بر تجزیة مقدار تکین برای حسگر ستاره

مراجع

مراجع

دوره 16، شماره 4 - شماره پیاپی 59
دی 1402
صفحه 57-70

تحلیل و بهبود الگوریتم شناسایی ستاره مبتنی‌بر تجزیة مقدار تکین برای حسگر ستاره

مراجع

مراجع

دوره 16، شماره 4 - شماره پیاپی 59دی 1402صفحه 57-70

دوره 16، شماره 4 - شماره پیاپی 59
دی 1402
صفحه 57-70