一种高精度星敏感器用遮光罩

分析星敏感器在轨所受到的杂光的特点,对星敏感器常用的遮光罩结构进行分析和对比说明.给出一种结构简单、体积和重量较小的一级遮光罩,使用TracePro对其杂光抑制性能进行分析,给出其PST曲线及30°太阳入射角时的杂光在像面上的照度分布图.对该遮光罩进行了杂光实验,给出像面上A、B、C三区的杂光均值随太阳入射角的变化曲线.仿真分析结果与实验结果表明该遮光罩杂光抑制能力较好,可以满足星敏感器的杂光抑制要求.     

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.     

动态拖尾星图模拟算法研究

星图模拟技术是星图识别算法仿真和性能测试的基础.为了更好地模拟星敏感器在轨工作的情况,对星敏感器的软件开发以及自身性能进行有效的地面测试,提出一种动态拖尾星图模拟算法.该算法分为4个步骤:首先根据星敏感器指向在全天球范围内搜索导航星;接着利用小孔成像模型计算导航星在星敏感器成像面的投影位置;然后在考虑卫星运动引起的恒星拖尾的基础上,按照二维灰度分布规律置灰度值来模拟星像点像素;最后叠加杂散光背景及成像器件引起的噪声.提出的算法具有速度快、精度高及可实现性高等优点.     

交会对接光学成像敏感器遮光罩设计

遮光罩是交会对接光学成像敏感器中杂光抑制的重要组件,对有效提取目标点信息、保证敏感器定姿精度有重要作用.着重阐述了基于蒙特卡洛法的交会对接光学成像敏感器遮光罩设计,借助光学仿真软件进行仿真验证,并通过与试验结果进行对比,验证了遮光罩设计的有效性.     

星敏感器误差分析与补偿方法

星敏感器是目前航天器精度最高的姿态测量部件,其误差是影响姿态确定系统精度的关键要素.依据误差频率特性,系统地对星敏感器误差进行分析,主要阐述星敏感器低频误差和高频误差产生的原因以及当前的抑制与补偿方法.在此基础上,根据星敏感器误差的特点,展望星敏感器低频误差以及高频误差抑制与补偿方法的发展趋势.     

基于地标信息的星敏感器低频误差标定方法

针对星敏感器及其安装结构热变形等因素引起的星敏感器低频误差(LFE)影响卫星姿态确定精度的问题,提出了根据有效载荷提供的地标信息,采用最小二乘算法标定星敏感器低频误差的方法.考虑到卫星姿态确定系统是为有效载荷服务的,为了使卫星姿态确定系统输出的姿态信息与有效载荷相一致,从而准确反映有效载荷的指向变化情况,星敏感器低频误差的标定以有效载荷提供的地标信息为观测量进行.仿真结果表明,所提方法能够有效减弱星敏感器低频误差对卫星姿态确定精度的影响,从而提高卫星姿态确定精度.     

基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断

针对使用两个星敏感器进行姿态测量的三轴稳定控制系统,利用星敏感器输出值与陀螺输出值的解析冗余关系,通过设计两个滤波器实现对不同星敏感器的故障隔离.考虑到陀螺测量噪声以乘性噪声的形式出现在姿态运动学方程中,利用陀螺输出测量值和目标星敏感器的测量值,采用线性最小均方差估计器得到包含目标星敏感器故障信息的残差; 以无故障情况下残差的统计方差为基础得到阈值,通过检验残差评价值是否超过相应的阈值,实现对目标星敏感器故障的检测; 分别将两个星敏感器作为目标星敏感器,综合两个故障检测结果隔离故障.对星敏感器出现测量偏差和精度逐渐下降两种故障的仿真验证了该方法的有效性.     

新一代星敏感器遮光罩—— 碳纳米管遮光罩技术研究

针对目前星敏感器遮光罩普遍存在的尺寸和质量较大、杂光消除能力受限等问题,从提高吸光涂层吸光率入手,提出碳纳米管遮光罩新概念,研制一套钛合金基底生长碳纳米管涂层的新技术,使得涂层吸光率达到99%以上,并成功制作出可等效替代现有飞行产品遮光罩的碳纳米管遮光罩.通过真空原子氧、紫外辐照、高能粒子辐照、热真空、力学环境等各项空间环境实验,证明其空间环境适用性.与现有星敏感器遮光罩产品的杂光比对试验结果表明,使用碳纳米管遮光罩的星敏感器杂光灰度降低了56%,显示出杂光消除性能的优势.本文创新成果突破了碳纳米管技术在杂光消除领域实际应用的瓶颈技术,对促进星敏感器技术的提高具有重要的工程价值.     

星敏感器定标精度影响因素分析

介绍了星敏感器定标过程中多种因素对定标精度的影响,其中着重讨论了定标光源与待观测星的光谱非匹配对星敏感器定标精度产生的影响。通过数值模拟计算,定量分析了在0等星时由于不同色温光源与待测目标光谱非匹配所产生的测量误差。分析结果表明,光谱非匹配造成的星敏感器的定标误差最高可以达到0.323个星等。提出一种光谱可调谐光源实施方案,可以模拟任意光谱分布的星体并用于星敏感器定标,试验结果表明定标精度可以提升至0.62%以内。     

航天器天文导航中星敏感器最佳安装方位研究

航天器自主天文导航中,通常用星敏感器和地平仪测量的星光角距作为观测量,星敏感器安装方位角是影响导航精度的一个重要因素.针对星光角距作为观测量的自主天文导航方法,分别采用扩展卡尔曼滤波EKF(Extended Kalman Filter)和Unscented卡尔曼滤波UKF(Unscented Kalman Filter)2种滤波方法进行仿真计算,研究了星敏感器安装方位角对导航精度的影响规律,得出星敏感器的最佳安装方位角,并考察了其在不同轨道参数下的适用性,为星敏感器的安装和星敏感器视场内观测星的选取提供了依据.仿真计算表明,本结论对其它利用"星光+地平"的自主导航方法也适用.      

一种强散射杂光下的快速星点提取算法

火工品爆破法实现星箭分离时产生大量灰尘颗粒，星敏感器被强散射杂光干扰，导致上电初期，星敏感器长时间停留在全天球模式，无法实现姿态捕获.本文通过对散射杂光成像进行建模和分析，提出杂光条件下的星点图像与无杂光时的星点图像具有近似的能量分布特征，进而提出一种基于互相关系数的快速星点提取算法，可在强散射杂光条件下快速提取出有效的星点窗口图像，然后利用窗口提星算法提取出有效星点，最终实现快速姿态捕获.开展了不同杂光条件下的星点提取和姿态识别仿真，通过本文算法与原有算法做对比，验证了本文算法在不同工况下的星点提取能力和姿态捕获方面均具有优势.     

新一代空间交会对接光学成像敏感器

摘要： 为满足中国未来空间交会对接任务对光学成像敏感器工作能力尤其是杂光抑制能力的更高需求,研制新一代空间交会对接光学成像敏感器.该产品多项指标优于其上一代产品神舟八号CCD光学成像敏感器,测量距离由原来的150~2 m范围提升为250~0.9 m范围;目标捕获时间由10 s缩短为0.32 s;抗杂光干扰能力大幅提升,实现准全天候工作.该产品已在中国神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证,可在后续更好地服务中国空间站、探月三期等工程的交会对接任务.介绍该产品的测量原理、系统组成、地面试验和在轨工作表现等情况,并给出相应结论.     

星敏感器遮光罩消光比定量测试及数据处理方法

面向星敏感器在轨工作时的杂光抑制需求，开展星敏感器遮光罩消光比定量测试及数据处理方法研究。基于高灵敏度弱光探测组件、高精度电控转台以及太阳模拟器搭建杂光集成测试平台，在电控转台步进电机的驱动下实现不同光照角度时遮光罩消光比测量数据的实时获取。根据构建的数据处理模型计算获得遮光罩的消光比，并基于A类不确定度评定方法完成消光比测量的不确定度分析。从测量结果可以看到，在光照入射天顶角达到保护角30度时，消光比测量值达到10-6量级，在光照入射天顶角为54度时，消光比测量值达到10-7量级，且多次测量数据的变化规律基本一致。测量结果表明了测量方案的合理性和可行性，可为星敏感器系统方案设计、测试与评估提供重要的技术支持。     

星敏感器中快速星跟踪技术

跟踪模式是星敏感器的主要工作模式之一,跟踪过程的快速性直接影响星敏感器的整体性能.提出了一种快速星跟踪算法.在跟踪算法的3个耗时环节,分别采用了分区星表、阈值映射、先排序后匹配识别这3种方法,以提高跟踪过程的快速性.其中分区星表法将整个天区分成了若干个子天区,使得在星体映射时,只是搜索星敏感器视轴指向附近的部分子天区,而不是搜索整个天区,减少了搜索星体的数量;阈值映射法,在满足精确度的情况下,设置被跟踪星体的数量阈值,只有被跟踪的星体数目少于此阈值时,才进行星体映射,减少了映射次数;先排序后匹配识别法,先根据星体在星图中的坐标值进行排序,然后再进行匹配识别,减少了那些距离较大的无谓的星体间的匹配识别.仿真测试结果表明,这3种方法的采用,提高了跟踪算法的快速性,提高了星敏感器的整体效能.      

空间杂光对交会对接光学成像敏感器影响分析

CCD光学成像敏感器是交会对接最后靠拢段的关键测量敏感器,其在轨工作时,太阳和地球杂光可能会进入相机视场,影响敏感器的正常测量.提出通过杂光建模分析和地面杂光试验验证相结合的方法,评估和验证空间杂光对光学成像敏感器测量的影响,确定相机遮光罩设计指标要求,给出理论分析、地面及飞行试验结果.     

一种模拟CCD星图的方法

星识别算法在空间飞行器自主姿确定系统中是不可缺少的。同时将ＣＣＤ所拍摄的星图作为算法的输入,无论是软件调试还是地面试验,抑或是对各种算法的评估,也是必不可缺少。     

基于近场散射的颗粒粒径分布测量

针对传统的前向小角散射粒径测量系统中心光过强、杂散光干扰、散射角过小等缺点,本文采用一种新型的近场散射(NFS)方法测量前向小角散射光,研究并搭建了基于近场散射的颗粒粒径测量系统,将最大散射角提高到40.5°;在无需空白测量的情况下采用差分方法对透射光和散射光干涉成的散斑图像进行处理,有效去除中心光和杂散光的影响;对差分散斑图像进行快速傅里叶变换(FFT)频谱处理得到散射光强分布,利用Chahine算法对颗粒粒径进行了反演。最后,利用已知粒径(39.2μm和67.3μm)的标准颗粒对测量系统的准确性进行了单峰分布的验证,测量误差在5%之内;对于粒径为39.2μm和67.3μm的混合颗粒进行了双峰分布验证,在43.3μm和74.1μm处出现峰值,测量误差在10%左右。     

A robust star identification algorithm with star shortlisting

A star tracker provides the most accurate attitude solution in terms of arc seconds compared to the other existing attitude sensors. When no prior attitude information is available, it operates in “Lost-In-Space (LIS)” mode. Star pattern recognition, also known as star identification algorithm, forms the most crucial part of a star tracker in the LIS mode. Recognition reliability and speed are the two most important parameters of a star pattern recognition technique. In this paper, a novel star identification algorithm with star ID shortlisting is proposed. Firstly, the star IDs are shortlisted based on worst-case patch mismatch, and later stars are identified in the image by an initial match confirmed with a running sequential angular match technique. The proposed idea is tested on 16,200 simulated star images having magnitude uncertainty, noise stars, positional deviation, and varying size of the field of view. The proposed idea is also benchmarked with the state-of-the-art star pattern recognition techniques. Finally, the real-time performance of the proposed technique is tested on the 3104 real star images captured by a star tracker SST-20S currently mounted on a satellite. The proposed technique can achieve an identification accuracy of 98% and takes only 8.2?ms for identification on real images. Simulation and real-time results depict that the proposed technique is highly robust and achieves a high speed of identification suitable for actual space applications.