基于卷积曲面的动态实时星图模拟

多星模拟器可动态刷新显示变化的星空,是星敏感器测试的关键设备。在动态条件下星点成像发生拖尾,要求星模拟器能够准确、实时仿真拖尾星图。建立了动态拖尾星点的卷积曲面模型。该模型是星点光斑弥散函数与权重函数沿着星点运动轨迹的卷积,可描述以任意形式运动产生的拖尾星点。提出了一种基于卷积曲面的像素离散算法,解决了星图仿真实时性不够的问题。先将星点轨迹分割为多段,再计算得到每段轨迹对应形成的星点光斑的像素值,将所有星点光斑累加。所提算法将多重积分化简,使得仿真速度提高了一个数量级,多星模拟器的刷新率达30 Hz。      

甚高精度星模拟器星图显示与控制系统研究

为对甚高精度星敏感器进行地面标定和精度测试,提出甚高精度星模拟器的研制,其模拟精度应优于0.5″.在甚高精度星模拟器设计中,对星模拟器的星图显示与控制系统进行了重点研究.根据模拟精度要求,提出利用星点板作为星图显示器件.采用单点可控矩阵式LED照明系统作为星点板光源,完成小天区静态形式的动态星图模拟.通过设计星图显示控制系统,编写控制软件,实现每个LED的亮灭和灰度值控制,完成了星图变换和星等模拟.实验结果表明,星图显示精度小于0.5″,可以实现动态变换以及星等模拟,以满足对甚高精度星敏感器的地面标定和精度测试要求.     

一种基于三正交主轴平面的快速星图模拟方法

为在地面上进行星图模拟以测试星图识别算法和星敏感器性能, 提出了一种新的快速星图模拟方法. 该方法利用截面圆和固定区域的性质, 将单位天球按照三个正交主轴平面进行等分, 根据赤纬值求解恒星矢量与主轴平面夹角来确定选星条件, 进而根据坐标变换原理进行星图模拟. 为验证所提方法与现有方法相比的优势, 进行了大量的仿真实验. 实验结果表明, 与现有星图模拟方法相比, 本文方法在保证星图模拟精度的条件下, 选星速度提高了3倍以上.      

一种高动态条件下惯性星光组合定姿方法

针对高动态条件下星图拖尾导致惯性星光组合定姿精度下降甚至无法定姿的问题,提出了一种基于乘性扩展卡尔曼滤波的惯性星光深度组合姿态确定方法.利用星敏感器观测信息修正姿态误差,补偿陀螺漂移,并建立了陀螺输出的角度变化量与星图像移的关系,利用陀螺输出信息估计星图拖尾的模糊参数,采用维纳滤波复原方法对产生拖尾的星图进行复原以提高星图信噪比和观测精度.仿真结果表明该方法可以有效提高星像质心提取精度和星图识别率,对初始姿态误差修正更快,且不存在星图误匹配的情况,保证了惯性星光组合定姿方法在高动态条件下仍能保持较高的精度.     

基于特征图形匹配法的高效星图识别方法

针对目前星敏感器使用的星图识别算法存在的冗余匹配、匹配时间长、识别率低等缺点,对星图识别算法进行了研究,提出了一种高效星图识别方法。该算法首先对传统星表进行处理,取出冗余信息,重新分配天区,使每个天区的导航星数目均匀,将分区以及处理后的星表信息重新存储并作为导航星库,然后通过对拍摄的图像进行处理并提取特征信息,与导航星库中的特征信息进行匹配,从而改善传统星图匹配算法出现冗余匹配、匹配时间过长及识别率低等缺点。完成算法设计后,选取视场为15°×15°的大视场星敏感器,对该算法进行仿真验证分析,可以发现该算法可以实现部分天区与拍摄星图匹配时间在20ms以内,全天区星图的识别和匹配时间在15s以内,识别率达到98%以上,印证了该算法可以提高识别的成功率并且缩短识别时间,使识别算法具有高效性。     

星图运动模糊及其复原方法

研究了载体角运动及振动对星敏感器成像的影响,推导并建立了不同飞行状态下星图模糊的数学模型.在此基础上讨论了多重运动模糊机理,提出采用分步复原方案去除多重星图模糊,以保证高动态环境下星敏感器工作的精确性及稳定性.仿真结果表明,载体运动造成的星体质心提取误差与具体运动形式及参数有关,并通过比较复原前后星敏感器的定姿效果,验证了模糊星图分步复原方法的有效性.      

星敏感器导航星表建立

导航星表是星敏感器系统用来实现恒星星图识别和姿态确定的唯一依据,它的容量、内容、存储读取方式对于完成星敏感器功能和性能指标都极为重要．通过分析恒星在视场中的分布规律,建立起星表的完备性和冗余性与星敏感器视场内导航星的数量之间的关系,确定了导航星数量,提出了筛选导航星的原则和方法,为了实现星表的快速搜索,对导航星表的组织形式进行了详细讨论．构造一个由2510颗0～6等导航星组成的导航星表,满足了星敏感器星图识别和姿态确定的需求．     

一种快速全天星图识别算法

对星敏感器全天识别算法进行了研究,综合考虑三角形匹配识别法和四面体识别法的优缺点,提出一种改进的快速全天星图识别算法.该算法通过优化导航星对角距筛选方法,节省存储空间;同时引入K矢量法用于加快星图识别中角距匹配的速度;在三角形识别不唯一时,引入第四颗观测星进行四面体识别,提高识别成功率;并在三角形识别结束后增加投影验证功能以避免误识别.仿真结果表明,该算法合理有效,可节省存储空间,减小星图识别时间,提高识别正确率,具有很好的实用价值.     

大角速度条件下星像运动轨迹建模及误差评估

在大角速度条件下星敏感器成像平面上的星像会产生严重拖尾,影响星敏感器性能。为了全面认识星敏感器的星像运动轨迹形式,并定量评估星像运动对星点提取过程的影响,首先研究建立了星敏感器成像平面上星像运动轨迹的数学模型,推导出在成像平面上星像运动轨迹为一段圆弧;然后建立了星像运动时的能量分布模型,并对大角速度条件下基于质心法的星点坐标误差进行了评估,分析得到星点坐标误差的模近似可用星像运动轨迹长度的二分之一来衡量。仿真实验结果验证了所得结论的正确性。      

星敏感器光谱探测能力用地面模拟测试系统设计

为实现对星敏感器光谱探测能力的测试和标定, 研制了一套可模拟恒星光谱的地面标定系统, 要求其光谱模拟精度优于10%. 采用光谱分布可控、光强可调的模拟照明系统作为地面标定系统的核心器件来模拟恒星光谱变化, 设计高成像质量准直光学系统使模拟星图成平行光出射, 在光学系统出瞳处产生星图, 完成具有恒星光谱信息的高精度星图模拟. 进而利用Lighttools建立标定系统的光谱仿真模型, 仿真结果表明恒星光谱模拟精度优于10%.      

一种基于恒星分布的星敏感器导航星库制作方法

为了进一步提升星敏感器的定姿精度,分析了恒星的空间几何分布对姿态精度的影响,提出了一种基于恒星分布的星敏感器导航星库制作方法。在分析对比了现有星库的基础上,选择了精度较高的依巴谷星库作为基础星库,并剔除了暗星和双星以精简星库。遍历全天球对每个视场的星库中的空间几何分布进行分析对比,删除定姿较差的3颗星。对星库进行遍历补偿,保证了星库中恒星分布的均匀性。实验结果表明,全天球轨道测试中,本文方法制作星库的全天识别率为100%,且星颗分布数10颗以上天区占到97.64%,具有良好的覆盖性,同时有效提升了姿态精度。     

面向星敏感器测试的数字星模系统设计

分析星敏感器和数字星模系统的功能,描述数字星模系统的功能需求,提出数字星模系统的设计方法．数字星模系统由星图组件和通信组件组成,基于该系统,针对星敏感器进行静态和动态星图测试试验,并对试验的方法和结果进行分析说明．试验表明数字星模系统及其设计方法的正确性、有效性．     

卫星转动条件下APS星敏感器星像目标中心提取精度分析

 目前对星敏感器星像定位的研究多限于静态情况,而卫星转动过程中,在曝光期间星像在像平面不断移动,从而影响星像定位的精度,重点分析动态情况下APS星敏感器星像目标中心的提取精度。首先分析采用质心法计算星像目标中心的误差源,提出动态精度的估计方法,并推导相应的计算公式;进而以给定的APS星敏感器参数为基础,研究了计算窗口、曝光时间等精度影响因素的选择方法;最后通过仿真进行了验证。     

基于光星模拟器的星敏感器安装极性测试方法

针对目前星敏感器在整星上的安装极性无法被直接测试的问题，提出了基于光星模拟器的星敏感器安装极性测试方法,从物理和数学两方面阐述了该测试方法的原理，设计了星敏感器安装极性的操作方法和相应的判据。提出了可测性指标的概念，并通过对星敏感器极性和星敏感器安装极性分别进行可测性分析，证明了该方法的有效性。整星电测试结果表明，该方法操作简单，效果直观，可广泛应用。     

星敏感器调焦方法研究

调焦是星敏感器产品设计生产的一个关键环节.精确的调焦可以提高星敏感器的灵敏度和测量精度,保证星敏感器的性能指标.从焦点位置、光轴与芯片法线不重合、芯片安装精确度、质心稳定性等方面分析了影响调焦的各种因素,总结出调焦方法.     

高动态下的星体目标质心提取方法

高动态情况下,星点像斑在星敏感器探测器上会呈现出拖尾现象,星点质心无法被准确提取。针对上述难点,本文提出了一种高动态条件下基于差异哈希算法的星点质心提取方法。该方法分为三步：第一,建立动态星斑的数学模型;第二,利用差异哈希算法和汉明距离实现星跟踪窗口内星体目标粗定位;第三,在粗定位区域使用阈值分割与连通域法提取星点质心。实验结果表明,该方法能够适应各种长度的曝光时间,并实现星敏感器在3（°）/s条件下的稳定跟踪。在曝光时间50ms,角速度3（°）/s的条件下,星对角距误差为13”,平均提取率为96%,相比于传统方法,分别提高了29.6%和22.9%。     

近地空间短波红外恒星探测信噪比分析方法

针对星敏感器在近地空间导航应用需求,开展了短波红外恒星探测信噪比分析方法研究。基于恒星目标与天空背景辐射特性,构建了恒星探测信噪比模型,并结合光学系统及图像传感器参数完成了仿真试验。结果表明,同一星等及太阳天顶角下,Ks波段下的恒星探测信噪比最大,H波段次之,J波段最小;同一太阳天顶角及波段下,星等越小,恒星探测信噪比越大;同一星等及波长下,太阳天顶角越大,即恒星与太阳之间角距越大,恒星探测信噪比越大。本文可为新一代近地空间全天时星敏感器系统的方案设计、指标论证、评估应用提供可靠的理论方法与技术支持。     

高动态条件下星点像斑建模与补偿

高动态条件下星点提取有两个难点：一是暗弱星点目标湮没在噪声中不易识别，质心定位精度较差；二是星点像斑可能断裂，无法用常用的连通域算法提取。针对上述难点，本文建立了高动态条件下星点像斑模型，提出了基于该模型的像斑补偿与质心定位提取算法。该方法分为四步：第一，利用卡尔曼滤波实现星点像斑静态模板的实时迭代；第二，基于静态模型与星点运动模糊模型建立星点像斑动态模型；第三，以动态模型作为模板在恒星跟踪窗口内进行相关性匹配以确定星点像斑位置；第四，基于动态模型补偿星点像斑，并计算质心位置。实验结果表明，该方法能有效解决高动态条件下暗弱星点提取与断裂残损星点修复问题。相比传统算法，姿态精度误差均值减少了40.9%，最大误差减少了81.2%；星点提取率达到100%，提高174.5%，提取星数相比阈值分割与连通域法提高了173%。