深空自主导航光学敏感器及其验证

利用光学导航敏感器进行深空自主导航在国际上已成为一种发展趋势,这种方法具有自主性强、精度高、节约成本等优点,且距离地球越远越显优势.在国内首次开展了用于深空巡航段的自主光学导航敏感器设计研制和验证工作,所研制的光学导航敏感器原型样机设计技术指标为:焦距953.8mm,视场角0.8°×0.8°,探测极限灵敏度12Mv,测量精度0.5″(1σ),动态范围100∶1.试验室测试和外场观星试验的结果表明,测量精度达到0.5″(1σ),探测极限灵敏度达到12.5Mv,技术指标全部满足要求.     

自旋卫星用数字式太阳敏感器

本文介绍了一种中等视场、中等精度的数字式太阳敏感器,用于对太阳定向的自旋稳定的卫星中.文中介绍了探头的结构和线路的研制,阐述了敏感器的设计依据,并对探头的输出波形和敏感器的精度作了一定的分析.敏感器的视场为31.5°,过渡精度优于0.2°.     

深空探测器大口径天线指向在轨标定方案

基于深空探测器配备的大口径天线的指向精度要求,给出了一种深空探测器大口径天线在轨指向的标定方案,以解决深空探测器安装的大口径天线的在轨指向评价问题。通过对飞行器特点和约束条件的分析,结合"嫦娥4号"中继星天线的具体情况,采用星地协同工作的方法,给出了天线指向在轨标定的方案,并明确了标定的实施流程,最后对标定过程中的误差情况进行了分析。本方案可推广应用于其他深空探测器大口径天线指向标定方案的设计。     

基于视线矢量的深空自主导航算法研究

针对深空探测器在行星际飞行的轨道确定问题, 研究了一种基于视线矢量的自主导航算法. 结合深空探测任务的特点, 以太阳视线矢量和地球视线矢量作为导航系统的观测量, 在详细分析太阳敏感器测量原理的基础上, 给出了太阳视线矢量的观测模型及其观测误差表达式. 通过分析导航相机观测原理, 给出像元像线观测模型, 并推导了地球视线矢量的观测误差. 根据惯性空间内视线矢量间的几何关系, 详细推导了探测器的位置矢量及其误差表达式, 结合非线性扩展卡尔曼滤波建立自主导航算法. 利用深度撞击任务的实际飞行数据对本文提出的深空自主导航算法进行了仿真验证.      

内外参数精确建模的太阳敏感器标定

对数字式太阳敏感器标定,现有的多项式拟合和只有内部参数的简单建模方法标定精度低,为提高标定精度,提出一种基于内外参数精确建模的标定方法.通过分析太阳敏感器标定系统的内外参数,建立太阳敏感器标定模型,基于太阳模拟器和两轴转台获取标定点数据,采用最小二乘法分两步优化得到各模型参数.该方法不需要太阳光线与太阳敏感器成像面的初始对准,操作方便,同时通过精确分离太阳敏感器内外参数,避免了标定系统外部参数误差对太阳敏感器内部参数标定的影响,且通过两步优化,进一步提高了太阳敏感器的标定精度.实验结果表明:该方法的标定精度达0.005°(±60°视场),比常用的标定方法的标定精度(0.02°)提高约4倍.      

一种基于太阳自转轴观测角的新型天文导航方法

针对太阳探测器,提出一种基于太阳自转轴观测角的新型天文导航方法,通过光谱仪测量太阳圆盘面边缘上两组连线互相垂直点的速度差值,建立速度差值与太阳自转轴观测角的数学模型,并以该观测角作为量测量来提供探测器的位置信息。仿真结果表明:相较于传统以太阳视方向作为量测量的导航方法,以太阳自转轴观测角作为量测量的新型天文导航方法的导航精度提高了17.4%。此外,还分析了测速敏感器精度、滤波周期和轨道倾角对导航性能的影响,为深空探测自主导航提供了新的理论与方法。     

多敏感器卫星姿态确定的联邦滤波器设计

针对由惯性测量组件、星敏感器、数字式太阳敏感器和红外地球敏感器构成的卫星姿态确定系统 ,提出采用联邦滤波器进行信息融合。设计了多敏感器信息融合的联邦滤波器结构和算法 ,推导了卫星姿态确定的误差状态方程和各子系统的量测方程。仿真分析结果表明 ,采用联邦滤波器对多敏感器卫星姿态确定系统进行信息融合 ,能够以较小的计算量实现高精度的信息融合 ,并且还能使高精度的信息融合具备容错性能     

一种深空粒子采样返回探测器构型设想

以太阳风粒子、深空尘埃等为目标的采样返回探测任务是空间科学与深空探测研究的热点方向之一。对“星尘号”“起源号”两个典型采样返回探测器的构型进行了分析,并梳理了其主要构型特点。结合我国月地高速再入返回飞行器的构型特点,提出了一种深空粒子采样返回探测器构型的设想：总体构型由长方形主体和流线型返回器组成,主体构型适应于承载返回器和其他装器设备,返回器构型适应于样品收集和再入返回气动外形。设计方案采用了充气式采样器进行粒子收集,具有体积小、重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施简单等特点,并采用了可重复收拢展开的太阳翼,能够适应收集不同类型深空粒子的需求。     

离轴反射式星敏感器地面标定设备光学系统设计

在星敏感器随航天器升空完成姿态测量任务之前,需在地面对其进行标定试验.为满足星敏感器更高精度标定要求,针对常规地面标定设备光学结构在应对大口径、长焦距、宽光谱需求时存在的弊端,设计了一种离轴光管作为准直光学系统,研究了离轴光管装调方法,并对像质进行了评价.重点研究了一套照明系统对星点亮度进行精确控制,采用LED阵列式背光板为光源,并利用照度计对光源亮度进行多次测试,测得的数据表明可对7个连续星等进行模拟,相邻星等间亮度模拟误差小于0.8%.所设计的光学系统可为研制深空探测星敏感器提供地面标定基础.      

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

基于联合滤波器的高精度卫星定姿系统设计

设计了由陀螺、GPS姿态敏感器、红外地平仪和太阳敏感器构成的太阳同步极轨卫星姿态确定系统。提出联邦滤波器结构和算法,推导了各子系统的量测方程和姿态确定系统的误差状态方程。为规避对量测值进行非相关处理,采用减小GPS姿态敏感器输出的姿态滤波值作为系统滤波器量测值的频率的方法。仿真结果表明,采用联邦滤波器对多敏感器卫星姿态确定系统进行信息融合,具有计算量小、精度高、可靠性好等优点。     

星载光学敏感器受天体干扰的可能性分析

各种用途的星载光学敏感器均可能受到日、月、地等天体进入敏感区所形成的干扰.对光轴固定于星体的星敏感器,以及光轴在空间中保持方位不变的天文望远镜两类星载光学敏感器,根据敏感锥面和天体锥面之间的空间位置关系,导出了天体干扰的发生条件,给出了预测干扰发生时间的实用计算公式.      

小型一体化编码式太阳敏感器信号处理技术

为实现编码式太阳敏感器小型一体化设计,研究编码式太阳敏感器细分角度计算的坐标旋转数字计算机（CORDIC,coordinate rotation digital computer）算法,在FPGA中实现包括数据采集、角度计算、通信协议等全部敏感器数字信号处理功能,并在此基础上研制专用ASIC芯片.采用挠性连接技术完成整机的微型化组装,最终实现了整机质量0.5 kg、功耗0.5 W、测角精度 0.05°(3σ)、分辨率14″、数据刷新率40 Hz的设计指标.采用单片FPGA实现的编码式太阳敏感器信号处理电路体积小、精度高,是实现产品小型化设计的关键环节.     

利用青海湖对FY—1C、FY—2B气象卫星热红外通道进行在轨辐射定标

介绍利用青海湖辐射校正场对FY－1C、FY2B气象卫星热红外通道进行在轨辐射定标，先用CE312野外热红外辐射计在水面测量水表辐亮度，再经大气订正传递到卫星入瞳处，大气订正包括大气吸收削弱和大气产生热发射影响，这两部分对卫星信号的贡献通过辐射传输模式MODTRAN37计算出来，同时进行CE312与卫星通道光谱响应匹配，最终得到卫星入瞳处的表观辐亮度，这个辐亮度与卫星通道的计数值得到该通道绝对定标系数。我们对两颗卫星进行了多次定标，结果表明利用青海湖进行的在轨定标与星上定标系数相差5％左右，相当于3K的亮温差。     

基于太阳敏感器的静止轨道卫星轨道估计方法研究

为解决目前通过星上配置敏感器进行地球同步轨道卫星自主轨道估计的问题,利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息进行轨道估计．根据地球静止轨道的特点,结合Hill方程,利用太阳敏感器和红外地球敏感器的测量信息以及轨道的摄动特性,建立导航系统的状态方程和测量方程．数学仿真结果表明,该方法可以较准确地估计出卫星的经度漂移,是一种可行的地球同步轨道卫星自主导航方法．     

CCD太阳敏感器大角度入射光能衰减模型

太阳敏感器的测量精度主要受地球反照的影响。通过建立大角度入射光能衰减模型,结合地球反照辐照度峰值的计算,从理论上说明了这种影响与太阳入射角的关系。以CCD太阳敏感器为例,当太阳出现在敏感器的视场边缘时,而地球反照处于最坏情况,地球反照和太阳在CCD上产生的辐照度具有可比性。最后提出了改进太阳敏感器的结构参数来减小地球反照对太阳敏感器测量影响的方法。     

基于FPGA的小型化太阳敏感器图像采集与处理方法

介绍一种适用于小型化太阳敏感器图像数据采集及处理系统的实现方法.系统设计使用了抗辐射加固COMS APS图像传感器芯片和现场可编程门阵列(FPGA),利用FPGA实现了对图像传感器芯片的控制和对图像数据的检测、采集、缓冲、预处理以及传输,同时协调系统各部分的工作.最后,给出了这种小型化太阳敏感器的标定结果,试验结果表明各项指标可以基本达到国际航天同类产品设计水平.     

姿态异常下的星体自旋角速度确定方法

摘要： 针对在轨姿态异常后星体高速自旋情况,开展星体自旋角速度确定方法研究.提出一种基于太阳敏感器测量数据确定自旋角速度的方法,并对自旋角速率确定误差进行分析,得到各误差源对确定精度的影响关系;基于角速率确定误差分析结论,给出根据角速度大小选取不同时间间隔测量数据的策略,通过大时间间隔测量数据的选取,保证小角速度情况下的确定精度.所提出方法的有效性通过数学仿真验证,并在实际应用中基于太阳敏感器遥测数据获取在轨姿态异常卫星角速度.     

空间目标在天基光学探测中的特性分析与仿真

分析了空间目标的分布及几何特性,研究了空间目标光学特性与天基探测系统、太阳以及目标自身参数的关系,提出了空间目标光学特性仿真的思路,建立的天基空间目标光学特性分析系统可以计算并绘制相对距离、太阳相位角及目标星等变化曲线.由于很难获取准确的空间目标实际光度数据,文中提出了对仿真结果的验证方法.通过对仿真结果的分析,得出了天基空间目标光学探测的特点,为天基光学探测和识别的研究提供了参考.