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.      

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。     

欧洲研制的光学姿态敏感器

本文仅报导近几年来为欧洲空间局研制的第一代光学姿态测量敏感器,如地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器等。这些敏感器精度不一,适用于各种轨道上的自旋或三轴稳定卫星(见表1)。地平穿越指示器(H. C. I) 其实验型已在1972年ESRO-Ⅳ卫星上飞行成功。它的工作波段为14-16.25微米,笔束型视场为3×3度。它检测地球和空间之间的辐射率梯度,笔束型视场垂直于卫星自旋轴,通过锗透镜和滤光片聚焦在锗浸没热敏电阻辐射热计上。这个敏感器连续飞行了6800圈地球轨道,检测地平穿越所达到的角精度     

多探头星敏感器分布式视场融合方法

为了解决单探头星敏感器三轴姿态精度不一致问题,提高数据更新率和实时性,提出了多探头分布式视场融合方法。该方法通过控制各探头等时间间隔曝光,将相邻时刻曝光的2个探头的观测星矢量信息进行时间配准、空间配准,之后进行视场融合并采用QUEST算法解算姿态。仿真试验表明,该方法可将光轴方向精度提高8~9倍,同时可将数据更新率提高3倍以上,从而提高了系统的实时性。     

一种用于对日观测载荷的高精度高更新率太阳敏感器

太阳敏感器作为检测太阳矢量方位角的一种光学仪器,是卫星进行姿态测量、确定和控制的重要敏感器.随着天基对日观测活动的发展,对日精确指向需求强烈,太阳敏感器的精度和数据更新率成为制约对日观测平台稳态控制和精确观测的关键因素.针对太阳敏感器高精度和高更新率的需求,从光学系统、电路系统和软件算法等多个角度出发,设计了一种太阳敏感器,经标定测试,精度随机误差达到0. 716″(3σ),更新率达到62 Hz.     

一种用于对日观测载荷的高精度高更新率太阳敏感器#br#

太阳敏感器作为检测太阳矢量方位角的一种光学仪器,是卫星进行姿态测量、确定和控制的重要敏感器.随着天基对日观测活动的发展,对日精确指向需求强烈,太阳敏感器的精度和数据更新率成为制约对日观测平台稳态控制和精确观测的关键因素.针对太阳敏感器高精度和高更新率的需求,从光学系统、电路系统和软件算法等多个角度出发,设计了一种太阳敏感器,经标定测试,精度随机误差达到0.716″(3σ),更新率达到62 Hz.     

弹载捷联星敏感器强光规避策略及算法

星敏感器光学系统及成像阵列易受太阳和月亮强光干扰.针对弹载捷联星敏感器提出一种规避强光的解析几何方法.通过天文公式解算出观星时刻太阳、月亮矢量,将其转换到当地地理坐标系下;将太阳、月亮方位、地心指向和星敏感器圆视场的几何分布关系划分为3种类型,并结合星敏感器遮光罩太阳月亮规避角参数,分别建立矢量公式求解星敏感器光轴的指令指向;利用STK仿真软件进行算法验证,选择任意时间段并设定星敏感器光轴指向,经本算法解算的光轴指令指向均可成功规避太阳月亮和地平.该算法可实现星敏感器光学系统的自主保护、观星窗口的选择,可以通过姿态机动实现太阳和月亮的规避和有效星光观测.     

基于多重UKF的粗太阳敏感器标定算法研究

针对粗太阳敏感器存在的非余弦特性以及易受空间环境杂光干扰的影响,为了提高粗太阳敏感器的定姿精度,需对其电池片进行标定.通过设计多重UKF(Unscented Kalman Filter)滤波器实现对粗太阳敏感器的定姿标定,将其划分为两类,第一类为标定陀螺漂移,第二类借助陀螺漂移标定结果,进而设计电池片滤波器来精确修正粗太阳敏感器的电池片系数,完成对整个粗太敏电池片的输出数据修正.仿真结果表明,采用多重UKF滤波器算法可有效实现对陀螺和粗太阳敏感器的标定,提高了卫星的姿态确定精度,达到了设计要求.     

棱镜式太阳敏感器研制

本文提出了研制棱镜式太阳敏感器的"太阳方位检测原理",并采用能量平衡测量方法及补偿辐照度变化等措施,实现太阳方位精确测量。根据这一原理设计的太阳敏感器具有在小视场范围内分辨率和精度高、体积小、重量轻、寿命长等优点。经鉴定,样机在±70'视场内分辨率为1",精度为±3".全套重2.5公斤,耗电小于1瓦。      

卫星光学敏感器视场遮挡分析工具设计

在卫星构型设计中,要进行视场遮挡分析来判断光学敏感器是否会因为受到卫星其它部件的遮挡而失效.为了取代以往低效的手工分析方法,设计了卫星光学敏感器视场遮挡分析工具.介绍了该工具的设计方法及功能.工具基于三维CAD软件SolidWorks,并以动态链接库(DLL,Dynamic Link Library)的形式与SolidWorks紧密集成.在设计中运用了计算机图形学原理,利用SolidWorks API函数和Visual Basic编程语言进行二次开发.工具能够在SolidWorks中对卫星装配体执行以下敏感器视场遮挡分析功能:定义敏感器视锥特性参数,绘制视场遮挡图和计算视场遮挡率.     

新型编码式太阳敏感器误差分析与 修正方法研究

原有的太阳敏感器采用多项式拟合进行误差补偿,标定精度较低.通过建模精确分析新型太阳敏感器各误差源的影响,提出一种新型误差标定方法,用于补偿太阳敏感器的几何误差,并给出了误差补偿方法.实验结果表明：该方法比标定前精度提高3倍以上.     

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.     

红外地平仪的视场扩展

本文在大量实验的基础上,对用热敏元件敏感面作视场光阑的地平仪探头的视场特性进行了分析,总结了视场扩展的一些规律。作者对热敏元件浸没介质层热传导是视场扩展的主要原因的观点表示怀疑。通过实验,在视场扩展的差异和热敏元件结构的关系方面有所发现,并作了相应的分析。文中还提出了大气强烈吸收带引起的背景干扰及其对视场扩展的测试影响问题。提出这一观点对如何估计地平仪在外层空间受太阳干扰的程度,具有重要意义。在对视场特性进行分析的同时,作者还对在探头中设置机械视场光阑改善视场扩展问题提出了自己的看法。     

多视场星敏感器结构参数标定方法

提出一种基于星间角距不变原理的多视场(FOV)星敏感器结构参数标定方法.这种方法以欧拉角表征多视场星敏感器各个子视场之间的旋转关系,利用识别得到的各个视场星点的坐标信息和赤经赤纬信息,计算出多对星光矢量来建立标定模型和目标函数,然后使用L-M算法优化目标函数并解算出各个子视场之间的结构参数.此方法不需要外部姿态测量仪器辅助,可用于在轨和地面标定.在全天球随机抽取多个姿态生成多视场的仿真星图用于标定,并采用星内角统计偏差作为结构参数标定精度的评价指标.这种方法能够准确求解多视场星敏感器的结构参数.星内角统计偏差的平均值在星点位置噪声标准差为0.1像素的仿真试验中为1.3",在外场观星的实际试验中为6.4".      

运用信息融合式高阶UKF的微小卫星姿态确定算法

为提高微小卫星微型低成本姿态敏感器的姿态确定精度，基于磁强计/太阳敏感器/陀螺仪的姿态敏感器配置以及无迹卡尔曼滤波方法（Unscented Kalman Filter，UKF），设计了一种基于高阶UKF算法并且融合磁强计与太阳敏感器观测信息的微小卫星姿态确定算法.为提高系统状态方程非线性函数的一步预测精度，采用基于五阶UT变换的高阶UKF算法，增加了Sigma采样点数量，提高了系统状态预测精度.单一观测向量滤波算法不能同时满足多个不同量纲观测数据，本文提出一种同时利用两个观测向量的信息融合式滤波算法，根据磁强计和太阳敏感器的观测信息，通过卡尔曼滤波原理中的增益计算，分别得出地磁矢量和太阳矢量对应的卡尔曼增益信息.采用高斯概率密度准则进行信息融合，进而完成预测值的修正，得到同时满足磁强计以及太阳敏感器观测需求的四元数估计值，降低了观测误差的影响.仿真分析验证了算法的优越性.      

卫星光学敏感器视场有效性分析工具设计

为了提高分析的效率和准确性,基于SolidW orks平台开发了一个卫星光学敏感器视场有效性分析工具.该工具用于分析敏感器在卫星任务期间是否会因为视场问题而失效,以及何时失效.敏感器有效性分析所涉及的问题有:有效性判断的3个层次——敏感器系统、敏感器组和单敏感器的有效性判断;遮挡问题——敏感器会受到卫星部件或目标的遮挡;反光问题——敏感器会受到行星反光和卫星部件反光的干扰;运动问题——包括目标、卫星本体、卫星部件和敏感器的运动.给出了解决以上问题的软件设计方案.介绍了有效性分析功能的实现原理.给出了分析过程的5个步骤:定义时间,定义目标,定义部件运动,定义敏感器和执行分析.最后给出了一个实例演示,验证了该工具的功能.     

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.      

空间背景光星模拟器系统设计

为实现星敏感器光信号的高精度标定需求,提出了一种具有空间背景光的星敏感器地面标定系统,解决了空间背景光对星敏感器光信号定标精度的影响,提高了星敏感器的标定精度.对空间背景光对星敏感器标定精度的影响进行分析,给出了具有空间背景光的星模拟器实现方案,设计了能同时模拟空间背景光和星点位置信息的星模拟器光学系统.结果表明,该系统全视场相对畸变小于0.01%,MTF在80lp·mm-1处大于0.5,达到了高精度指标要求.设计了一套空间背景光系统,通过对电流和可变光阑的控制,实现了亮度26倍变化.提出了一种基于像差补偿的星点位置修正方法,并给出了修正模型.利用徕卡T6100经纬仪和照度计,分别对星模拟器所在的星点位置误差和空间背景光亮度进行测试.结果表明,空间背景光亮度可实现26倍调整,在最高能量和最低能量下星模拟器星点位置误差精度<10",满足星敏感器地面标定要求.      

光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计

为解决由于色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响,提出一种光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计方案.该高精度准直光学系统的光谱范围为500~800nm,像质测试结果表明,全视场畸变小于0.08%,MTF在60lp·mm-1处大于0.6.基于DMD光源系统的组成和工作原理,对光谱分辨率和光谱曲线模拟精度进行分析,设计了一套光谱分辨率全谱段优于2nm的Czerny-Turner分光系统.测试结果表明,星点位置精度优于7";光谱分辨率为10nm和20nm时光谱曲线模拟精度分别优于2%和5%,有效降低了由于色温不匹配对星敏感器标定精度的影响.      

太阳模拟器两轴回转控制系统研究

太阳敏感器是卫星控制系统中的一个重要部件,装星之前需要通过地面试验验证其各项功能及技术指标.本文针对太阳敏感器的地面测试设备——太阳模拟器两轴回转控制系统展开研究.该系统采用伺服电机与绝对式光电编码器相结合的方案,包括偏航与俯仰两个回转控制机构,主要用于改变太阳模拟器光轴的方向.给出了回转控制系统的组成和工作原理,并对影响系统精度的因素进行了分析.实验表明,回转系统的角度控制精度优于0.03°,满足该地面测试设备设计时提出的0.04°精度指标.