基于CMOS APS的星敏感器光学系统参数确定

基于CMOS APS图象传感器的星敏感器是适应航天技术的发展而产生的新一代姿态敏感器。确定光斑形状和大小、光学系统有效通光孔径、视场和焦距等参数是进行星敏感器光学设计的前提。本文基于选定的CMOS APS图象传感器分别对这些参数进行了分析和计算。确定光斑形状和大小的依据是，减小由于探测器像元对光斑能量分布的采样导致点扩散函数变形，从而引起的利用亚像元技术求星像中心的计算误差。光学系统的有效通光孔径与星敏感器所能探测到的极限星等有关，通过从目标辐射特性直到探测器响应的能量计算可以确定孔径的大小。确定视场和焦距首先要满足星敏感器实现全天自主星图识别所需的导航星捕获概率，其次要考虑与之相关的误差。     

基于导航星域和K矢量的快速星图识别算法

星图识别算法是星敏感器的关键技术,快速性和可靠性一直是对其评价的重要指标。提出了基于K矢量查找表和导航星域联合进行超快速星图识别的方法。首先根据星敏感器视场和所能敏感的星等建立全天球导航星表;再依据K矢量的原则对全天的导航星按照星对角距进行分类,建立星对角距所对应导航星的K矢量和K矢量查找表。利用星敏感器视场中的4颗星构成6组星对角距,将其中的5组星对角距所对应K矢量查找表域的星对组进行导航星表域（简称导航星域）的变换,根据另外一组星对角距所对应的K矢量查找表域的值对前面5组导航星域的值同时进行索引比较,直接找到了满足条件的4颗导航星,即完成全天的星图识别。最后,通过计算机仿真,实验室模拟和真实星空实验三个层次验证了此方法的可靠性和快速性。     

考虑卫星轨道运动和像移影响的星敏感器星图模拟方法

星图模拟技术是星图识别算法和星敏感器性能测试的基础.提出一种新的高精度星图模拟方法.该方法分为三个步骤:首先,利用两行轨道数据(TLE,Two-Line Orbital Element)与简化常规/深空扰动的近似解模型(SGP4/SDP4)计算出卫星在轨运行参数,进而获得卫星姿态矩阵;然后,根据星敏感器的方位和俯仰角度,确定星敏感器视场中的导航星及星敏感器安装矩阵,利用小孔成像模型,获得导航星在星敏感器成像面的投影位置;最后,为更准确模拟实际星像点的灰度扩散,在考虑卫星运动引起的恒星像移的基础上,按照二维高斯分布规律置灰度值来模拟星像点像素.在此基础上,还详细分析了不同曝光时间下,恒星像移对恒星位置测量的影响.     

基于交叠视场亮度优选算法的导航星库构建方法

星敏感器导航星库直接影响星图识别效率和姿态解算精度。分析了参与姿态解算的星颗数和亮度对姿态精度影响,在此基础上,提出了一种基于交叠视场亮度优选算法的星敏感器导航星库构建方法。将精度较高的Hipparcos星表作为基础星表,分析了星等、双星、自行、变星等对姿态精度的影响,将星库筛选成一个备选星库,生成覆盖全天球的交叠视场。每个拥有较多星的视场,都按照亮度优先原则从视场内的扇形区域中选择导航星,从而得到分布均匀的导航星库。结果表明:该方法能有效减小星敏感器导航星库规模,实现导航星在全天球和局部天区的均匀分布。     

星敏感器图像处理系统的并行流水线操作研究

随着天文导航和航天测控领域的要求不断提高,对星敏感器的动态性能提出了越来越高的要求。本文详细分析了星敏感器CCD处理模块输出信号的时序关系,在此基础上提出了CCD和DSP并行流水线的处理机制以提高星图处理的效率,并利用CPLD和DSP的HOLD方式实现了CCD和DSP的并行流水线操作。通过星光模拟器的静态测试表明:利用该处理机制能实现每秒10帧的处理速度。只要合理地安排好行场有效期和消隐期的时间,会进一步提高姿态捕获的速度。     

微型星敏感器镜头参数优化

为了适应星敏感器微型化的需要,推导了星等探测灵敏度模型,给出了星敏感器可探测恒星数公式,分析了星敏感器镜头各参数间的关系,分别计算出焦距为35mm和16mm镜头的视场大小、探测星等和可探测恒星数目。结果表明:16mm镜头比35mm镜头体积和重量减小1/4,有利于星敏感器的微型化。     

基于STK的星敏感器在轨视场仿真分析

针对星敏感器在轨可能会受到太阳光、地气光等杂光干扰而影响其测量精度及姿态有效率等问题,对星敏感器的在轨视场进行了分析研究。给出了太阳光、地气光进入星敏感器视场的条件;基于卫星工具包(STK)软件,提出了一种星敏感器视场分析的仿真方法;结合卫星轨道参数和星敏感器安装方位,在卫星零姿态、正负向侧摆下对杂光进入星敏感器视场情况进行了仿真。结果表明,卫星在轨至少有2个星敏感器在同一时刻满足杂光抑制角要求。文章提出的仿真方法,适用于对任何轨道类型卫星星敏感器在轨视场的杂光分析,仿真结果对星敏感器在卫星上的优化安装具有工程应用价值。     

可适应多维度信息变化的智能星图识别方法

为了提高当视场发生变化以及星等误差较大时星图识别方法的鲁棒性,提出了一种可适应多维度信息变化的智能星图识别方法。首先,依次选取一个导航星作为主星,利用其它星距主星的角距信息和星等信息,并考虑视场轴向变化、星等误差、角距误差的影响,构建覆盖性较全的样本库;然后构建了一种可以综合利用角距和星等信息的卷积神经网络;最后进行了网络训练和仿真试验验证。本方法提高了对角距误差和星等误差的鲁棒性,且识别速度快、识别率高、星表容量小。仿真试验结果表明,该方法在星等误差为0. 2MV、角距误差为0. 04°和0. 06°时,识别率优于97%。     

高分七号卫星多探头甚高精度星敏感器热设计与验证

根据高分七号卫星对多探头甚高精度星敏感器高热稳定性的任务需求,对多探头甚高精度星敏感器进行热设计。首先,针对星敏感器光轴热漂移优于0.3(″)/℃的高热稳定性技术指标需求,开展星敏感器的结构和内部热设计,确定星敏感器安装法兰和光学镜头镜筒的热控技术指标,根据轨道参数及星敏感器的结构布局制定星敏感器热控设计方案。其次,通过仿真分析,得到星敏感器俯仰(绕X轴)方向和偏航(绕Y轴)方向的热稳定性均优于±0.3″;通过星敏感器热稳定性试验测得星敏感器绕X轴和绕Y轴的热稳定性分别为±0.223″和±0.168″;通过星敏感器热平衡试验测得星敏感器绕X轴和绕Y轴的光轴热漂移分别为±0.55″和±0.16″。在轨测试验证结果表明:星敏感器安装法兰和光学镜头镜筒的温度满足热控指标要求,2个多探头甚高精度星敏感器的光轴夹角为±1.8″,星敏感器热设计合理有效,可为其他航天器星敏感器热设计提供参考。     

星敏感器测量模型及其在卫星姿态确定系统中的应用

星敏感器是卫星高精度姿态测量的重要部件，如何正确建立其测量误差模型是影响姿态确定精度的关键因素。本文推导出星敏感器三轴姿态测量误差的方差计算公式，对测量误差的性质进行研究，揭示了在星敏感器三轴测量中，光轴测量精度劣于根据另两轴测量所确定的光轴指向精度。在此基础上提出了新的星敏感器测量模型，给出改进的姿态滤波器观测方程，减小了观测误差，由此可以进一步提高姿态确定的精度。本文方法不仅适用于通常使用的双星敏感器姿态确定系统，也可独立地应用于只带单个星敏感器的姿态确定系统。