弹载导航星表的设计与实现

根据弹道导弹飞行时间短,飞行姿态相对稳定的特性,提出了一种弹载导航星表的设计方法。分析了导弹飞行轨迹投影的特点,其在天球上投影为大圆,在地心惯性坐标系XOY平面上的投影为椭圆,并对飞行轨迹进行分类。根据限制条件,确定出星敏感器扫描的视场区域,挑选出视场中的恒星,构建出弹载导航星表,并与传统的三角形星表进行比较。仿真结果表明,该方法简单、易行,存储容量较小,同时避免了在两极的情况下,赤经难以表示的问题。减少了星图识别时间,提高了星光制导的数据输出率,满足了星光制导在弹道导弹上应用的要求。     

一种星敏感器中快速星跟踪方法

提出了一种快速星跟踪算法。在跟踪算法的三个耗时环节，分别采用，分区星表，阈值映射，先排序后匹配识别这三种方法，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；阈值映射法，设置被跟踪星体的数量阈值，减少映射次数；先排序后匹配识别法，减少了那些距离较大的无谓的星体间的匹配识别。对星跟踪算法进行软硬件仿真测试，在软件仿真测试中，测试了跟踪算法的正确性和成功率。在硬件仿真测试中，测试了跟踪算法在一个跟踪过程中每步的跟踪速度及影响跟踪速度的主要因素。     

一种基于大视场星敏感器的定姿方法

根据数学平台失调角随时间变化缓慢的特点,本文提出了一种直接估计数学平台失调角的定姿方法。该方法采用一个20°×20°的大视场星敏器同时观测数颗恒星,并在一小段时间内进行多次观测,所有的测星信息在一次计算中完成对失调角的估计。仿真结果表明,该方法可大大降低星敏感器测量随机误差,其精度明显优于直接估计姿态余弦阵的参考矢量定姿法。     

动态星图显示算法的设计与实现

为了对星敏感器进行功能和性能方面的测试,需要使用星模拟器,为其提供任一时刻、任一惯性坐标系下指向的模拟星图。星敏感器较短的积分时间特性,要求星模拟器具有较短的采样周期,为此,采取了分区检索导航星的设计方案。首先,根据星图视场,由各颗星的赤经、赤纬数据,对天球进行分区,并计算出给定的光轴所在的分区。然后,根据光轴分区位置,找出邻近的3×3个子区。最后,在这9个子区中,查找出视场内的星。同时,实现了星图的静态与动态模拟。模拟结果表明,利用该算法,可使星模拟器实现指标：星图视场为17.5°×13.1°;模拟星等为 2.0 ～7.0等星;采样周期控制在毫秒级。基本满足动态星模拟器的大视场、宽星等范围、短采样周期等要求。
     

上面级天文导航恒星视位置计算方法研究

恒星视位置计算是上面级天文导航星库建立的基础。首先,在国际天文联合协会(IAU)工具箱的基础上,介绍了恒星视位置计算中的各个数学模型,并设计了视位置计算的算法;然后,对某些特定星表进行处理,获得相应恒星的标准星历信息,对这些恒星采用本文的视位置算法进行视位置计算;最后,将计算结果与专业的天文软件及中国天文年历进行比较,来验证本文视位置算法的精度。计算结果表明:本文提出的视位置算法具有较高的精度(0.03″级别),满足上面级天文导航的要求。另外,本文通过对视位置误差的分析,给出了各种误差因素对视位置计算精度的影响。     

基于CPU+GPU异构并行的QPSK开环解调方法研究

以平方率前向定时算法和M&M频偏估计算法为基础,研究适用于CPU+GPU异构并行平台的QPSK开环解调方法,并对数据分块长度和异构并行效率进行分析和验证,通过理论推导和Matlab仿真,得出在频偏范围内最佳的数据分块长度,最终分别在只用CPU和采用CPU+GPU异构的两种架构下,对QPSK信号开环并行解调。实验结果证明,数据点数较多时,CPU+GPU异构并行解调效率明显提升。     

适用于地面应用系统的导航星数据库的建立

简要介绍了所采用的恒星运动标准模型、历元转换及误差传播基本原理。给出了一种导航星数据库的构建方法,该方法以Hipparcos星表为中心,以星敏感器光学系统的观测极限为星等阈值,联合多个星表,通过精密历元转换,引入位置精度阈值以确保卫星姿态确定角秒量级的精度;引入辅助导航星以提高星图识别率和识别速度。蒙特-卡罗仿真结果表明利用该导航星数据库在有伪星存在的情况下星图识别率96.7%以上,同时识别视场内5颗星的识别速度在0.3秒以下,加入189颗辅助导航星后,在导航星总数提高至6261颗时,星图识别速度却提高了6%以上。
     

应用STL模型的敏感器视场遮挡区域分析方法

针对卫星星表产品设备对敏感器视场的遮挡问题,提出了一种应用光固化立体造型术(Stereo Lithographic,STL)的网格化模型的敏感器视场遮挡区域分析方法。此方法首先是将遮挡部件的三维模型转化为STL网格化模型文件,并提取出遮挡部件的STL网格化数据。然后将遮挡部件的STL网格化坐标数据进行处理后,与敏感器视场范围均转换成平面夹角数据。之后,则将遮挡部件的平面夹角数据与敏感器视场范围的平面夹角数据进行对比,分析敏感器视场被部件遮挡的情况,并绘制敏感器视场遮挡图,计算出遮挡率。相比以往方法,此方法有效提高了工作效率,便于工程设计,可作为卫星工作中敏感器视场遮挡分析的有效手段。     

基于CUDA的GPS信号快速捕获

为实现基于PC平台的GPS软件接收机C/A码信号快速搜索,提出了一种由GPU完成信号搜索计算的快速实现方法。该方法以基于FFT的码相位并行搜索算法为基础,通过CUDA编程,由GPU完成主要的计算任务,实现了信号搜索在GPU上的并行计算。最后,将该方法与在CPU上实现的捕获方法进行了比较测试,结果表明：新方法的捕获速度显著提高,冷启动条件下,搜索全部32颗卫星只需1.653秒,为GPS软件接收机的实时化提供了重要保证。
     

以恒星位置为基准的运动平台上测控雷达精度标校技术

利用FK5星表，可以精确实时地计算出恒星位置，用作陆基雷达标校的基准。本文把这种技术推广到运动平台上雷达的精度标校，提出了技术方案和初步的数学模型，给出了试验的解算结果和统计结果。     

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。     

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。     

一种新的全天自主星图识别算法

在星图识别领域三角形算法得到了广泛的应用，但是在星对角距很小的情况下，其识别率严重降低。字符匹配算法可以解决这个问题，但是它无法识别由于相机在拍摄瞬问的平移和旋转而产生位移的星图。为了克服这一缺陷，提出了一种有效的星图识别算法，该算法在生成导航星数据库时以一些一定范围内的亮星为中心，把整个天球分为很多个四方形区域，然后根据被拍摄星图的特点从这些四方形区域内选取子区域参与星图识别。仿真结果表明该算法不但继承了字符匹配算法的优点，而且对星图位移有很强的鲁棒性。     

一种位并行近似串匹配的星图识别算法

提出了一种基于位并行法近似串匹配的星图识别新方法。 首先为选取的导航星建立相应的模式串,然后利用改进的并行化动态规划矩阵算法（BPM）为观测星图中的星体寻找匹配的导航模式,并验证匹配结果的正确性,完成星图识别。仿真试验结果表明,本方法算法简便、导航星库存储容量小,抗干扰能力强,有很好的鲁棒性。     

卫星与深空动态场景实时仿真系统

卫星与深空动态场景的实时仿真对于航空航天、军事国防等领域有着重要意义。现提出了一个深空动态场景的绘制方法，该方法综合了计算机图形学和天文学的知识，建立了基于天文学星表的深空场景模型，计算出卫星及各星体的运行轨迹，实现了卫星目标和深空场景的真实感合成，并采用一系列加速绘制技术，最终实现了深宅动态场景的实时生成和交互式虚拟漫游。     

星光折射导航星的改进三角识别捕获

高精度星光折射间接敏感地平的自主导航方法,目前被国内外尤为关注。本文通过对星光折射导航观测对象———导航星捕获的研究,采用了改进的三角匹配算法并结合恒星星表,确定出导航观测星星光方向,同时依据对飞行器在轨观测星的几何关系推导,利用Unscented卡尔曼滤波算法确定航天器的在轨位置和速度。该方法能比较真实地模拟飞行器实际在轨的导航情况。仿真表明,真实星表导航精度大于人造星场;通过比较导航系统捕获20,40,60,80颗折射星的4种情况,可知捕获到的导航星的数量越多,导航精度也随之提高。     

星图匹配制导中的关键技术

为了提高新一代弹道导弹的快速、机动反击能力和射击精度，采用星光，惯性组合制导足最佳的选择。本论文给出了基于双星敏感器的、星图匹配制导系统的关键技术。提出了根据弹道设计导航星表．极大地简化了弹载星表；提出了一种适用于星光制导的凸多边形箅法，合理地减少了匹配的星对角距数目。这两项技术保证了星图匹配制导技术的实用性。提出了一种分离初始定位、定向误差及平台漂移误差方法。采用凸多边形的星图识别算法可同时获得多颗星的瞬时位置，结合恒星在像平面的位置可解算导弹在赤道惯性系和发射点惯性系的三轴姿态，最后，给出了导弹初始定位、定向误差的数学表达式。仿真结果表明了该方法的有效性。