GNSS无线电掩星大气探测混合星座设计

针对目前GNSS无线电掩星大气探测卫星星座参数依赖大量仿真计算进行统计选取的研究现状,通过将探测卫星星下点与大气测点间地心角距作为观测半径提出了一种虚拟“星—地”遥感假设,给出了一种崭新的掩星测点预估方法,具有计算速度快的特点.基于该方法推导了探测星座参数与大气探测覆盖性之间的极值相关特性,建立了GNSS无线电掩星大气探测卫星星座设计准则,并以GPS和BD为兼容性观测信源完成了GNSS掩星大气探测混合卫星星座设计.通过仿真试验,验证了设计方法的快速性和可行性,GPS+BD掩星大气探测混合星座每日可实现掩星探测量为COSMIC星座的3倍以上,12h内掩星测点全球分布均匀度提升12％.     

惯性平台中星敏感器安装误差标定方法研究

提出了一种基于星光/惯性平台系统中星敏感器安装误差的地面标定方法,利用高精度的星模拟器,模拟远处恒星,将星敏感器主光轴对准星光,通过测量恒星与平台台体六面体的位置坐标,经过坐标转换后,对比得到星敏感器在惯性平台中的安装误差.实验数据表明,该方法可准确测量出星敏感器在星光/惯性平台中的安装误差角,实现误差的精确标定.     

一种基于Sobel算子的星敏感器星图预处理方法

星敏感器在太空环境下工作时容易受到杂散光的干扰,对星图进行二值化后直接采用质心法难以从星图中提取恒星星像坐标.针对上述问题,提出了一种基于Sobel算子的星敏感器星图预处理方法,用于提取星像坐标.首先采用Sobel算子计算星图中所有像素的梯度,保留所有大于阈值的像素梯度作为新的星图,然后以新的星图作为样板通过质心法从原始星图中提取恒星星像.由于杂散光干扰信号在星图中表现为缓慢信号,这些信号计算的梯度很小,因此通过Sobel算子计算后新的星图只有恒星星像.该方法能够消除星图中的杂散光干扰信号,使星图中只保留恒星星像信息,提高恒星星像坐标提取精度,具有较好的鲁棒性.     

基于QTM的导航星库划分方法

为了提高星敏感器观测星的检索速度,提出了一种基于球面四元三角网(Quaternary Triangular Mesh,QTM)的导航星库划分方法.该方法首先利用天球的内接正八面体把全天球划分成8个子天区,然后在每个子天区中进行与经纬度相关的剖分和编码,最后扫描恒星星表,把每颗导航星信息划归到相应的子天区内存储.利用此星库进行的局部天球星图识别仿真实验表明该星库具有很高的检索效率.     

Precession–nutation correction for star tracker attitude measurement of STECE satellite

Space Technology Experiment and Climate Exploration(STECE) is a small satellite mission of China for space technology experiment and climate exploration. A new test star tracker and one ASTRO 10 star tracker have been loaded on the STECE satellite to test the new star tracker's measurement performance. However,there is no autonomous precession–nutation correction function for the test star tracker,which causes an apparent periodic deflection in the inter-boresight angle between the two star trackers with respect to each other of up to ±500 arcsec,so the precession and nutation effect needs to be considered while assessing the test star tracker. This paper researches on the precession–nutation correction for the test star tracker's attitude measurement and presents a precession–nutation correction method based on attitude quaternion data. The periodic deflection of the inter-boresight angle between the two star trackers has been greatly eliminated after the precession and nutation of the test star tracker's attitude data have been corrected by the proposed method and the validity of the proposed algorithm has been demonstrated. The in-flight accuracy of the test star tracker has been assessed like attitude noise and low-frequency errors after the precession–nutation correction.     

一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法

为了提高星敏感器的数据更新率,必须减少星像坐标的提取时间。在提取星像坐标的过程中,现有基于FPGA的方法虽然避免了星图保存和读取过程,然而需要高性能的FPGA才能实现。为此提出了一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法,将逐个像素聚类的方式优化成像素队列聚类的方式,实现了对恒星星像坐标的实时提取,可以解决现有的实时提取星像坐标方法中像素输出时钟与处理时钟不匹配的问题,达到1个时钟周期处理完1个像素的目的,从而减少了星像坐标的提取时间,提高了星敏感器的实时性。最后把该方法嵌入到某星敏感器系统中,实验结果表明,与现有基于FPGA的实时提取星像坐标方法相比,在相同工作频率且不降低星像坐标提取精度的前提下,提取时间仅为现有方法的21.1%,数据更新率提高了近5倍。因此,该方法不但具有实时性,而且具有较好的鲁棒性。     

星点图像的目标提取算法研究

对于星点灰度重心法等亚像素提取算法来说,需要提取星点区域内的每一个像素。基于扫描的边界搜索法只能获取目标的边界像素,文中对其进行了扩展,通过判断边界像素中最大最小行列数来确定目标区域的具体范围,从而提取目标区域内的每一个像素。针对大视场星点图像目标范围小、相互间距离远的特点,为减小计算量,提出了基于视框搜索的目标提取算法。通过实验证明,基于视框的算法在计算量上比基于边界搜索的算法减少3/4。     

固液动力探空火箭箭载数据采集系统设计

针对固液动力探空火箭在进行测试、飞行试验时,需要实时测量并记录推力、燃料供给速率以及吹除系统工况信息的问题,设计并工程实现了对箭载重要设备输出信号进行监控和采集记录的数据采集系统.以STM32F103RB微控制器为核心,完成了数据采集、存储、传输等电路的设计,并在Real View MDK集成开发环境下,运用C语言完成了控制、测试程序的编写.最后,通过Real View ULINKR仿真器实现了软硬件的联合测试,验证了系统的供电控制、采样频率、工况记录等功能都满足设计要求,完成了对箭载重要设备监控和采集记录的任务.只需修改微控制器内的操控程序,就可将此数据采集系统应用于不同型号的固液动力探空火箭.      

Topside sounding of the earth's ionosphere

The evolution of topside sounding through rocket and satellite experiments is reviewed. Topside sounding has proved valuable for revealing the structure of the high ionosphere and for investigating the resonance properties of a magnetoplasma. The limits of our present knowledge of these rapidly developing subjects are discussed. Topside sounding is predicted to have a long and useful role in exploration of the ionosphere of earth and other planets.     

Investigations of irregularities in remote plasma regions by radio sounding: applications of the radio plasma imager on image

The Radio Plasma Imager (RPI) on the IMAGE mission operates like a radar by transmitting and receiving coherent electromagnetic pulses. The RPI is designed to receive mirror-like (specular) reflections and coherent scatter returns. Long-range echoes of electromagnetic sounder waves are reflected at remote plasma cutoffs. Thus, analyses of RPI observations will yield the plasma parameters and distances to the remote reflection points. The RPI will employ pulse compression and spectral integration techniques, perfected in ground-based ionospheric digital sounders, in order to enhance the signal-to-noise ratio in long-range magnetospheric sounding. When plasma irregularities exist in the remote magnetospheric plasmas being probed by the sounder waves, echo signatures may become complicated. Experience in ionospheric sounding under such conditions indicates that sounding echo strengths can actually be enhanced by the presence of irregularities, and ground-based sounding indicates that coherent detection techniques can still be employed. In this paper we investigate the conditions that will allow coherent signals to be detected by the RPI and the signatures of scattering to be expected in the presence of multi-scale irregularities. Sounding of irregular plasma structures in the plasmasphere, plasmapause and magnetopause are also discussed.     

亮星辅助下基于坐标转换的快速星图识别方法

数字天顶仪作为一种地面使用的星敏感器，主要用于高精度定位。为提高仪器的工作效率需要对星图识别的快速性进行研究。通过对恒星像点理论坐标与图像坐标的分析，构建坐标转换模型。依据星表中恒星的分布及星等筛选出视场范围内的亮星，并构建导航星表。结合导航星表完成3颗亮星的准确识别，在识别亮星的基础上解算坐标转换模型的参数。通过构建的坐标转换模型对视场范围内的恒星进行坐标转换，将转换后的星点坐标与提取的星点图像坐标进行匹配完成星图的识别，这样能够提高星图识别的快速性。实验数据表明：在保证识别星点数量的基础上，采用亮星辅助下基于坐标转换的星图识别方法使时间缩短为改进三角形星图识别算法的五分之一。     

一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法

提出一种基于FPGA实现实时提取恒星星像坐标的方法。该方法在提取恒星星像坐标过程中,不必利用当前图像下一列坐标的灰度值和当前列下一行坐标的灰度值,而仅仅采用当前图像当前行的上一列坐标的灰度值以及当前列的上一行坐标的灰度值, A/D转换成数字量后,把星图图像保存到SRAM和提取恒星星像坐标两个过程并行。实验结果表明,采用该方法不仅能够准确提取恒星星像坐标,而且能够进一步提高坐标提取的实时性,满足星敏感器并行流水工作模式的要求。     

弹载大视场星惯组合深度融合导航技术

为了降低弹载星惯组合（Stellar-INS）飞行中段对调姿观星的要求，提高星惯组合姿态精度，提出了大视场（LFOV）星惯组合深度融合导航方法。小视场（NFOV）星敏感器输出星矢量为主，大视场星敏感器可同时输出姿态和星矢量信息，分别推导了基于星敏感器输出姿态和星矢量信息的观测方程，分析了星矢量和姿态观测方法之间的关联性。建立了包含星惯安装误差、陀螺误差以及初始平台误差角的星惯组合全误差项模型，基于线性卡尔曼滤波给出了深度融合导航方法。开展了数学仿真验证，分析了不同调姿观星路径约束下，大/小视场星惯组合性能差异。结果表明，大视场星惯组合深度融合导航方法不仅可以降低调姿观星约束要求，还可以实现组合姿态性能提升。     

The Radio Plasma Imager investigation on the IMAGE spacecraft

Radio plasma imaging uses total reflection of electromagnetic waves from plasmas whose plasma frequencies equal the radio sounding frequency and whose electron density gradients are parallel to the wave normals. The Radio Plasma Imager (RPI) has two orthogonal 500-m long dipole antennas in the spin plane for near omni-directional transmission. The third antenna is a 20-m dipole along the spin axis. Echoes from the magnetopause, plasmasphere and cusp will be received with the three orthogonal antennas, allowing the determination of their angle-of-arrival. Thus it will be possible to create image fragments of the reflecting density structures. The instrument can execute a large variety of programmable measuring options at frequencies between 3 kHz and 3 MHz. Tuning of the transmit antennas provides optimum power transfer from the 10 W transmitter to the antennas. The instrument can operate in three active sounding modes: (1) remote sounding to probe magnetospheric boundaries, (2) local (relaxation) sounding to probe the local plasma frequency and scalar magnetic field, and (3) whistler stimulation sounding. In addition, there is a passive mode to record natural emissions, and to determine the local electron density, the scalar magnetic field, and temperature by using a thermal noise spectroscopy technique.     

测速雷达的电波折射简易修正方法及精度分析

为尽量简化多测速雷达定轨系统的气象测量，探讨了采用Hopfield对流层折射指数模型代替探空气象测量的适用性。主要分析了采用Hopfield模型与采用实际探空测量数据的折射误差修正量差别，目标轨迹误差对修正量的影响，以及气象参数对修正量的影响。     

一种快速的星敏感器星跟踪方法研究

阐述了星敏感器中星跟踪方法的重要性,指出了目前国内外星跟踪方法的不足。针对这些不足,提出了一种全新的、快速的星跟踪方法。新的跟踪方法采用现场可编程门阵列(FPGA)实现了实时的星点定位;正是由于这种技术的采用,加快了星点位置信息的获取,摈弃了跟踪窗的跟踪方法,采用简单的匹配识别的跟踪方法;对于新星的识别,由于有初始姿态而采用匹配组的识别方法。最后给出了星跟踪过程的实验结果。     

考虑星敏感器安装误差的弹道导弹捷联星光/惯性复合制导

弹道导弹捷联星光/惯性制导是在惯性制导基础上辅以星光修正的一种复合制导方法，能够显著提高导弹制导精度。由于星敏感器捷联安装在弹体上，安装误差会影响恒星测量的精度，进而影响复合制导精度，为此提出一种在线辨识并修正星敏感器安装误差的复合制导方法。建立了星敏感器观测量与数学平台失准角、星敏感器安装误差的关系方程，在导弹主动段关机后测量3颗独立的恒星获得6个观测量，利用最小二乘法估计出失准角和星敏感器安装、误差。改进了星光/惯性复合制导的最佳修正系数确定方程，直接修正了星敏感器安装误差的影响。数值仿真结果表明：所提方法可以有效地估计平台失准角和星敏感器安装误差，提高了捷联星光/惯性复合制导的精度。     

Pattern recognition of star constellations for spacecraftapplications

A software system for a star imager for online satellite attitude determination is described. The system works with a single standard commercial CCD camera with a high aperture lens and an onboard star catalog. It is capable of both an initial coarse attitude determination without any prior knowledge of the satellite orientation and a high-accuracy attitude determination based on prediction and averaging of several identified star constellations. In the high-accuracy mode the star image aims at an accuracy better than 2 arc sec with a processing time of less than a few seconds. The star imager has been developed for the Danish Oersted satellite     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

地球卫星星光折射导航量测量及其性能对比

星光折射天文导航是一种重要的地球卫星自主导航方式,量测量是影响其导航精度的重要因素。在地球卫星星光折射导航中,折射视高度、星光折射角、折射星像素坐标（折射星矢量）是3种常用的量测量,结合星光折射导航的基本原理重点介绍了这3种量测量的获取方法和量测模型,通过仿真和可观性分析比较了相同条件下3种量测量的导航性能。仿真结果表明,由于折射星像素坐标可以同时反映星光折射的大小和方向可观性高,而星光折射角和折射视高度仅能反映星光折射的大小,无法反映其方向可观性低,因此折射星像素坐标的导航性能优于星光折射角和折射视高度。此外,本文也对星敏感器精度、卫星轨道高度、星敏感器安装夹角3种因素对3种方法导航性能的影响进行了分析。