灵巧型大孔径四反星敏感器镜头设计

星敏感器镜头是星敏感器姿态轨道控制系统的重要组成部分，具有相对孔径大、工作谱段宽、绝对畸变低的特点，针对这些特点，在四反射镜初始结构的基础上，分析了镜头探测能力和相对孔径的关系，明确了镜头设计指标，利用非球面反射镜强大的像差校正能力，优化设计得到了全反射4反星敏感器镜头。镜头焦距170mm，轴向长度50mm，镜头F数2，等效入瞳直径51.2mm，圆视场±2.25°。镜头工作波段可由膜系决定，无色差，空间频率35lp/mm处传递函数优于0.6，畸变优于0.01%，弥散斑直径优于13μm，系统15μm范围内能量集中度优于80%，渐晕系数小于0.95，该镜头可用于亚像素精度的飞船姿态轨道控制系统，为星敏感器导航光学系统设计提供了参考。     

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".      

星敏感器低频误差分析

介绍星敏感器的误差分类、低频误差定义、误差产生原因及其测试标定方法等.星敏感器输出姿态周期性误差的主要原因为视场空间误差和热弹性变形误差,典型星敏感器采取相应的解决措施后,低频误差可控制在0.8″以内.     

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.      

星敏感器导航星表建立

导航星表是星敏感器系统用来实现恒星星图识别和姿态确定的唯一依据,它的容量、内容、存储读取方式对于完成星敏感器功能和性能指标都极为重要．通过分析恒星在视场中的分布规律,建立起星表的完备性和冗余性与星敏感器视场内导航星的数量之间的关系,确定了导航星数量,提出了筛选导航星的原则和方法,为了实现星表的快速搜索,对导航星表的组织形式进行了详细讨论．构造一个由2510颗0～6等导航星组成的导航星表,满足了星敏感器星图识别和姿态确定的需求．     

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.     

基于资源一号02B卫星红外地球敏感器和星敏感器的自主导航

 本文阐述了利用星敏感器和红外地球敏感器进行自主导航的原理。以资源一号02B卫星的飞行数据为基础,进行了自主导航的研究,结果表明采用国产红外地球敏感器和星敏感器的资源一号02B卫星可以实现较高精度的自主导航,说明了该方案的可行性。     

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     

多视场星敏感器工作模式设计

针对多视场星敏感器的特点设计了两种工作模式:高精度工作模式和高更新率工作模式.中央时序控制器根据指令完成工作模式配置,以相应的时序启动图像采集处理模块.结合工作模式的时序特点,在FPGA(Field Programmable Gate Array)内部设计了3个星点质心提取模块,与各自对应的图像采集模块同步运行,实现了两种工作模式下多视场星图快速质心提取.采用Cypress公司的IBIS5-A-1300作为图像传感器,基于FPGA设计了实验平台,对工作模式配置及数据更新率进行测试.实验结果表明:工作模式可灵活配置和切换,在高更新率工作模式下,星敏感器的数据更新率为传统单视场情况的3倍.     

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.     

基于LCOS拼接技术的动态星模拟器设计

提出了以LCOS为核心器件的动态星模拟器设计方案, 采用光学拼接方法实现 了高精度的使用要求, 计算出星模拟器光学系统的焦距、单星张角等光学参 数, 详细介绍了两片LCOS光学拼接的原理和方案, 给出了动态星图的实现方 法, 并对其误差进行了分析. 结果表明, 所设计的动态星模拟器视场 为10.2°× 10.2°, 模拟星等为2～6.5等, 单星 张角优于20", 星对角距误差优于22", 满足星模拟器大视场、高动态 性、高精度、刷新频率快等需求.      

多曝光星敏感器的全运动参数建模及优化设计

多曝光成像方法是一种有效提升星敏感器姿态更新率的技术，但该方法随着运动角速度及角加速度增大，相邻星点轨迹的交叉概率显著增大，严重影响其提升性能。为了解决上述问题，建立了基于星敏感器全运动参数的星点成像位置模型，并据此确定了星点在工作周期内的运动位移。根据该模型，对交叉概率与全运动参数、焦距、星点位置等的关系进行了仿真，并确定了全运动参数的极限安全值为角速度ω≤26.4（°）/s，角加速度α≤5（°）/s2。外场观星实验充分验证了所提方法的有效性。      

CCD星敏感器光学系统设计

介绍ＣＣＤ星敏感器用光学系统设计的参数选择,光学系统的设计光谱范围０．４８、０．８５μｍ;焦距为７５ｍｍ,Ｆ／１．４４,视场８．５°。该系统为复杂化的Ｐｅｔｚｖａｌ结构形式;以点列图能量集中度和能量重心偏评价光学系统的成像质量。所选用的ＣＣＤ芯片像元尺寸为２３μｍ×２３μｍ,像元数３８４×２８８,全视场内混色光点列图能量重心偏最大值１．６μｍ,对应于４．３９角秒。     

A robust star identification algorithm with star shortlisting

A star tracker provides the most accurate attitude solution in terms of arc seconds compared to the other existing attitude sensors. When no prior attitude information is available, it operates in “Lost-In-Space (LIS)” mode. Star pattern recognition, also known as star identification algorithm, forms the most crucial part of a star tracker in the LIS mode. Recognition reliability and speed are the two most important parameters of a star pattern recognition technique. In this paper, a novel star identification algorithm with star ID shortlisting is proposed. Firstly, the star IDs are shortlisted based on worst-case patch mismatch, and later stars are identified in the image by an initial match confirmed with a running sequential angular match technique. The proposed idea is tested on 16,200 simulated star images having magnitude uncertainty, noise stars, positional deviation, and varying size of the field of view. The proposed idea is also benchmarked with the state-of-the-art star pattern recognition techniques. Finally, the real-time performance of the proposed technique is tested on the 3104 real star images captured by a star tracker SST-20S currently mounted on a satellite. The proposed technique can achieve an identification accuracy of 98% and takes only 8.2?ms for identification on real images. Simulation and real-time results depict that the proposed technique is highly robust and achieves a high speed of identification suitable for actual space applications.     

基于Delaunay三角剖分的全天自主星图识别算法

在地球物理建模中,Delaunay三角剖分因其对给定点集进行三角剖分具有剖分结果唯一性这一重要特点而得到广泛应用.采用Delaunay 剖分这一性质,首次将Delaunay剖分算法应用到星图识别中.利用全天球星图的剖分不变性,采用有界曲面剖分的边界递归法,生成有序且容量小的完备导航星库;利用二维Delaunay三角剖分对视场内恒星星图进行剖分,将其结果进行快速匹配识别.仿真实验结果表明与现有的星图识别算法相比,此算法具有高的识别率,良好的实时性和鲁棒性,且所需导航星库的容量小,检索速度快.     

基于畸变影响的动态星模拟器星点位置修正方法

介绍了动态星模拟器工作原理及星点位置误差计算方法,提出一种基于星模拟器自身光学系统畸变影响的星点位置修正方法,根据星点位置修正原理,建立修正模型并推导出相应公式. 通过对动态星模拟器光学系统进行分析,在畸变曲线基础上利用Matlab拟合得出光学系统视场与星点位置修正量的关系曲线,通过确定星点位置修正临界视场并选取适当修正范围,根据公式对星点位置进行修正以满足星模拟器的设计指标,利用该修正方法能够有效降低对动态星模拟器光学系统畸变设计的要求,为动态星模拟器误差修正提供有效方法.