星敏感器误差分析与补偿方法

星敏感器是目前航天器精度最高的姿态测量部件,其误差是影响姿态确定系统精度的关键要素.依据误差频率特性,系统地对星敏感器误差进行分析,主要阐述星敏感器低频误差和高频误差产生的原因以及当前的抑制与补偿方法.在此基础上,根据星敏感器误差的特点,展望星敏感器低频误差以及高频误差抑制与补偿方法的发展趋势.     

星敏感器低频误差在轨校准方法研究

研究星敏感器低频误差在轨校准问题.星敏感器低频误差主要由周期性的空间热环境变化造成,会对卫星姿态确定精度造成显著影响.针对这一问题,提出一种星敏感器低频误差校准新方法,通过扩维卡尔曼滤波同时估计卫星姿态和低频误差参数.研究表明,采用所提低频误差校准方法能够显著提高姿态确定系统的性能.基于在轨卫星上的星敏感器遥测数据建立了用于数学仿真的星敏感器低频误差模型,数学仿真结果验证了低频误差校准方法的有效性.     

基于地标信息的星敏感器低频误差标定方法

针对星敏感器及其安装结构热变形等因素引起的星敏感器低频误差(LFE)影响卫星姿态确定精度的问题,提出了根据有效载荷提供的地标信息,采用最小二乘算法标定星敏感器低频误差的方法.考虑到卫星姿态确定系统是为有效载荷服务的,为了使卫星姿态确定系统输出的姿态信息与有效载荷相一致,从而准确反映有效载荷的指向变化情况,星敏感器低频误差的标定以有效载荷提供的地标信息为观测量进行.仿真结果表明,所提方法能够有效减弱星敏感器低频误差对卫星姿态确定精度的影响,从而提高卫星姿态确定精度.     

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.     

星敏感器姿态测量相对基准偏差在轨标校方法研究

摘要： 对航天器星敏感间姿态测量基准偏差在轨标校及性能评估问题进行研究.建立包含敏感器安装误差与测量误差的星敏感器模型,针对两种不同形式的安装误差模型,推导出相应的观测方程,基于卡尔曼滤波方法设计相对基准偏差估计器,并比较分析两种估计器实际应用特点.然后针对在轨实际应用,给出一种基于敏感器光轴夹角的标校性能评估方法,通过数学仿真验证星敏感器相对基准偏差的标校的有效性,并基于在轨数据的标校应用获取相对基准偏差在轨特性.     

大角速度条件下星像运动轨迹建模及误差评估

在大角速度条件下星敏感器成像平面上的星像会产生严重拖尾,影响星敏感器性能。为了全面认识星敏感器的星像运动轨迹形式,并定量评估星像运动对星点提取过程的影响,首先研究建立了星敏感器成像平面上星像运动轨迹的数学模型,推导出在成像平面上星像运动轨迹为一段圆弧;然后建立了星像运动时的能量分布模型,并对大角速度条件下基于质心法的星点坐标误差进行了评估,分析得到星点坐标误差的模近似可用星像运动轨迹长度的二分之一来衡量。仿真实验结果验证了所得结论的正确性。      

基于精密时间的星敏感器绝对姿态基准的建立

根据星敏感器外场试验的实际需要,提出一种用于建立星敏感器参考姿态基准的方法.介绍星敏感器参考姿态基准建立的基本原理;分别求取从赤道惯性坐标系i系到地球坐标系w系的转换矩阵Cw1（依靠原子钟精密计时）、从w系到地理坐标系t系的转换矩阵Ctw、从t系到平台坐标系p系的转换矩阵Cpt,从p系到星敏感器坐标系s系的转换矩阵Csp,从而得到i系到s系的转化矩阵Cs1;根据Csi求取星敏感器的姿态角,作为参考姿态基准;编制求解星敏感器参考姿态基准的电算化程序,并绘制星敏感器3个姿态角的误差曲线,最大误差小于0.25″.仿真结果表明,通过精密时间得到的姿态可以作为星敏感器外场试验的参考姿态基准.     

基于星敏感器的卫星角速度估计精度分析

重点研究星敏感器自身特性对角速度估计精度的影响,分析了星敏感器动态情况下恒星矢量测量精度,推导出恒星矢量测量误差与星像目标中心提取误差之间的关系;进而研究了最小二乘角速度估计算法的精度,得出其精度影响因素:星像目标中心提取误差、曝光时间、恒星矢量数目及相互夹角;最后以给定的星敏感器参数和实际恒星分布进行数学仿真,验证了采用星敏感器估计角速度的可行性.     

基于粒子群寻优的高精度星敏感器在轨标定方法

星敏感器结构设计与安装过程会产生多种误差，主要误差源有星敏感器像平面主点误差、主距误差、倾斜误差与旋转误差，这些误差影响了星敏感器在轨标定的精度。本文根据星敏感器的误差模型，提出了一种高精度的星敏感器在轨标定方法。在已知含有误差的像平面的基础上，构造一个虚拟的像平面。当粒子群优化算法使含有误差的像点投影到虚拟像平面上的坐标与无误差时像点的坐标一致时，再利用Quest解算出三轴姿态角求得两个像平面之间的姿态矩阵，得出两像平面之间的关系。结果表明：星敏感器姿态确定精度较高且比较稳定。这种方法与传统标定方法的优势在于不依靠陀螺信息，原理简单，提高了数据的准确性。     

一种多帧相关滤波的星敏感器像素非均匀性误差校正方法

为了进一步提升星敏感器的星点定位精度,分析星敏感器的像素误差来源和形成机理,提出一种多帧相关滤波的像素非均匀性误差校正方法.根据星图中星点的位置确定质心定位域和局部校正域,利用当前帧星图信息和前一帧的局部校正域信息预测当前帧的校正域,满足校正条件后采用差分法校正质心定位域.实验结果表明,本文方法能够较好地预测星图的非均匀性噪声,提升星点定位精度,具有较好的鲁棒性.     

镜筒热形变对星敏感器测量精度的影响

 空间环境温度以及阳光热效应对星敏感器测量精度有一定影响。研究镜筒热形变对星敏感器测量精度的影响,计算温度均匀分布和非均匀分布条件下,圆柱形镜筒和圆锥形镜筒热形变导致的透镜倾斜量和平移量,研究典型星敏感器光学系统中恒星像斑位置和能量分布的变化情况。在镜筒温度均匀分布条件下,温度变化20℃时,圆柱形镜筒和圆锥形镜筒的星敏感器测量误差分别为0.6″和0.9″;在镜筒温度非均匀分布条件下,镜筒上侧与下侧的温差为30℃时,圆柱形镜筒和圆锥形镜筒测量误差约为2.2″和3.3″。计算结果表明,圆柱形镜筒热稳定性优于圆锥形镜筒。     

Precision analysis of autonomous orbit determination using star sensor for Beidou MEO satellite

This paper focuses on the autonomous orbit determination accuracy of Beidou MEO satellite using the onboard observations of the star sensors and infrared horizon sensor. A polynomial fitting method is proposed to calibrate the periodic error in the observation of the infrared horizon sensor, which will greatly influence the accuracy of autonomous orbit determination. Test results show that the periodic error can be eliminated using the polynomial fitting method. The User Range Error (URE) of Beidou MEO satellite is less than 2?km using the observations of the star sensors and infrared horizon sensor for autonomous orbit determination. The error of the Right Ascension of Ascending Node (RAAN) is less than 60?$\mathrm{\mu }\text{rad}$ and the observations of star sensors can be used as a spatial basis for Beidou MEO navigation constellation.     

星载立体测绘相机立方镜间姿态标定

介绍了测绘相机立方镜与星敏感器立方镜间坐标系转换关系的标定方法。采用4台自准直经纬仪分别对两个立方镜进行准直测量,建立立方镜坐标系,并推导了基于准直测量角度的立方镜坐标系的旋转矩阵公式;利用经纬仪间短边互瞄方法实现两个立方镜间姿态的传递。标定试验表明,该方法可以标定出两立方镜坐标轴间夹角以及测绘相机间的姿态关系,满足了相机研制要求。     

一种利用星敏感器的航天器自主定位方法

提出用星敏感器和地平仪测量星光与地平之间的“星光仰角”为观测量，用推广卡尔曼滤波方法来实时估计航天器的最佳位置的自主定位方法。分析比较了同时瞄准恒星的个数、星敏感器的精度以及改变采样周期对航天器定位误差的影响。     

恒星地球模拟器的光学系统设计与精度模拟分析研究

为实现对敏感器的地面标定与精度测试, 需研制一套恒星地球模拟器, 要求其星间角距模拟精度优于10", 地球张角模拟精度优于0.05°. 通过设计高精度准直光学系统与高精度紫外准直光学系统, 实现了对星点位置与地球图像的无穷远距离模拟; 提出了星点位置模拟误差修正方法与地球图形模拟误差修正方法, 提高星间角距和地球张角的模拟精度.实测星间角距与地球张角模拟结果表明, 该模拟器的星间角距模拟精度优于10", 地球张角模拟精度优于0.02°.      

基于Allan方差法的光纤陀螺建模与仿真

介绍了一种与实际情况相接近的陀螺模型,并给出了根据光纤陀螺的角度随机游走（ARW）和角速率随机游走（RRW）系数模拟产生陀螺随机误差数据的方法．角度随机游走和角速率随机游走系数可通过Allan方差法获得．理论分析表明,模拟产生的陀螺随机误差具有与实际的角度随机游走和角速率随机游走误差相一致的功率谱密度．通过仿真对文中所述的模拟产生陀螺随机误差的方法进行了验证,表明了方法的有效性．该方法可用于分析由陀螺和星敏感器构成的卫星姿态确定系统的性能．