空间背景光星模拟器系统设计

为实现星敏感器光信号的高精度标定需求,提出了一种具有空间背景光的星敏感器地面标定系统,解决了空间背景光对星敏感器光信号定标精度的影响,提高了星敏感器的标定精度.对空间背景光对星敏感器标定精度的影响进行分析,给出了具有空间背景光的星模拟器实现方案,设计了能同时模拟空间背景光和星点位置信息的星模拟器光学系统.结果表明,该系统全视场相对畸变小于0.01%,MTF在80lp·mm-1处大于0.5,达到了高精度指标要求.设计了一套空间背景光系统,通过对电流和可变光阑的控制,实现了亮度26倍变化.提出了一种基于像差补偿的星点位置修正方法,并给出了修正模型.利用徕卡T6100经纬仪和照度计,分别对星模拟器所在的星点位置误差和空间背景光亮度进行测试.结果表明,空间背景光亮度可实现26倍调整,在最高能量和最低能量下星模拟器星点位置误差精度<10",满足星敏感器地面标定要求.      

离轴反射式星敏感器地面标定设备光学系统设计

在星敏感器随航天器升空完成姿态测量任务之前,需在地面对其进行标定试验.为满足星敏感器更高精度标定要求,针对常规地面标定设备光学结构在应对大口径、长焦距、宽光谱需求时存在的弊端,设计了一种离轴光管作为准直光学系统,研究了离轴光管装调方法,并对像质进行了评价.重点研究了一套照明系统对星点亮度进行精确控制,采用LED阵列式背光板为光源,并利用照度计对光源亮度进行多次测试,测得的数据表明可对7个连续星等进行模拟,相邻星等间亮度模拟误差小于0.8%.所设计的光学系统可为研制深空探测星敏感器提供地面标定基础.      

星模拟器驱动软件的研究

星模拟器是星敏感器的标定设备之一,主要用于星敏感器的地面调试.星模拟器的驱动软件是该系统的重要组成部分.本文概要地介绍了星敏感器系统的组成并针对对星模拟器软件设计中任务星库的选取、任务星库的分区、星点位置的确定、星等的模拟问题进行了讨论.     

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°.      

星敏感器光谱探测能力用地面模拟测试系统设计

为实现对星敏感器光谱探测能力的测试和标定, 研制了一套可模拟恒星光谱的地面标定系统, 要求其光谱模拟精度优于10%. 采用光谱分布可控、光强可调的模拟照明系统作为地面标定系统的核心器件来模拟恒星光谱变化, 设计高成像质量准直光学系统使模拟星图成平行光出射, 在光学系统出瞳处产生星图, 完成具有恒星光谱信息的高精度星图模拟. 进而利用Lighttools建立标定系统的光谱仿真模型, 仿真结果表明恒星光谱模拟精度优于10%.      

基于卷积曲面的动态实时星图模拟

多星模拟器可动态刷新显示变化的星空,是星敏感器测试的关键设备。在动态条件下星点成像发生拖尾,要求星模拟器能够准确、实时仿真拖尾星图。建立了动态拖尾星点的卷积曲面模型。该模型是星点光斑弥散函数与权重函数沿着星点运动轨迹的卷积,可描述以任意形式运动产生的拖尾星点。提出了一种基于卷积曲面的像素离散算法,解决了星图仿真实时性不够的问题。先将星点轨迹分割为多段,再计算得到每段轨迹对应形成的星点光斑的像素值,将所有星点光斑累加。所提算法将多重积分化简,使得仿真速度提高了一个数量级,多星模拟器的刷新率达30 Hz。      

光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计

为解决由于色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响,提出一种光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计方案.该高精度准直光学系统的光谱范围为500~800nm,像质测试结果表明,全视场畸变小于0.08%,MTF在60lp·mm-1处大于0.6.基于DMD光源系统的组成和工作原理,对光谱分辨率和光谱曲线模拟精度进行分析,设计了一套光谱分辨率全谱段优于2nm的Czerny-Turner分光系统.测试结果表明,星点位置精度优于7";光谱分辨率为10nm和20nm时光谱曲线模拟精度分别优于2%和5%,有效降低了由于色温不匹配对星敏感器标定精度的影响.      

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.      

动态拖尾星图模拟算法研究

星图模拟技术是星图识别算法仿真和性能测试的基础.为了更好地模拟星敏感器在轨工作的情况,对星敏感器的软件开发以及自身性能进行有效的地面测试,提出一种动态拖尾星图模拟算法.该算法分为4个步骤:首先根据星敏感器指向在全天球范围内搜索导航星;接着利用小孔成像模型计算导航星在星敏感器成像面的投影位置;然后在考虑卫星运动引起的恒星拖尾的基础上,按照二维灰度分布规律置灰度值来模拟星像点像素;最后叠加杂散光背景及成像器件引起的噪声.提出的算法具有速度快、精度高及可实现性高等优点.     

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".      

一种CCD星图星点快速定位算法

大尺寸CCD星图快速处理是制约天基光学观测器件性能的关键因素之一,在星敏感器、空间监视载荷等研制中具有重要意义.通过对CCD星图图像特点的分析,提出了以最大概率实现背景噪声滤除的星图预处理准则;在此基础上,提出了通过两次投影检测实现星点位置测量的算法.与传统方法相比,该算法实现简单,节约了计算量和存储量.对分辨率为2048×2048的CCD实拍星图的实验研究表明了该算法的有效性.      

Progress of Double Star Program

The Double Star Programme (DSP) is the first joint space mission between China and ESA. The mission, which is made of two spacecraft, is designed to investigate the magnetospheric global processes and their response to the interplanetary disturbances in conjunction with the Cluster mission. The first spacecraft, TC-1 (Tan Ce means "Explorer"), was launched on 30 December 2003, and the second one, TC-2, on 25 July 2004 on board two Chinese Long March 2C. Due to the importance of and success of DSP, both CNSA and ESA approved the extension of DSP. This paper presents DSP mission and some important scientific results made based on the data of DSP.     

一种基于三正交主轴平面的快速星图模拟方法

为在地面上进行星图模拟以测试星图识别算法和星敏感器性能, 提出了一种新的快速星图模拟方法. 该方法利用截面圆和固定区域的性质, 将单位天球按照三个正交主轴平面进行等分, 根据赤纬值求解恒星矢量与主轴平面夹角来确定选星条件, 进而根据坐标变换原理进行星图模拟. 为验证所提方法与现有方法相比的优势, 进行了大量的仿真实验. 实验结果表明, 与现有星图模拟方法相比, 本文方法在保证星图模拟精度的条件下, 选星速度提高了3倍以上.      

一种模拟CCD星图的方法

星识别算法在空间飞行器自主姿确定系统中是不可缺少的。同时将ＣＣＤ所拍摄的星图作为算法的输入,无论是软件调试还是地面试验,抑或是对各种算法的评估,也是必不可缺少。     

一种基于主星的导航星座构造方法

提出了一种基于主星的导航星座构造方法,利用不等式约束下多变量函数最优化问题的求解方法实现了导航主星的选取和导航星座的构造。实验表明,采用该方法构造的导航星座数据库,既不会造成导航星的丢失,又显著地减少了需要存储的识别基元的数量,从而有效地降低了导航星座数据库的存储容量。     

Modified gradiometer technique applied to Double Star (TC-1)

On TC-1 (Tan Ce 1), the equatorial spacecraft of the Double Star mission, a strong spin-synchronized magnetic interference from the solar panels was observed. In-flight correction techniques for spinning spacecraft that are based on minimizing spin tones in the spin-aligned component and in the magnitude of the ambient magnetic field are therefore not possible in this case. However, due to the fortunate situation that the spacecraft carries two flux-gate magnetometers on the same boom (at 0.5 m distance from each other), the spacecraft field effects could be removed from the spin-averaged data to achieve 0.2 nT relative accuracy, by using a gradiometer technique. Methodology and results are presented. The obtained accuracy allows the use of the data in multi-spacecraft studies together with the Cluster satellites.     

捷联惯导与星敏感器组合导航算法研究

以Kalman滤波为基础,通过将捷联惯导系统和星敏感器所测得的飞行器相关姿态信息进行数据融合,估计出组合导航系统的误差状态量,进而修正捷联惯导系统的位置、速度和姿态角。详细推导了捷联惯导与星敏感器组合导航的算法,并通过对仿真结果的分析证实了该方案的可行性和算法的有效性。     

高精度高动态星模拟器研究

给出了高精度高动态星模拟器系统组成和总体结构, 提出一种基于亚像素显示技术提高动态星模拟器星点位置显示精度从而减小星点几何中心与能量中心位置偏差的新方法. 针对动态星模拟器高动态性要求, 提出一种快速精确检索全天球导航星的新方法, 将已知SAO (Smithsonian Astrophysical Observatory) 星表进行分区, 计算当前姿态四元数并分析航天器视轴所在区域, 对于距离视轴较远区域停止搜索和匹配, 很大程度上缩小了导航星搜索范围, 进而缩短了全天球恒星遍历所需时间. 软件测试结果表明, 此快速检索法可使全天球导航星的选取速度提高近10倍.      

真空下星敏感器地面校准设备观察窗形变及光路分析

观察窗设计是星敏感器地面校准设备高低温真空罐设计中的一项关键技术。观察窗设计的好坏将直接影响地面校准设备的校准精度。由于观察窗受到内外压差时会发生挤压变形,光线通过变形窗时发生偏移,同时观察窗内外介质密度的不同也会引起光线的偏差,最终星敏感器所接受的光线不是原本的入射光线,导致光线校准出现偏差。针对上述问题本文通过应用ANSYS和MATLAB给出一种有效的计算方法,该方法既可以计算出观察窗的形变量,同时在形变的基础上计算出光线传输的改变量,为后续的地面校准提供补偿参数。     

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.