遥感微纳卫星载荷平台高精度标定技术研究

遥感微纳卫星平台姿态测量数据与成像载荷实际姿态误差较大,因此在获得更高图像质量、高精度定量化应用方面面临巨大挑战。通过光学载荷在轨小孔成像的方式对恒星星点观测,以实现光学载荷自标定;通过星敏感器和光学载荷在轨分别对恒星星点观测,以实现光学载荷和星敏感器互标定,可对星敏感器和光学载荷安装误差进行修正。地面和在轨验证表明,典型遥感卫星自标定误差优于0.2″,光学载荷和星敏感器互标定误差优于2″, 自标定和互标定可有效地提高光学载荷在轨标定精度。     

基于FPGA的星敏感器探测器制冷控制系统

星敏感器探测器用于得到精确的星图数据以解算出高精度的位置、姿态等信息。而星敏感器在轨运行时,需要控制探测器的工作温度,使其工作性能稳定可靠。文章提出了一种基于FPGA的星敏感器探测器制冷控制系统。该系统采用分段式数字PID控制算法生成脉冲宽度调制PWM波驱动半导体制冷器进行高精度制冷,电路结构简单、可靠性高。通过试验验证,该系统具有制冷响应快、超调量小、控温精度高的特点,控温精度可达±0.25℃。     

近地空间短波红外恒星探测信噪比分析方法

针对星敏感器在近地空间导航应用需求,开展了短波红外恒星探测信噪比分析方法研究。基于恒星目标与天空背景辐射特性,构建了恒星探测信噪比模型,并结合光学系统及图像传感器参数完成了仿真试验。结果表明,同一星等及太阳天顶角下,Ks波段下的恒星探测信噪比最大,H波段次之,J波段最小;同一太阳天顶角及波段下,星等越小,恒星探测信噪比越大;同一星等及波长下,太阳天顶角越大,即恒星与太阳之间角距越大,恒星探测信噪比越大。本文可为新一代近地空间全天时星敏感器系统的方案设计、指标论证、评估应用提供可靠的理论方法与技术支持。     

大视场红外星敏感器折反式光学系统设计

星敏感器是以恒星为探测对象的高精度空间姿态测量装置,广泛应用于卫星、航天飞机、导弹等必备的高精度姿态敏感部件。为了实现在特定环境要求下的精确应用,本文设计了可应用于近红外波长的红外光学系统。首先,根据既定的参数进行了初始结构的选型,并对马克苏托夫望远镜的形式进行了改进。然后,对设计结果进行了探测性能分析。随后对设计好的系统进行了公差分析及优化,使它能满足加工装配需求。最后,为光学系统设计了遮光罩,进行了杂散光分析。设计与分析结果表明：该探测光学系统折反射镜全表面采用球面,系统总长171.2mm,全视场14μm包围能量分布均在86%以上,0.8视场内最大畸变小于4μm。该系统视场大、结构紧凑、装调难度低、探测灵敏度高、探测范围广、温度适应性强,可在0.8～1.9μm近红外波段的宽光谱范围内进行高精度目标检测的准确检测。     

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.     

一种GEO卫星星敏感器热控设计

为解决目前地球静止轨道(GEO)卫星星敏感器热控设计复杂、实施难度大的问题,提出了一种辐射小舱式星敏感器热控设计方案。以东方红-4(DFH-4)平台GEO卫星星敏感器采用辐射小舱式热控设计方案为实例,利用热分析软件TMG建模进行了热分析验证,并根据分析结果对其布局进行了优化。优化结果表明:采用辐射小舱式热控设计方案时,星敏感器的在轨预示温度范围在-26.2～+22.2℃,能很好地满足其温度指标要求,设计方案合理可行,可为GEO卫星上同类设备的热控设计提供参考。     

基于动态框搜索的星图中星点获取算法研究

分析星图中星点获取算法的具体流程,针对传统星体目标聚类方法的不足,提出了动态框搜索算法。首先采用固定像素框搜索区域最大灰度值点,然后以该点为中心,结合星图图像中真实星点的分布情况,采用大小可变的像素框进行星体目标聚类,最后采用加权质心法得到星点的中心位置。仿真实验表明,该算法能达到良好的效果。     

远场假设对喷流噪声预测中格林函数求解的影响

目前基于雷诺平均Navier-Stokes（RANS）的喷流噪声预测方法在格林函数求解时, 为简化求解过程,通常对喷流流动做平行流假设, 对观测点做远场假设。随着格林函数求解方法发展,近年来的研究表明平行流假设对下游观测点格林函数的计算会引起较大偏差,而目前远场假设对格林函数求解的影响仍不清楚。为研究远场假设对喷流格林函数求解的影响,以二维喷流为例, 采用计算气动声学方法（CAA）分别数值求解了观测点远场假设条件与实际条件下90°~150°方向喷流内伴随格林函数,进而分析远场假设对格林函数求解的影响。研究结果表明,对于不同方向的观测点,由观测远场假设导致的伴随格林函数求解偏差不尽相同,且对于越靠近喷流中心线方向的观测点,远场假设导致的偏差越大,其中150°方向观测点,采用远场假设后,格林函数计算结果最大偏差达到-15 dB以上。因此,对于靠近喷流中心线方向的噪声观测点而言,为避免预测偏差,应采用实际观测条件求解喷流格林函数。     

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.     

一种高精度星敏感器用遮光罩

分析星敏感器在轨所受到的杂光的特点,对星敏感器常用的遮光罩结构进行分析和对比说明.给出一种结构简单、体积和重量较小的一级遮光罩,使用TracePro对其杂光抑制性能进行分析,给出其PST曲线及30°太阳入射角时的杂光在像面上的照度分布图.对该遮光罩进行了杂光实验,给出像面上A、B、C三区的杂光均值随太阳入射角的变化曲线.仿真分析结果与实验结果表明该遮光罩杂光抑制能力较好,可以满足星敏感器的杂光抑制要求.