H波段折反式星敏感器光学系统设计

面向短波红外星敏感器在机载平台、弹载平台以及舰载平台的应用需求,设计了H波段折反式星敏感器光学系统。该折反式镜头总长为232mm、焦距为704.3mm、全视场为2°、F数为3.9、探测极限星等为6。结果表明：调制传递函数值接近衍射极限,在奈奎斯特采样频率处大于0.5;各视场径向能量趋于一致,弥散斑可覆盖2~3像元;相对畸变小于0.1%,满足指标要求。本文可为近地空间短波红外星敏感器的工程应用提供理论基础与技术支持。     

小型化星敏感器技术

对小型化星敏感器的软、硬件及光学设计技术进行了研究.通过光学系统中高稳定的光机结构设计、大通光孔径低畸变的镜头和40°太阳保护角的遮光罩设计达到光学指标.硬件设计采用轻小型低功耗电路、FPGA完成图像采集和星点提取技术,软件设计采用改进型全天识别算法、具快速主动预估功能的星跟踪技术.小型化星敏感器产品地面验证及应用结果表明:产品的主要性能达到指标要求.     

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。     

高动态条件下星点像斑建模与补偿

高动态条件下星点提取有两个难点：一是暗弱星点目标湮没在噪声中不易识别，质心定位精度较差；二是星点像斑可能断裂，无法用常用的连通域算法提取。针对上述难点，本文建立了高动态条件下星点像斑模型，提出了基于该模型的像斑补偿与质心定位提取算法。该方法分为四步：第一，利用卡尔曼滤波实现星点像斑静态模板的实时迭代；第二，基于静态模型与星点运动模糊模型建立星点像斑动态模型；第三，以动态模型作为模板在恒星跟踪窗口内进行相关性匹配以确定星点像斑位置；第四，基于动态模型补偿星点像斑，并计算质心位置。实验结果表明，该方法能有效解决高动态条件下暗弱星点提取与断裂残损星点修复问题。相比传统算法，姿态精度误差均值减少了40.9%，最大误差减少了81.2%；星点提取率达到100%，提高174.5%，提取星数相比阈值分割与连通域法提高了173%。     

基于并行运算体系结构的星敏感器图像处理算法

采用FPGA构建星敏感器图像处理并行计算体系结构。星敏感器图像处理算法由高通滤波、星点提取和星点排序3个模块组成。高通滤波模块基于图像局部加窗计算阈值的方法,星点提取模块采用逐行扫描的计算方法,星点排序模块采用基数排序的计算方法。星敏感器图像处理算法基于四级流水并行计算体系结构,显著提高了星敏感器图像处理的效率和算法的可靠性。
     

基于相对距离估计的空间非合作目标跟踪方法

在采用光学手段的天基目标远距离跟踪过程中,由于仅有测角信息,存在目标跟踪精度随时间累积下降或目标丢失问题。针对该问题提出一种基于相对距离估计的静止轨道空间非合作目标跟踪方法。首先,以主航天器坐标系为参考,构建非合作目标的相对运动模型,基于Clohessy-Wiltshire (C-W)方程建立跟踪方程;然后,以相对距离作为单位量进行归一化处理,将难以观测的相对距离转化为速度与距离之比,并利用空间目标的坐标估计径向分量,从而得到空间非合作目标的相对运动轨迹。最后,对算法进行仿真验证,以空间目标的实际运动轨迹和预测轨迹的偏差角度为指标考核算法性能。仿真结果表明,在实际工程应用中,该跟踪算法可获得较高精度的运动轨迹,同时便于工程实现。     

高精度星敏感器热设计研究及仿真验证

为实现某高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用,对该星敏感器的热设计进行了分析研究,并选取典型的高温工况和低温工况进行讨论。基于热网络模型对高温工况和低温工况计算及仿真分析,提出了星敏感器与卫星舱体在导热和隔热2种安装情况下的热控措施。分析结果表明:当星敏感器导热安装时,将安装面温度控制在-15～0℃,在其外表面包覆多层隔热组件,可使整机温度适宜;当星敏感器隔热安装时,在其盖板外表面喷涂热控白漆,将遮光罩与盒体隔热安装,设置用于温度补偿的电加热片,将安装面温度控制在-60～-30℃。     

星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法研究

为提高星敏感器抗杂光干扰性能,提出了一种称为背景滤波的全帧型星图处理算法。根据星点和背景不同特征,对背景估计法进行了改进:设定模板尺寸为7"7像素,用模板边缘像素的均值作为中心点的背景估值;将目标点本身引入背景估计,增加目标点权重以抑制背景的残留;设定一较小的固定阈值以分割星点与虚警点,并采用单双点去噪。给出了适宜FPGA并行处理的算法流程。对不同噪声水平下受杂光干扰的星图的处理结果表明:与分块阈值法和高通滤波法相比,背景滤波算法的抗杂光能力更强,虚警率低,星点提取率高,运算简单,便于FPGA实现,有无杂光干扰时的适应性好。     

基于恒星矢量差分的星敏感器星跟踪算法研究

针对现有星跟踪算法依赖外部信息、模型复杂等缺点,结合卫星平台实际,提出了一种新的星敏感器内部星跟踪算法,利用星矢量与角速率间关系进行星点预测。先根据当前帧和前一帧的星矢量,用最小二乘原理估算出角速率,再对角速率进行卡尔曼滤波以减小估计误差,之后用滤波后的角速率预测下一帧的星矢量,将星矢量转为星点坐标,最后在以该坐标为中心的波门中提取星点。讨论了角速率估计误差、截断误差、星点成像随机误差和定姿星数等因素对算法精度的影响。该方法不依赖外部信息进行预测,模型简单,易于实现。实验验证在星敏感器角速率为0.6(°)/s时,平均跟踪精度0.55像素,证明了其有效性。