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.     

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.     

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".      

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.      

航天器设备动力学分析模型简化方法与应用

针对航天器设备因构成复杂引起的动力学分析模型建模困难问题,提出一种基于拓扑优化技术的有限元模型简化方法,以设备实测质量特性为约束条件,通过拓扑优化方法确定设备有限元模型可行设计空间中的材料分布,实现对结构刚度性能的模拟,获得满足动力学特性分析需要的简化的设备有限元模型。应用该方法创建了某星敏感器简化有限元模型,得到的星敏感器简化模型与产品实际质量、质心位置和转动惯量特性基本一致,并且前两阶频率分析值与试验值之间最大偏差约为30%。将该简化模型应用于其支撑结构的动态响应性能评估,两者组合体固有频率及加速度响应趋势的分析数据在450Hz以下的频率范围内与试验数据吻合较好,固有频率最大偏差约为39%。星敏感器简化模型的应用验证了基于拓扑优化技术的有限元模型简化建模方法的可行性,为航天器上复杂设备动力学分析有限元模型的简化建模提供了一种新的解决途径。     

基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断

针对使用两个星敏感器进行姿态测量的三轴稳定控制系统,利用星敏感器输出值与陀螺输出值的解析冗余关系,通过设计两个滤波器实现对不同星敏感器的故障隔离.考虑到陀螺测量噪声以乘性噪声的形式出现在姿态运动学方程中,利用陀螺输出测量值和目标星敏感器的测量值,采用线性最小均方差估计器得到包含目标星敏感器故障信息的残差; 以无故障情况下残差的统计方差为基础得到阈值,通过检验残差评价值是否超过相应的阈值,实现对目标星敏感器故障的检测; 分别将两个星敏感器作为目标星敏感器,综合两个故障检测结果隔离故障.对星敏感器出现测量偏差和精度逐渐下降两种故障的仿真验证了该方法的有效性.     

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.      

内外参数精确建模的太阳敏感器标定

对数字式太阳敏感器标定,现有的多项式拟合和只有内部参数的简单建模方法标定精度低,为提高标定精度,提出一种基于内外参数精确建模的标定方法.通过分析太阳敏感器标定系统的内外参数,建立太阳敏感器标定模型,基于太阳模拟器和两轴转台获取标定点数据,采用最小二乘法分两步优化得到各模型参数.该方法不需要太阳光线与太阳敏感器成像面的初始对准,操作方便,同时通过精确分离太阳敏感器内外参数,避免了标定系统外部参数误差对太阳敏感器内部参数标定的影响,且通过两步优化,进一步提高了太阳敏感器的标定精度.实验结果表明:该方法的标定精度达0.005°(±60°视场),比常用的标定方法的标定精度(0.02°)提高约4倍.      

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.     

星敏感器光轴热稳定性仿真分析方法

热稳定性用来衡量星敏感器光轴指向抵抗温度变化影响的能力,常用试验及仿真的方法进行分析验证.仿真方法因其高效率、低成本、可贯穿产品设计全周期等优点,已成为热稳定性分析验证的重要手段.开发了一种热 力 光联合仿真分析的方法进行星敏感器热稳定性计算.该方法集合了热分析、变形分析、成像仿真及热漂移计算等多项仿真分析过程.以某高精度星敏感器为例,进行了热稳定性计算,结果表明了该仿真方法的有效性.     

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.      

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°.      

高精度星相机光学系统像质评价及实现

摘要： 高精度星相机光学系统是实现高性能星相机的关键技术.从工程实际出发，梳理星相机光学系统像质评价的指标，重点论述星点质心位置指标分解、光学系统评价指标分解过程.分析认为星相机光学系统设计过程中需关注质心位置偏差和质心位置与理想像高的偏差、温度分析需兼顾均匀温升及梯度温度变化.给出一个继承于双高斯结构形式的设计实例，结合像差理论进行消热设计和畸变控制，分析不同温度条件下不同类别恒星的质心位置一致性.设计结果表明该光学系统可满足高精度星相机指标要求.     

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.     

一种基于恒星分布的星敏感器导航星库制作方法

为了进一步提升星敏感器的定姿精度,分析了恒星的空间几何分布对姿态精度的影响,提出了一种基于恒星分布的星敏感器导航星库制作方法。在分析对比了现有星库的基础上,选择了精度较高的依巴谷星库作为基础星库,并剔除了暗星和双星以精简星库。遍历全天球对每个视场的星库中的空间几何分布进行分析对比,删除定姿较差的3颗星。对星库进行遍历补偿,保证了星库中恒星分布的均匀性。实验结果表明,全天球轨道测试中,本文方法制作星库的全天识别率为100%,且星颗分布数10颗以上天区占到97.64%,具有良好的覆盖性,同时有效提升了姿态精度。     

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.      

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%.      

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.