面阵CCD电子线路在星敏感器设计中的应用

本文阐述了星敏感器的工作原理和系统要求，讨论了面阵ＣＣＤ在星敏感器中的应用方法，提出了星敏感器关键敏感器件的线路实现方案，对星敏感器硬件电路的设计进行了分析和研究，并在此基础上对实际电路进行了测试，分析了测试结果。     

硬X射线调制望远镜卫星甚高精度星敏感器设计与在轨验证

针对硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星的高精度姿态测量需求,研制了一种基于定制CCD图像传感器的甚高精度星敏感器。文章介绍了甚高精度星敏感器的总体设计,包括结构设计、电子学设计、光学设计、软件和算法设计等方面,并进行了甚高精度星敏感器的地面观星试验和在轨验证,结果表明:甚高精度星敏感器惯性姿态测量精度可达到亚角秒级,相比市场上常规星敏感器的测量精度3″～10″有了进一步的提高。     

航天器舱内星敏感器简化热分析方法及在轨验证

一般返回类航天器的星敏感器安装于舱内,通过光窗实现在轨应用。安装于舱内的星敏感器在轨热仿真鲜有人研究,舱内与舱外星敏感器的热仿真边界不同,且需要考虑安装于航天器舱板上的光窗对星敏感器计算温度的影响。文章提出舱内星敏感器的热仿真简化处理方法,即利用局部精细模型准确求解透过光窗到达星敏感器各个位置上的外热流,再配合整器热模型准确求解舱内星敏感器温度,不需要修改整器热模型,保证航天器研制进度的同时,实现了星敏感器在轨温度的精确仿真。分析结果与在轨飞行温度数据比对后一致性良好,可为舱内星敏感器在轨热分析提供工程借鉴。     

一种四通式星敏感器支架结构设计与分析

为了提高在轨几何定标精度,遥感卫星高精度姿态测量和控制是关键环节之一;星敏感器是最精密的姿态测量部件,提高星敏感器的在轨指向精度意义重大。星敏感器的指向误差主要是由星敏感器支架(以下简称星敏支架)受空间环境影响产生的变形所导致。文章针对某遥感卫星星敏感器指向小于2″精度需求,设计了一种四通式星敏支架,可提供3台星敏感器的安装接口,实现星敏感器一体化安装,并对星敏支架的热稳定性进行了研究。采用有限元法对星敏支架进行了刚度分析,并结合最小二乘法分析了在轨极端工况下温度变化引起星敏感器光轴的变形量。结果表明:星敏支架的带载基频为119Hz,整机振动工况下,星敏感器安装面最大响应不超过8gn,可为星敏感器提供良好的力学环境安装界面;在轨期间星敏支架最大温度波动小于0.5℃,星敏感器指向精度为1.2″,能够实现星敏感器指向精度要求,可为后续星敏支架设计提供参考。     

利用雷达高度计的卫星自主导航

介绍了分别采用斜装天线的雷达高度计，以及雷达高度计与其他敏感器组合实现卫星导航的基本原理。分析了三种不同的雷达高度计组合方案。研究认为影响雷达高度计自主导航精度的关键因素是地形起伏，并由此提出了一个采用雷达高度计、红外地平仪、CCD星敏感器和惯性测量组件的适于近地海洋卫星导航系统组成的设计。     

环月轨道一体式星敏感器热设计及仿真验证

文章提出了一种适用于环月轨道条件下的一体式星敏感器的复合热设计方案。一体式星敏感器自身热耗集中,在环月轨道条件下受太阳辐射和月球红外辐射共同影响,散热条件恶劣。利用热管、热控涂层、多层和电加热器等热控措施相结合的方法,解决了环月轨道条件下的一体式星敏感器的散热问题。通过仿真分析,星敏感器最高温度36.7℃,满足单机温度要求。     

星敏感器支架的改进设计

针对原星敏感器支架要求星敏感器头和遮光罩分离安装的问题,设计了一种星敏感器支架。它具有结构简单、轻量化和易于装配等优点,能实现星敏感器的整体安装。对改进后的支架进行了力学分析和振动试验,结果表明,该支架的强度和刚度均满足要求。     

倾斜轨道星敏感器热控设计及在轨分析

倾斜轨道卫星星敏感器空间外热流复杂多变,同时兼具内功率集中、热容小等特点,这为星敏感器的热设计带来了很大的困难。文章以某临界倾角轨道卫星星敏感器热设计为背景,在详细外热流分析的基础上,提出了一种倾斜轨道星敏感器热设计方案,利用热分析软件Thermal Desktop对此热控系统进行了具体的热分析。星敏感器在轨遥测温度在-19.8^-5.1℃之间,满足温度指标要求,表明星敏感器热设计合理、有效,可为今后倾斜轨道星敏感器热设计提供设计依据。在此基础上,文章利用在轨遥测数据对星敏感器热分析模型进行修正,得出入轨初期星表主要热控涂层退化约为50%的结果,这对于分析近地轨道卫星在轨温度具有一定的参考意义。     

基于星光大气折射的卫星自主轨道确定

本文研究了利用星敏感器进行卫星轨道确定的自主导航方案。这种自主导航方案完全利用高精度的CCD星敏感器，以及大气对星光折射的数学模型及误差补偿方法，精确敏感地平，从而实现航天器的精确定位。以某太阳同步轨道卫星为背景，针对本文给出的星光折射光的卫星导航方案，结合推广的卡尔曼滤波算法，使用模拟数据进行了仿真研究，定位精度为38m。仿真结果说明，星光折射角的测量误差和大气折射模型的不确定性是影响导航精度的主要因素。     

捷联惯导/星敏感器组合系统的在轨自标定方法研究

研究了捷联惯导/星敏感器组合系统中对陀螺仪和星敏感器进行在轨自标定的方法。分析捷联惯导系统和星敏感器的误差源,对陀螺仪随机漂移和星敏感器安装误差进行建模并列入系统状态,建立系统状态方程;利用捷联惯导输出的载体位置、姿态与星敏感器输出的姿态矩阵来构造量测,建立量测方程。设计卡尔曼滤波算法,经过滤波计算获得陀螺仪随机常值漂移和星敏感器安装误差的估计值,从而实现组合系统的在轨自标定。仿真结果表明,基于卡尔曼滤波的在轨自标定方法能够标定出85%以上的陀螺仪随机常值漂移和95%以上的星敏感器安装误差。     

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。
     

使用GPU并行加速的星表检索算法

提出一种基于GPU的恒星检索并行算法,解决大视场下星表检索在仿真应用中效率不高的问题。首先使用经纬度分区法将星表划分为星区存储,然后在可快速查询的分区星表上,提出构造球面三角形法精确求出探测视场覆盖的星区,以有效减小搜索范围。最后,采用计算统一设备架构(CUDA)计算平台,将并行的视场内恒星检索过程放入GPU下进行并行加速。实验结果表明,与面向CPU的实现相比,所提算法获得数十倍的加速比,并且在大视场、宽星等域下将检索时间控制在毫秒级别,满足了实时仿真要求。     

无热化大相对孔径星敏感器光学系统设计

提出了一种大相时孔径轻小型光学系统的设计方案,给出了设计方案及热分析结果.光学系统工作谱段500～800nm,视场角9°,相对孔径1／1.2,光学系统设计结果良好,弥散斑直径在两个像元尺寸之内,能够满足光学系统对能量集中度和弥散斑的要求.基于光学热补偿理论对光学系统进行了无热化分析和消热设计.通过分析不同温度下的传递函...     

星敏感器用典型CCD探测器电离总剂量效应研究

用自建的工程单机对星敏感器用核心器件CCD的电离总剂量效应进行了研究,给出了不同辐照剂量下辐照前后图像灰度、标准差等反映CCD拍摄图像质量的参数变化。研究表明：CCD对电离总剂量效应较敏感,辐照会引起输出图像灰度和标准差变大,导致图像质量下降、信噪比降低,最终影响探测器的成像效果。     

星图质心提取的实时性研究

数据更新率是衡量星敏感器性能的一个重要参数,高数据更新率对质心提取的实时性提出了更高的要求.FPGA(现场可编程门阵列)具有快速逻辑运算和并行处理结构的特点,针对这些特点对质心提取过程进行研究.使用FP-GA内部的高速存储器作为缓存,提高对数据的读取速度.将质心提取中的阈值分割、星点像素提取和质心计算3个过程进行并行处...     

一种实时系统中的信号处理实现

近年来,实时信号处理系统的要求越来越高,所用系统须具有处理大量数据的能力,这就要求系统硬件要达到很高的运算速度,并且软件处理程序也尽可能优化,以保证系统的实时性.基于某重点工程项目,介绍了一种高速数据并行处理系统,并详细说明了DSP中信号处理程序的操作流程.该系统能对输入信号的频谱进行分析,实时输出连续波频谱或脉冲波的时域频域信息,并已测试成功.     

一种新的全天自主星图识别算法

在星图识别领域三角形算法得到了广泛的应用，但是在星对角距很小的情况下，其识别率严重降低。字符匹配算法可以解决这个问题，但是它无法识别由于相机在拍摄瞬问的平移和旋转而产生位移的星图。为了克服这一缺陷，提出了一种有效的星图识别算法，该算法在生成导航星数据库时以一些一定范围内的亮星为中心，把整个天球分为很多个四方形区域，然后根据被拍摄星图的特点从这些四方形区域内选取子区域参与星图识别。仿真结果表明该算法不但继承了字符匹配算法的优点，而且对星图位移有很强的鲁棒性。     

利用雷达高度计及星敏感器的多处理器卫星导航

鉴于当前单一处理器导航计算机结构给导航算法带来的约束及并行多处理器技术的日益成熟，提议卫星导航采用两个处理器并行的计算机结构，将卫星自主导航工作中轨道状态估计和状态预报分外在不同的处理器上处理。依据这一分工思路，提出近地海洋卫星利用雷达高度计及星敏感器实现自主导航的方法，并给出一个简单的导航模型及导航算法。通过计算机仿真检验了利用雷达高度计及星敏感器为近地海洋卫星提供导航的可行性，也验证了导航结构的适用性。     

星敏感器测量模型及其在卫星姿态确定系统中的应用

星敏感器是卫星高精度姿态测量的重要部件，如何正确建立其测量误差模型是影响姿态确定精度的关键因素。本文推导出星敏感器三轴姿态测量误差的方差计算公式，对测量误差的性质进行研究，揭示了在星敏感器三轴测量中，光轴测量精度劣于根据另两轴测量所确定的光轴指向精度。在此基础上提出了新的星敏感器测量模型，给出改进的姿态滤波器观测方程，减小了观测误差，由此可以进一步提高姿态确定的精度。本文方法不仅适用于通常使用的双星敏感器姿态确定系统，也可独立地应用于只带单个星敏感器的姿态确定系统。