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。
     

CMOS探测器星敏感器的跟踪窗口星图处理方法

近年来,商业航天微小卫星已经实现了轻小型化、低成本、快速研制等目标,但是在卫星姿态控制方面受制于星敏感器等测量敏感器的精度水平,无法实现高精度的测量与控制。为满足微小卫星在轨飞行中高精度姿态测量和大角速度运动的要求,本文提出了适用于CMOS探测器星敏感器的跟踪窗口星图处理算法方案,设计了基于姿态信息和导航星库,通过坐标系旋转和透视投影变换,预测探测星点成像位置,设置CMOS探测器跟踪窗口的方法,根据跟踪窗口设置,完成预测恒星所在图像子区域的像素灰度数据采集和背景灰度值的计算。采用这种方法后,恒星成像质心精度得到了提高,加快了星点提取质心的图像处理速度。通过试验室动态光星模和外场观星试验验证。试验结果表明:该算法提升了星敏感器的精度( )和动态性能(3 (°)/s),同时提高了全天识别的概率和跟踪数据有效率。     

惯性敏感器与星敏感器之间在轨自主标定比较研究

惯性敏感器与星敏感器组合定姿是航天器高精度姿态确定的常用手段。通常将惯性敏感器的常值漂移作为扩展状态进行标定,而将星敏感器的常值偏差作为扩展状态进行估计也是可能的。本文对这两种方法的定姿精度进行了分析比较,给出了选用的准则。     

利用星敏感器的卫星自主导航

本课题对利用星敏感器进行卫生自主导航问题作了初步的研究，研究表明，当已知地球大气的星光折射模型，则可利用星光折射的测量或掩星时刻的测量来实现卫生的自主导航，在导航过程中不需要精确的姿态确定，研究报告提出了相应的基本导航算法，讨论了误差的影响，通过数学仿真模拟计算，给出了数值结果，提示了这类导航的若干特点。     

一体化小型星敏感器

星敏感器是当前广泛应用于航天器姿态确定的高精度光学敏感器。小型化、低功耗、高实时性是现阶段星敏感器发展的共同特点。本文介绍了一种由我所研制的一体化小型星敏感器 ,包括主要技术指标、工作原理和系统组成等     

星敏感器光学系统参数的确定

光学系统是星敏感器的重要组成部分。选择合理的参数不但能确保星敏感器达到预期的性能，而且有助于降低产品的研制成本。本文介绍一种确定光学系统参数的新方法，包括通过参考比较已有星敏感器及其光学系统特性来选取新光学系统焦距、相对孔径和视场；根据所选取的参数预计星敏感器的捕获概率；采用综合恒星光谱方法确定光学系统中心波长和光谱范围。     

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。     

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...     

考虑卫星轨道运动和像移影响的星敏感器星图模拟方法

星图模拟技术是星图识别算法和星敏感器性能测试的基础.提出一种新的高精度星图模拟方法.该方法分为三个步骤:首先,利用两行轨道数据(TLE,Two-Line Orbital Element)与简化常规/深空扰动的近似解模型(SGP4/SDP4)计算出卫星在轨运行参数,进而获得卫星姿态矩阵;然后,根据星敏感器的方位和俯仰角度,确定星敏感器视场中的导航星及星敏感器安装矩阵,利用小孔成像模型,获得导航星在星敏感器成像面的投影位置;最后,为更准确模拟实际星像点的灰度扩散,在考虑卫星运动引起的恒星像移的基础上,按照二维高斯分布规律置灰度值来模拟星像点像素.在此基础上,还详细分析了不同曝光时间下,恒星像移对恒星位置测量的影响.     

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。     

星敏感器杂光抑制分析

介绍了用蒙特卡洛法进行星敏感器杂光分析的基本思想、数学模型以及表面热辐射概率模型 ,对典型卫星星敏感器的杂光传递进行了模拟。在复杂的杂光环境下 ,建立杂光传递模型 ,获得了星敏感器杂光环境的定量杂光贡献 ,并对大衰减比遮光罩及光学系统内的杂光传递进行了跟踪 ,给出了遮光罩的消杂光能力     

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。     

基于星敏感器角速度估计的陀螺故障诊断

当星载惯性基准单元 (IMU)正常工作的陀螺的冗余度不满足奇偶方程法条件时 ,无法进行陀螺的故障诊断。本文通过卫星稳态运行期间高精度星敏感器输出的姿态四元数信息 ,根据卫星姿态运动学方程和姿态动力学方程 ,采用非线性广义卡尔曼滤波 (EKF)得到星体角速度的估计值。在此基础上 ,通过设计的故障诊断方案对陀螺故障进行定位。数学仿真验证了这种方法的有效性     

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。