基于稳像的星敏感器动态精度提升方法研究

星敏感器在高动态工况下的拖尾现象降低信噪比,影响产品姿态测量精度.本文设计了一种星敏感器稳像方法,利用陀螺获取星敏感器角速度,在星敏感器曝光期间利用像面驱动器带动成像芯片补偿运动实现稳像,可以减小甚至消除拖尾,提升星敏感器在动态工况下的测量精度.实验验证表明稳像补偿后星敏感器定心精度比稳像补偿前提高了57.2%,相比多帧叠加算法也有明显优势.稳像补偿后星点高斯半径、能量峰值以及相关系数等指标相比稳像前也均有大幅改善.该稳像方法可广泛应用于具有高动态应用场景的星敏感器和其他光电成像仪器中.     

星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应研究

对星敏感器用4T像素CMOS图像传感器总剂量效应进行研究,机理分析及总剂量试验结果表明像素暗电流及暗电流不一致性随总剂量增加而增加,像素光强响应及满阱容量随总剂量增加而降低.进一步分析得出星敏感器星点定位误差随辐照总剂量增加而增大,在100krad(Si)总剂量下,星点定位误差相比辐照前增加约3倍.结合器件总剂量效应退化机理,提出星敏感器在轨使用时器件采用增加像素内传输管电荷转移的开启时间、提高传输管的控制电压以及提高像素的复位电压等措施,可以降低由于总剂量效应导致星敏感器的星点定位误差增加.     

基于卷积曲面的动态实时星图模拟

多星模拟器可动态刷新显示变化的星空,是星敏感器测试的关键设备。在动态条件下星点成像发生拖尾,要求星模拟器能够准确、实时仿真拖尾星图。建立了动态拖尾星点的卷积曲面模型。该模型是星点光斑弥散函数与权重函数沿着星点运动轨迹的卷积,可描述以任意形式运动产生的拖尾星点。提出了一种基于卷积曲面的像素离散算法,解决了星图仿真实时性不够的问题。先将星点轨迹分割为多段,再计算得到每段轨迹对应形成的星点光斑的像素值,将所有星点光斑累加。所提算法将多重积分化简,使得仿真速度提高了一个数量级,多星模拟器的刷新率达30 Hz。      

一种多帧相关滤波的星敏感器像素非均匀性误差校正方法

为了进一步提升星敏感器的星点定位精度,分析星敏感器的像素误差来源和形成机理,提出一种多帧相关滤波的像素非均匀性误差校正方法.根据星图中星点的位置确定质心定位域和局部校正域,利用当前帧星图信息和前一帧的局部校正域信息预测当前帧的校正域,满足校正条件后采用差分法校正质心定位域.实验结果表明,本文方法能够较好地预测星图的非均匀性噪声,提升星点定位精度,具有较好的鲁棒性.     

高动态下的星体目标质心提取方法

高动态情况下,星点像斑在星敏感器探测器上会呈现出拖尾现象,星点质心无法被准确提取。针对上述难点,本文提出了一种高动态条件下基于差异哈希算法的星点质心提取方法。该方法分为三步：第一,建立动态星斑的数学模型;第二,利用差异哈希算法和汉明距离实现星跟踪窗口内星体目标粗定位;第三,在粗定位区域使用阈值分割与连通域法提取星点质心。实验结果表明,该方法能够适应各种长度的曝光时间,并实现星敏感器在3（°）/s条件下的稳定跟踪。在曝光时间50ms,角速度3（°）/s的条件下,星对角距误差为13”,平均提取率为96%,相比于传统方法,分别提高了29.6%和22.9%。     

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.      

一种强散射杂光下的快速星点提取算法

火工品爆破法实现星箭分离时产生大量灰尘颗粒,星敏感器被强散射杂光干扰,导致上电初期,星敏感器长时间停留在全天球模式,无法实现姿态捕获.本文通过对散射杂光成像进行建模和分析,提出杂光条件下的星点图像与无杂光时的星点图像具有近似的能量分布特征,进而提出一种基于互相关系数的快速星点提取算法,可在强散射杂光条件下快速提取出有效的星点窗口图像,然后利用窗口提星算法提取出有效星点,最终实现快速姿态捕获.开展了不同杂光条件下的星点提取和姿态识别仿真,通过本文算法与原有算法做对比,验证了本文算法在不同工况下的星点提取能力和姿态捕获方面均具有优势.     

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".      

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%。     

高精度高动态星模拟器研究

给出了高精度高动态星模拟器系统组成和总体结构, 提出一种基于亚像素显示技术提高动态星模拟器星点位置显示精度从而减小星点几何中心与能量中心位置偏差的新方法. 针对动态星模拟器高动态性要求, 提出一种快速精确检索全天球导航星的新方法, 将已知SAO (Smithsonian Astrophysical Observatory) 星表进行分区, 计算当前姿态四元数并分析航天器视轴所在区域, 对于距离视轴较远区域停止搜索和匹配, 很大程度上缩小了导航星搜索范围, 进而缩短了全天球恒星遍历所需时间. 软件测试结果表明, 此快速检索法可使全天球导航星的选取速度提高近10倍.      

一种星图识别的星体图像高精度内插算法

介绍了一种从星敏感器成像中高精度提取恒星位置和星等的方法.这种方法把星光成像看成是高斯点扩散函数模型,利用线性内插和最小二乘法方法,拟合得到高斯曲面参数.从高斯曲面模型中得到亚像素级的恒星位置和恒星星等.理论研究表明,曲面拟合法提取的星体位置精度高于传统的质心法.由于直接进行高斯曲面拟合计算非常复杂,为了简化计算,利用了星体成像点附近x,y方向的非线性插值方法,分别得到不同的曲面系数.仿真结果显示,在信噪比小于0.05时,定位精度小于1/20像素,星等误差小于5%.     

TDICCD相机大视场多通道遥感图像自动拼接方法

在TDICCD大视场多通道遥感图像的拼接中, 由于存在成像平台谐振及颤振等因素的影响, 以往的经典方法抗噪性和鲁棒性不高, 很难达到图像高精度和快速拼接的要求. 为此, 提出了一种空域互相关自校正亚像素配准方法. 该方法针对TDICCD多通道图像间重叠像素的特点, 采用变搜索窗口的互相关系数作为评价函数; 采用局部检测法监视图像参数的变化, 找出图像每一部分最佳参数; 采用干扰点排除法控制图像中误匹配的点, 使参数更加可信; 在最佳点配准的基础上, 采用所提出的亚像素定位法对配准进行补偿.实际遥感图像拼接结果证明, 该算法精度优于0.1 pixel, 同时比其他方法速度快, 稳定性、抗噪性和鲁棒性都很高, 拼接图像获得了良好的效果.      

Using cross correlation to estimate Doppler frequency

Doppler frequency estimation with high accuracy is very important for precise orbit determination and scientific studies in deep space exploration. In this paper, we propose a new method which implements cross correlation of only received signals from one single station to estimate Doppler frequency. The algorithm is relatively simple and it can achieve high accuracy even when signal to noise ratio (SNR) is very low. Moreover, the accuracy can be further improved by implementing frequency compensation, especially when the frequency dynamic range is high. Simulations were performed and results proved the validity of this method. X-band observations on MEX (Mars Express) and Juno were performed by a 13 m telescope of Wuhan University, which was equipped by two back ends, i.e. CDAS (Chinese Data Acquisition System) and RSR (Radio Science Receiver). Raw data recorded by the CDAS were processed by using the proposed method, and the estimated frequencies were in good agreement with the real time frequency estimation values by the RSR. What’s more, the accuracy by using cross correlation was higher than the one of RSR.     

星敏感器中星图图像的星体细分定位方法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理和星图图像的预处理的主要方法,将传统质心法、带阈值的质心法、平方加权质心法和高斯曲面拟合法应用于星敏感器中星图图像的星体细分定位,并进行了较为系统的仿真研究.仿真结果表明,带阈值的质心法是一种较为理想的星体细分定位方法.就噪声水平、阈值选择及低通滤波对细分定位精度的影响进行了仿真研究.最后,利用仿真结果对模拟星图图像的星体进行了细分定位实验,取得了较为满意的结果.      

A robust star identification algorithm with star shortlisting

A star tracker provides the most accurate attitude solution in terms of arc seconds compared to the other existing attitude sensors. When no prior attitude information is available, it operates in “Lost-In-Space (LIS)” mode. Star pattern recognition, also known as star identification algorithm, forms the most crucial part of a star tracker in the LIS mode. Recognition reliability and speed are the two most important parameters of a star pattern recognition technique. In this paper, a novel star identification algorithm with star ID shortlisting is proposed. Firstly, the star IDs are shortlisted based on worst-case patch mismatch, and later stars are identified in the image by an initial match confirmed with a running sequential angular match technique. The proposed idea is tested on 16,200 simulated star images having magnitude uncertainty, noise stars, positional deviation, and varying size of the field of view. The proposed idea is also benchmarked with the state-of-the-art star pattern recognition techniques. Finally, the real-time performance of the proposed technique is tested on the 3104 real star images captured by a star tracker SST-20S currently mounted on a satellite. The proposed technique can achieve an identification accuracy of 98% and takes only 8.2?ms for identification on real images. Simulation and real-time results depict that the proposed technique is highly robust and achieves a high speed of identification suitable for actual space applications.     

一种CCD星图星点快速定位算法

大尺寸CCD星图快速处理是制约天基光学观测器件性能的关键因素之一,在星敏感器、空间监视载荷等研制中具有重要意义.通过对CCD星图图像特点的分析,提出了以最大概率实现背景噪声滤除的星图预处理准则;在此基础上,提出了通过两次投影检测实现星点位置测量的算法.与传统方法相比,该算法实现简单,节约了计算量和存储量.对分辨率为2048×2048的CCD实拍星图的实验研究表明了该算法的有效性.      

多探头星敏感器分布式视场融合方法

为了解决单探头星敏感器三轴姿态精度不一致问题,提高数据更新率和实时性,提出了多探头分布式视场融合方法。该方法通过控制各探头等时间间隔曝光,将相邻时刻曝光的2个探头的观测星矢量信息进行时间配准、空间配准,之后进行视场融合并采用QUEST算法解算姿态。仿真试验表明,该方法可将光轴方向精度提高8~9倍,同时可将数据更新率提高3倍以上,从而提高了系统的实时性。     

高动态EMCCD星敏感器总体参数设计方法

从高动态星敏感器动态性能需求出发,分析了电子倍增型电荷耦合器件（EMCCD,electron multiplying CCD）噪声来源,推导恒星探测中EMCCD的信噪比公式.针对EMCCD总体参数设计优化问题,提出了EMCCD中电子倍增电压和致冷温度的设计方法,并应用该方法进行高动态星敏感器中EMCCD总体参数设计及仿真.仿真结果表明,角速度为10（°）/s时姿态测量精度优于30″.提出的EMCCD参数确定方法可以为高动态星敏感器设计提供参考.