一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法

为了提高星敏感器的数据更新率,必须减少星像坐标的提取时间。在提取星像坐标的过程中,现有基于FPGA的方法虽然避免了星图保存和读取过程,然而需要高性能的FPGA才能实现。为此提出了一种采用行列聚类并行的星像坐标提取方法,将逐个像素聚类的方式优化成像素队列聚类的方式,实现了对恒星星像坐标的实时提取,可以解决现有的实时提取星像坐标方法中像素输出时钟与处理时钟不匹配的问题,达到1个时钟周期处理完1个像素的目的,从而减少了星像坐标的提取时间,提高了星敏感器的实时性。最后把该方法嵌入到某星敏感器系统中,实验结果表明,与现有基于FPGA的实时提取星像坐标方法相比,在相同工作频率且不降低星像坐标提取精度的前提下,提取时间仅为现有方法的21.1%,数据更新率提高了近5倍。因此,该方法不但具有实时性,而且具有较好的鲁棒性。     

一种基于Sobel算子的星敏感器星图预处理方法

星敏感器在太空环境下工作时容易受到杂散光的干扰,对星图进行二值化后直接采用质心法难以从星图中提取恒星星像坐标.针对上述问题,提出了一种基于Sobel算子的星敏感器星图预处理方法,用于提取星像坐标.首先采用Sobel算子计算星图中所有像素的梯度,保留所有大于阈值的像素梯度作为新的星图,然后以新的星图作为样板通过质心法从原始星图中提取恒星星像.由于杂散光干扰信号在星图中表现为缓慢信号,这些信号计算的梯度很小,因此通过Sobel算子计算后新的星图只有恒星星像.该方法能够消除星图中的杂散光干扰信号,使星图中只保留恒星星像信息,提高恒星星像坐标提取精度,具有较好的鲁棒性.     

Pattern recognition of star constellations for spacecraftapplications

A software system for a star imager for on-line satellite attitude determination is described. The system works with a single standard commercial CCD-camera with a high aperture lens and an onboard star catalogue. It is capable of both an initial course attitude determination without any prior knowledge of the satellite orientation and a high-accuracy attitude determination based on prediction and averaging of several identified star constellations. In the high accuracy mode the star imager aims at an accuracy better than 2 arc sec with a processing time of less than a few seconds. The star imager is developed for the Danish microsatellite Oersted     

惯性平台中星敏感器安装误差标定方法研究

提出了一种基于星光/惯性平台系统中星敏感器安装误差的地面标定方法,利用高精度的星模拟器,模拟远处恒星,将星敏感器主光轴对准星光,通过测量恒星与平台台体六面体的位置坐标,经过坐标转换后,对比得到星敏感器在惯性平台中的安装误差.实验数据表明,该方法可准确测量出星敏感器在星光/惯性平台中的安装误差角,实现误差的精确标定.     

Pattern recognition of star constellations for spacecraftapplications

A software system for a star imager for online satellite attitude determination is described. The system works with a single standard commercial CCD camera with a high aperture lens and an onboard star catalog. It is capable of both an initial coarse attitude determination without any prior knowledge of the satellite orientation and a high-accuracy attitude determination based on prediction and averaging of several identified star constellations. In the high-accuracy mode the star image aims at an accuracy better than 2 arc sec with a processing time of less than a few seconds. The star imager has been developed for the Danish Oersted satellite     

亮星辅助下基于坐标转换的快速星图识别方法

数字天顶仪作为一种地面使用的星敏感器，主要用于高精度定位。为提高仪器的工作效率需要对星图识别的快速性进行研究。通过对恒星像点理论坐标与图像坐标的分析，构建坐标转换模型。依据星表中恒星的分布及星等筛选出视场范围内的亮星，并构建导航星表。结合导航星表完成3颗亮星的准确识别，在识别亮星的基础上解算坐标转换模型的参数。通过构建的坐标转换模型对视场范围内的恒星进行坐标转换，将转换后的星点坐标与提取的星点图像坐标进行匹配完成星图的识别，这样能够提高星图识别的快速性。实验数据表明：在保证识别星点数量的基础上，采用亮星辅助下基于坐标转换的星图识别方法使时间缩短为改进三角形星图识别算法的五分之一。     

Precession–nutation correction for star tracker attitude measurement of STECE satellite

Space Technology Experiment and Climate Exploration(STECE) is a small satellite mission of China for space technology experiment and climate exploration. A new test star tracker and one ASTRO 10 star tracker have been loaded on the STECE satellite to test the new star tracker's measurement performance. However,there is no autonomous precession–nutation correction function for the test star tracker,which causes an apparent periodic deflection in the inter-boresight angle between the two star trackers with respect to each other of up to ±500 arcsec,so the precession and nutation effect needs to be considered while assessing the test star tracker. This paper researches on the precession–nutation correction for the test star tracker's attitude measurement and presents a precession–nutation correction method based on attitude quaternion data. The periodic deflection of the inter-boresight angle between the two star trackers has been greatly eliminated after the precession and nutation of the test star tracker's attitude data have been corrected by the proposed method and the validity of the proposed algorithm has been demonstrated. The in-flight accuracy of the test star tracker has been assessed like attitude noise and low-frequency errors after the precession–nutation correction.     

基于QTM的导航星库划分方法

为了提高星敏感器观测星的检索速度,提出了一种基于球面四元三角网(Quaternary Triangular Mesh,QTM)的导航星库划分方法.该方法首先利用天球的内接正八面体把全天球划分成8个子天区,然后在每个子天区中进行与经纬度相关的剖分和编码,最后扫描恒星星表,把每颗导航星信息划归到相应的子天区内存储.利用此星库进行的局部天球星图识别仿真实验表明该星库具有很高的检索效率.     

大动态干扰下基于光学图像的自主导航技术

针对高超声速飞行器在平流层内飞行过程中自主天文导航时,气动光学效应及运动模糊等大动态干扰严重影响观星和高精度导航的问题,提出一种基于正则化思想的高超星图半盲复原改进算法。该算法首先借助已有的高超星图模糊核提取算法获得先验模糊核,为复原提供便利条件。接着结合天文图像灰度及梯度的稀疏先验分布特性,设计了一种针对高超星图的正则化盲复原模型,并结合先验模糊核所提供的信息,构建了改进的半盲复原方法,能在先验模糊核精度较低或缺失时转化为盲复原方法,提高了算法的鲁棒性。将本算法与传统星图复原算法、其他最新正则化复原算法进行星图复原与导航效果比较,数值仿真结果显示本算法的复原效果更佳,峰值信噪比（PSNR）达到36.97,并且质心提取成功率达到99.23%,能够明显改善星图识别的成功率,从而大幅提升高超声速飞行器在平流层中的大动态干扰下的自主导航能力。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

弹载大视场星惯组合深度融合导航技术

为了降低弹载星惯组合（Stellar-INS）飞行中段对调姿观星的要求，提高星惯组合姿态精度，提出了大视场（LFOV）星惯组合深度融合导航方法。小视场（NFOV）星敏感器输出星矢量为主，大视场星敏感器可同时输出姿态和星矢量信息，分别推导了基于星敏感器输出姿态和星矢量信息的观测方程，分析了星矢量和姿态观测方法之间的关联性。建立了包含星惯安装误差、陀螺误差以及初始平台误差角的星惯组合全误差项模型，基于线性卡尔曼滤波给出了深度融合导航方法。开展了数学仿真验证，分析了不同调姿观星路径约束下，大/小视场星惯组合性能差异。结果表明，大视场星惯组合深度融合导航方法不仅可以降低调姿观星约束要求，还可以实现组合姿态性能提升。     

星点图像的目标提取算法研究

对于星点灰度重心法等亚像素提取算法来说,需要提取星点区域内的每一个像素。基于扫描的边界搜索法只能获取目标的边界像素,文中对其进行了扩展,通过判断边界像素中最大最小行列数来确定目标区域的具体范围,从而提取目标区域内的每一个像素。针对大视场星点图像目标范围小、相互间距离远的特点,为减小计算量,提出了基于视框搜索的目标提取算法。通过实验证明,基于视框的算法在计算量上比基于边界搜索的算法减少3/4。     

一种高精度小型化星敏感器设计

星敏感器是以恒星为参照系,以星空为工作对象的高精度空间姿态测量装置,提供准确的空间方位和基准,具有高精度、无漂移、工作寿命长等特点.针对星敏感器高精度和小体积的应用需求,基于小型化镜头设计、分体式结构、高集成度电路、"FP GA+ARM"软件等内容,提出了一种高精度小型化星敏感器,解决了狭小空间高度集成的小型化问题,实现了测姿0.6″(3σ)的高精度预期目标.星敏感器样机通过了试验考核,性能符合设计要求,具备全天球搜索恒星定姿的能力.     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

基于卡尔曼滤波的星敏感器在轨校准方法

根据星敏感器光学镜头以径向畸变为主的特点,采用一阶径向畸变模型,利用摄像机标定中的径向排列约束(RAC),对其外部姿态和内参数进行在轨校准。以采集到的星点的图像坐标和对应导航星在天球坐标系下的赤经、赤纬信息作为滤波器的输入,外部姿态和内参数作为输出,构造相应的状态方程和观测方程,进行两次卡尔曼滤波迭代,结果作为校准参数的最优估计。仿真实验表明:本方法能消除内部参数与外部参数的耦合,校准过程不依赖外部姿态,且状态方程和观测方程均为线性方程,满足卡尔曼滤波迭代的最优条件,能够精确估计出星敏感器内外参数,在星点成像位置噪声标准差为0.05像素时,校准后x、y方向上的平均误差分别为0.044像素和0.049像素。     

考虑星敏感器安装误差的弹道导弹捷联星光/惯性复合制导

弹道导弹捷联星光/惯性制导是在惯性制导基础上辅以星光修正的一种复合制导方法，能够显著提高导弹制导精度。由于星敏感器捷联安装在弹体上，安装误差会影响恒星测量的精度，进而影响复合制导精度，为此提出一种在线辨识并修正星敏感器安装误差的复合制导方法。建立了星敏感器观测量与数学平台失准角、星敏感器安装误差的关系方程，在导弹主动段关机后测量3颗独立的恒星获得6个观测量，利用最小二乘法估计出失准角和星敏感器安装、误差。改进了星光/惯性复合制导的最佳修正系数确定方程，直接修正了星敏感器安装误差的影响。数值仿真结果表明：所提方法可以有效地估计平台失准角和星敏感器安装误差，提高了捷联星光/惯性复合制导的精度。     

寡星条件下的半球谐振陀螺与星敏感器 组合姿态测量算法

针对半球谐振陀螺与星敏感器松组合系统在寡星条件下无法正常工作的问题,采用新的星图识别算法和新的数据融合观测方程,使星敏感器在观测到的导航星数量为1或2颗的情况下完成星图识别,从而能够完成组合测姿。     

High-Accuracy Sounding Rocket Attitude Estimation Using Star Sensor Data

A three-axis attitude reconstitution scheme for spin stabilized sounding rockets is presented, using star transit pulse intormation from a single slit all solid state star sensor. The method, based on Kalman filtering and smoothing, gives accuracies in the arcminute range and has been successfully tested on four different missions in the Swedish sounding rocket program.     

Systematic centroid error compensation for the simple Gaussian PSF in an electronic star map simulator

Simulated star maps serve as convenient inputs for the test of a star sensor, whose standardability mostly depends on the centroid precision of the simulated star image, so it is necessary to accomplish systematic error compensation for the simple Gaussian PSF（or SPSF, in which PSF denotes point spread function）. Firstly, the error mechanism of the SPSF is described, the reason of centroid deviations of the simulated star images based on SPSF lies in the unreasonable sampling positions（the centers of the covered pixels） of the Gaussian probability density function. Then in reference to the IPSF simulated star image spots regarded as ideal ones, and by means of normalization and numerical fitting, the pixel center offset function expressions are got, so the systematic centroid error compensation can be executed simply by substituting the pixel central position with the offset position in the SPSF. Finally, the centroid precision tests are conducted for the three big error cases of Gaussian radius r = 0.5, 0.6, 0.671 pixel, and the centroid accuracy with the compensated SPSF（when r = 0.5） is improved to 2.83 times that of the primitive SPSF, reaching a 0.008 pixel error, an equivalent level of the IPSF. Besides its simplicity, the compensated SPSF further increases both the shape similarity and the centroid precision of simulated star images, which helps to improve the image quality and the standardability of the outputs of an electronic star map simulator（ESS）.     

一种全天时星跟踪器相对惯导的安装阵在线快速估计方法

全天时星跟踪器与捷联惯导组成的惯性/天文组合导航系统具有精度高、自主性强等优点，在飞机、无人机、船舶等领域具有广泛的应用前景。组合导航系统长时间工作中力热变化导致安装矩阵漂移进而影响导航系统精度，全天时星跟踪器由于天空光影响视场小，一次只能观测一颗恒星，无法根据一副星图直接进行安装阵估计。提出了一种基于Levenberg-Marquart （L-M）算法的捷联惯性/天文组合导航系统安装阵在线快速高精度估计方法，利用捷联惯导姿态测量值，将不同时刻的观测星矢量转移到同一时刻同一坐标系中，构造多颗观测星的观测矢量误差与导航星矢量最小二乘目标函数，利用自适应步长的L-M算法对其进行迭代求解，实时得到系统安装矩阵的变化量。试验结果表明，使用该方法后星跟踪器在捷联惯导本体坐标系的输出恒星投影矢量精度提升了1倍以上，在线估计时间优于5 ms，满足用户实时性和高精度要求。