星敏感器自主在轨标定算法

在星敏感器在轨测量的星像点偏移和星敏感器光学透镜焦距变化条件下研究了一种自主在轨标定算法.由最小二乘最优估计法在轨标定星敏感器星像点偏移和光学透镜焦距变化,以最小二乘最优估值为量测,用卡尔曼滤波算法设计了星敏感器在轨自主标定模型.仿真结果表明:该算法可准确标定星敏感器星像点偏移和透镜焦距变化.     

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.     

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。
     

基于恒星矢量差分的星敏感器星跟踪算法研究

针对现有星跟踪算法依赖外部信息、模型复杂等缺点,结合卫星平台实际,提出了一种新的星敏感器内部星跟踪算法,利用星矢量与角速率间关系进行星点预测。先根据当前帧和前一帧的星矢量,用最小二乘原理估算出角速率,再对角速率进行卡尔曼滤波以减小估计误差,之后用滤波后的角速率预测下一帧的星矢量,将星矢量转为星点坐标,最后在以该坐标为中心的波门中提取星点。讨论了角速率估计误差、截断误差、星点成像随机误差和定姿星数等因素对算法精度的影响。该方法不依赖外部信息进行预测,模型简单,易于实现。实验验证在星敏感器角速率为0.6(°)/s时,平均跟踪精度0.55像素,证明了其有效性。     

一种用星敏感器自主定位方法的精度分析

利用星敏感器和地平仪测量星光与地平之间的“星光仰角”作为观测量 ,提出用推广卡尔曼滤波方法来实时估计航天器的最佳位置的自主定位方法 ,通过仿真实验 ,分析比较了“星敏感器精度”、“采样周期”、“恒星导航星的个数”以及“星敏感器安装方位角”等诸因素对航天器定位精度的影响 ,同时总结其变化规律 ,可用于提高航天器自主定位精度     

基于CMOS APS的星敏感器光学系统参数确定

基于CMOS APS图象传感器的星敏感器是适应航天技术的发展而产生的新一代姿态敏感器。确定光斑形状和大小、光学系统有效通光孔径、视场和焦距等参数是进行星敏感器光学设计的前提。本文基于选定的CMOS APS图象传感器分别对这些参数进行了分析和计算。确定光斑形状和大小的依据是，减小由于探测器像元对光斑能量分布的采样导致点扩散函数变形，从而引起的利用亚像元技术求星像中心的计算误差。光学系统的有效通光孔径与星敏感器所能探测到的极限星等有关，通过从目标辐射特性直到探测器响应的能量计算可以确定孔径的大小。确定视场和焦距首先要满足星敏感器实现全天自主星图识别所需的导航星捕获概率，其次要考虑与之相关的误差。     

基于STK的星敏感器在轨视场仿真分析

针对星敏感器在轨可能会受到太阳光、地气光等杂光干扰而影响其测量精度及姿态有效率等问题,对星敏感器的在轨视场进行了分析研究。给出了太阳光、地气光进入星敏感器视场的条件;基于卫星工具包(STK)软件,提出了一种星敏感器视场分析的仿真方法;结合卫星轨道参数和星敏感器安装方位,在卫星零姿态、正负向侧摆下对杂光进入星敏感器视场情况进行了仿真。结果表明,卫星在轨至少有2个星敏感器在同一时刻满足杂光抑制角要求。文章提出的仿真方法,适用于对任何轨道类型卫星星敏感器在轨视场的杂光分析,仿真结果对星敏感器在卫星上的优化安装具有工程应用价值。     

基于波门预估递推剔除大跳动星点快速求解姿态算法研究

考虑星敏感器对快速性、稳定性和高精度的需求,针对传统星敏感器软件在采集波门出现大跳动采集星点时而出现星跟踪失败和姿态四元数信息无法输出的缺点,对一种基于波门预估递推剔除大跳动星点快速求解姿态的方法进行了研究。根据四元数及姿态矩阵,采用基于距离的有效数据提取方法以剔除无效和跳变的星点数据;针对不同天区的不同星点运动幅度各异的特征,采用预估递推波门大小可根据不同星点确定各自的波门半径,以减少因波门半径产生的无法跟踪和波门多星识别失败现象。改进了波门参数设定,并对波门跟踪进行优化:根据算得的旋转角度与真实转过角度的差异剔除无效星点并进行更新,由更新后的旋转角和姿态四元数估计新的四元数。数学仿真结果表明:该法可有效减小星点大跳动对姿态求解的影响,提高星敏感器输出四元数姿态的精度。     

小型化星敏感器技术

对小型化星敏感器的软、硬件及光学设计技术进行了研究.通过光学系统中高稳定的光机结构设计、大通光孔径低畸变的镜头和40°太阳保护角的遮光罩设计达到光学指标.硬件设计采用轻小型低功耗电路、FPGA完成图像采集和星点提取技术,软件设计采用改进型全天识别算法、具快速主动预估功能的星跟踪技术.小型化星敏感器产品地面验证及应用结果表明:产品的主要性能达到指标要求.     

一种新的星模式识别算法

研究了面向星敏感器的星模式识别算法.首先扼要介绍了到目前为止出现的所有面向星敏感器的星模式识别算法和星图预处理,然后详细论述了本文提出的基于旋转和比例不变点特征松弛匹配算法的一种新的面向星敏感器的星模式识别算法.在第三部分通过仿真试验检验了新算法的性能.初步的仿真试验结果表明该星模式识别算法性能优良,具有实用价值.最后讨论了待深入研究的问题.     

星图匹配制导中的关键技术

为了提高新一代弹道导弹的快速、机动反击能力和射击精度，采用星光，惯性组合制导足最佳的选择。本论文给出了基于双星敏感器的、星图匹配制导系统的关键技术。提出了根据弹道设计导航星表．极大地简化了弹载星表；提出了一种适用于星光制导的凸多边形箅法，合理地减少了匹配的星对角距数目。这两项技术保证了星图匹配制导技术的实用性。提出了一种分离初始定位、定向误差及平台漂移误差方法。采用凸多边形的星图识别算法可同时获得多颗星的瞬时位置，结合恒星在像平面的位置可解算导弹在赤道惯性系和发射点惯性系的三轴姿态，最后，给出了导弹初始定位、定向误差的数学表达式。仿真结果表明了该方法的有效性。     

捷联惯性/大视场星光组合导航方法研究

近年来,使用星敏感器的导弹、火箭惯性组合导航成为国内外研究的热点.本文对捷联惯性/大视场星光组合导航方法进行了研究,建立了卡尔曼滤波方程,并利用SINS误差转移矩阵方法估计主动段导航误差.数学仿真表明:捷联惯性/大视场星光组合导航方法不仅可以修正姿态角偏差和陀螺常值漂移,还可以对主动段的速度、位置误差有很好的估计效果.     

星敏感器图像处理系统的并行流水线操作研究

随着天文导航和航天测控领域的要求不断提高,对星敏感器的动态性能提出了越来越高的要求。本文详细分析了星敏感器CCD处理模块输出信号的时序关系,在此基础上提出了CCD和DSP并行流水线的处理机制以提高星图处理的效率,并利用CPLD和DSP的HOLD方式实现了CCD和DSP的并行流水线操作。通过星光模拟器的静态测试表明:利用该处理机制能实现每秒10帧的处理速度。只要合理地安排好行场有效期和消隐期的时间,会进一步提高姿态捕获的速度。     

基于交叠视场亮度优选算法的导航星库构建方法

星敏感器导航星库直接影响星图识别效率和姿态解算精度。分析了参与姿态解算的星颗数和亮度对姿态精度影响,在此基础上,提出了一种基于交叠视场亮度优选算法的星敏感器导航星库构建方法。将精度较高的Hipparcos星表作为基础星表,分析了星等、双星、自行、变星等对姿态精度的影响,将星库筛选成一个备选星库,生成覆盖全天球的交叠视场。每个拥有较多星的视场,都按照亮度优先原则从视场内的扇形区域中选择导航星,从而得到分布均匀的导航星库。结果表明:该方法能有效减小星敏感器导航星库规模,实现导航星在全天球和局部天区的均匀分布。     

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...     

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。     

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。     

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。