吉林一号宽幅01星宽幅相机在轨几何定标及精度验证

为了实现吉林一号宽幅01星亚米级宽幅相机影像的高精度几何定位,建立了超多片TDI CCD机械式交错拼接推扫成像系统的严密几何模型,对严密几何模型进行了基于探元指向角模型附带片间几何定位一致性约束的在轨几何定标方法研究及验证。在推扫式光学遥感卫星成像原理基础上建立严密成像几何模型,通过将定标系数分解为内方位元素定标参数与外方位定标参数,并结合大幅宽超多片探测器机械交错拼接相机的成像特点采用附带片间几何定位一致性约束的分步迭代法求解定标系数。最后,利用参考数据进行了在轨几何定标,获得内外定标系数。结果表明:本文的定标方法及定标模型合理有效,能显著提升吉林一号宽幅01星亚米级宽幅相机影像的无控定位精度,内定标精度优于0.3 pixel,实现了超多片TDI CCD机械式拼接无缝拼接影像的生成,多光谱谱段间配准精度优于0.3 pixel,全色影像与多光谱影像具有一致的几何定位精度,无控定位精度优于20 m(CE90),带控定位精度优于2 m,满足1∶10 000的制图需求。     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

基于LMCCD影像的相机参数在轨标定

相机参数在轨标定是无地面控制点条件下提高定位精度的关键环节,利用立体影像进行空中三角测量光束法平差,是实现相机参数在轨标定的有效途径,但要保证所建立的航线模型无因姿态变化率而造成的系统变形。本文针对"天绘一号"卫星有效载荷的特点,采用基于LMCCD影像的EFP光束法平差,按反解空中三角测量原理进行三线阵相机的重组,实现对相机参数在轨标定。利用LMCCD影像进行相机参数在轨标定后,天绘一号卫星无地面控制点条件下定位精度上下视差减小至0.6pixel。定位精度从9m提高至7.4m,其中高程精度从4.7m提高至2.7m,试验结果表明,所提方法实现了国内相机在轨标定参数。     

基于非球面的大相对孔径微型星敏感器镜头设计

星敏感器是卫星上精度最高的姿态测量仪器,其通过对恒星成像与识别来确定卫星的三轴姿态,主要由光学系统、电子学系统和信息处理系统组成。传统卫星上高精度星敏感器的体积重量较大,难以满足蓬勃发展的微纳卫星的任务需求,成为限制微纳卫星定位精度的主要障碍。相对于电子学微型化、集成化和信息处理技术的飞速发展,光学系统成为星敏感器小型化的瓶颈。提出一种基于非球面大相对孔径微小型光学系统设计方法,仅用5片镜片,即可实现焦距25 mm,相对孔径1/1. 3,17°全视场角,在奈奎斯特频率处MTF优于0. 5,采用选取相对部分色散系数相同或接近、色散系数相差较大的玻璃组合的方法,有效校正了500～880 nm宽光谱色差,并实现了全视场畸变≤0. 013%。引用此技术设计纳型星敏感器镜头焦距25 mm,重量仅为15 g,降低到国内纳型星敏感器镜头的1/5。结果表明,光学系统经测试畸变等指标,满足角秒级星点中心确定的要求,为高精度纳型星敏感器提供了核心保障。     

测绘相机立方镜与星敏立方镜转换矩阵的标定

传输型立体测绘卫星利用测绘相机进行摄影测量时,需要确定测绘相机在惯性坐标系中的姿态。确定姿态时,首先由星敏感器测量得到星敏测量坐标系在惯性坐标系中的姿态,然后通过星敏测量坐标系与星敏立方镜的转换矩阵、星敏立方镜与测绘相机立方镜的转换矩阵,得到测绘相机测量坐标系在惯性坐标系中的姿态。文中介绍了各坐标系的定义,根据星敏立方镜与测绘相机立方镜坐标系的关系,利用4台经纬仪测量系统分别建立星敏立方镜和测绘相机立方镜的坐标系以及2坐标系间的转换矩阵,介绍了2个立方镜坐标系的标定方法,多次测量结果表明,最大标定误差为1.011 6",优于2"(1σ),满足立体测绘精度的要求。     

宽光谱大相对孔径CCD星敏感器光学系统设计

星敏感器是目前航天器用于确定姿态的最先进的空间姿态敏感器之一。文中针对星敏感器的特点,设计了一种星敏感器光学系统。该光学系统焦距为52.5mm,F数为1.5,视场角为12。,光谱范围为480～850nm,选取复杂化的双高斯光学结构形式及选用特殊的玻璃配对。设计的光学系统在宽谱段范围内获得了较好的成像质量,在13.4μm直径范围内能量包围达到85%,在0.85视场内各色光相对主色光的倍率色差在爱里斑直径范围内,全视场畸变小于1%,能获得准确位置坐标的恒星图片,符合星敏感相机使用要求。     

基于CMOS相机的微卫星姿态确定算法研究

提出一种基于斜装CMOS相机与太阳敏感器组合实现微小卫星姿态确定的方法.针对相机视场有限的问题,采用斜装相机敏感地球局部边缘,推导了地球边缘的畸形校正公式以克服相机斜装与姿态控制误差引起的边缘成像畸变,并利用非线性最小二乘平差原理对地球局部边缘图像处理获得地心矢量.QUEST算法从地心与太阳2个矢量对中获得姿态最佳估计,并与卫星的姿态动力学组合滤波.仿真结果验证了该方案的可行性,精度可满足微卫星空间姿态测量的要求.     

大角度倾斜成像航空相机对地目标定位

针对大角度倾斜成像航空相机拍摄距离远,激光测距设备作用距离有限的问题,提出了一种不依赖距离测量设备的直接对地目标定位算法。依据载机POS测量的载机位置、姿态信息以及航空相机中位置编码器测量的框架角位置信息,利用齐次坐标变换的方法求解目标在大地坐标系下的指向,再利用地球椭球模型和数字高程模型确定目标点的经纬度信息。采用蒙特卡洛法仿真分析载机位置姿态测量误差及相机框架角位置误差对视轴指向精度的影响,相比于仅采用地球椭球模型的目标定位算法,该算法有效降低了地形起伏对目标定位影响,在目标区域地形起伏标准差大于10m时,大角度倾斜成像的定位精度明显提高。采用飞行试验数据验证了该目标定位算法的有效性,在飞行高度18 000m拍摄框架横滚角小于63°时,目标定位圆概率误差小于70m,可满足工程实际需要。     

利用恒星与地磁场确定卫星自主轨道

提出一种适用于低轨道卫星的自主导航方法。与以往采用星光角距作为观测量的方法不同,该方法利用卫星平台中常见的星敏感器和地磁敏感器确定卫星实时轨道参数;通过对星敏感器的观测数据进行适当转换,将卫星位置单位矢量观测方程转换为线性化方程;对地磁场强度与轨道高度的关系进行拟合,利用磁强计观测数据求取地心距;采用拉格朗日差值算法确定卫星初轨,为滤波器提供初值。由于二体轨道动力学模型的一阶线性化近似引入的系统模型误差影响了滤波器性能,而一阶导数函数值的线性组合可替代高阶导数的函数值,并降低计算量,所以本文在扩展KALMAN滤波器的设计过程中,对状态方程进行了高阶线性化处理,从而提高了滤波器状态方程的离散化精度。最后,用仿真实验验证了这种低轨卫星轨道确定方法的有效性与实用性。     

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.     

多光谱 CCD 相机几何标定技术研究

多光谱CCD相机的技术特点是利用不同遥感谱段获得同一目标图像,通过不同谱段图像的组合,获取地物目标的物理特性。为了使多光谱CCD相机同时还具备测绘功能,能对获取的地物目标进行精确定位,发射前需要在实验室对多光谱CCD相机的几何参数进行精确标定。多光谱CCD相机几何标定是相机研制过程中的关键环节,是确定相机在惯性坐标系中姿态的必不可少的关键技术。本文着重介绍了多光谱CCD相机几何标定设备、标定方法和标定精度。多次标定结果表明：主距的标定精度优于10μm （1σ）,主点的标定精度优于2.1μm （1σ）,畸变的标定精度优于1.5μm （1σ）,满足多光谱CCD相机几何标定精度的要求。     

基于单星测量的星光惯性组合导航

为减小杂光影响,全天时星光定向仪一般采用小视场,同一时刻只能观测一颗恒星无法输出姿态信息。本文提出一种基于单星测量的星光惯性组合导航系统,首先根据惯导输出的姿态和位置信息,控制转台和星光定向仪摆镜保证星光定向仪对目标导航星的观测,之后根据惯导的误差模型建立系统状态方程,根据星光定向仪测量的导航星方向矢量建立测量方程,利用卡尔曼滤波算法修正惯导输出的姿态位置信息。该方法引入星光定向仪与惯导安装误差作为系统状态量,在修正导航信息的同时对星光定向仪与惯导之间的安装误差进行估计,因此无需在实验室进行标定。通过仿真分析了不同安装姿态误差及不同惯导和星光定向仪误差对组合导航系统导航精度的影响。结果显示采用该方法导航1 h,位置精度优于90 m,姿态精度优于8″,相比利用实验室标定的安装姿态进行导航,该方法的精度更高。最后进行了静态导航实验,结果显示组合导航的位置误差为102.90 m,相比直接采用实验室标定的安装姿态进行解算结果提高近45.39%,验证了该算法的有效性。     

Star sensor calibration based on integrated modelling with intrinsic and extrinsic parameters

To guarantee high measurement accuracy, star sensors must be precisely calibrated prior to use. Existing star sensor calibration methods, such as the imaging model method with intrinsic parameters and the polynomial fitting method, exhibit disadvantages. Inspired by classic camera calibration theory, a novel star sensor calibration method based on integrated modelling with intrinsic and extrinsic parameters is proposed in this paper to overcome the inherent disadvantages. A complete, integrated imaging model for star sensors is established by using all intrinsic and extrinsic parameters. Calibration points’ data are then acquired by using a two-axis rotary table and a star simulator. Finally, a two-step procedure is applied to calculate the parameters. Experimental results show that the proposed calibration method is capable of obtaining all the intrinsic and extrinsic parameters of the star sensor with high accuracy and efficiency and guarantees highly accurate attitude measurements.     

多传感器的天文标定与空间配准

为了实现共平台的多个空间观测成像系统的空间配准,对多个相机进行天文标定和姿态测量,提出一种基于星图模拟的星图识别和姿态解算算法。首先,建立共平台的多传感器天文观测模型,并产生模拟星图,将星点之间的特征转换为图像特征;其次,根据四边形对角线的共线不变性特征,对相机观测星图和模拟星图进行特征匹配,提取相机内参数的初始值;然后,利用星点坐标矩阵奇异值不变性,自动匹配剩余星点并求解姿态矩阵的初始值;最后,对相机内参数和姿态矩阵进行非线性优化求解。实验结果表明,在未精确标定光学系统内外参数的情况下,星点正确识别率大于97.4%,相机像元角分辨率为3.9"×3.4",最后计算得出的投影误差低于1个像素,满足多传感器空间观测系统空间配准的精度和鲁棒性要求。     

高电压微型超级电容器的制造方法及研究进展

在微电子和微机械的高压应用中,如微型机器人、软致动器、皮肤电子、微型传感器和集成电子电路等,迫切需要高输出电压的储能/补给装置。近年来,高电压微型超级电容器（High voltage micro-supercapacitors,HVMSCs）因其微小型、便携式、柔韧性、高循环寿命及高功率/能量密度等优势而频繁作为功率补给装置应用到微机电系统,可满足一定范围的电压输出和能量供给,并且HVMSCs在电路中可作为储能器件应用可使电子产品更有可能趋向于集成式、高密度以及小型化。现有研究表明,增大MSCs的工作电压窗口,可以显著提升MSCs的输出能量密度,进而能最大限度地扩展其应用场合。因此,如何从材料、结构以及制造方法方面着手,制备全固态HVMSCs成为研究热点。基于此,首先对MSCs的电荷存储机制及电化学性能特征进行概述,其次分析高电压MSCs的实现原理,接着详细归纳HVMSCs的制造方法,主要包括高电压电极材料的制备（碳基材料、过渡金属氧化物、导电聚合物以及复合电极材料）以及高电压封装结构的制造（激光加工、喷墨打印、3D打印、丝网印刷、卷对卷印刷以及掩膜涂层）,并且总结HVMSCs在储能功率器件、柔性传感以及可穿戴设施等方面的应用。在综合探讨HVMSCs的研究现状的基础上,最后对其在可穿戴和便携式电子设备等高电压领域的研究趋势和发展前景进行相应的展望。     

基于RAC约束的星敏感器在轨校准方法

星敏感器投入使用后受发射冲击、工作环境及老化等因素影响,其内部参数如焦距、主点及畸变会发生变化,从而影响其姿态测量精度。星敏感器的在轨校准是指在在轨飞行状态对其内部参数进行重新自主校准,是保证星敏感器在轨高性能工作的一项重要关键技术。本文提出一种基于RAC约束（Radial Alignment Constraint）的星敏感器在轨校准方法。该方法不依赖外部姿态信息,通过建立基于RAC约束的星敏感器成像模型,采用两步法从单帧星图实现外部参数和内部参数的解算,并利用多帧星图整体优化的方式得到内部参数的整体最优解。仿真实验表明,该方法能有效消除内部参数的外部参数的耦合,实现其准确分离和解算。     

大视场室内移动机器人高精度动态定位方法

高精度室内定位是移动机器人实现自主导航、运动控制和协同作业等任务的前提条件.利用单目视觉定位原理,提出了一种针对大视场的室内移动机器人绝对定位方法.该方法适用于室内多移动机器人同步动态定位,解决了大视场环境下多相机非线性标定和视场融合问题,相机标定精度提高了52.6％.为提高移动机器人动态定位精度,设计了基于光信标的高...     

采用简化Brown模型及改进BFGS法的相机自标定

为了精确地反映相机的几何成像关系,本文基于简化的Brown模型和改进的BFGS(Broyden-Fletcher-GoldfarbShanno)算法提出了一种相机自标定方法。该方法首先将线性模型和畸变模型拟合为非线性模型,通过线性模型的基本矩阵约束非线性模型参数得到约束方程;然后,提出了适用于非线性内参数约束方程的基于新拟牛顿方程的改进BFGS算法并求解了方程内参数。利用提出的模型和算法,该标定方法能够在较少的迭代次数和有噪声条件下保证标定结果的精度和鲁棒性。有、无噪声情况下的收敛性分析和鲁棒性分析显示:在噪声不大于±3pixel的情况下,迭代10次即能保证重投影误差小于0.4pixel。通过标定相机内参数并计算重投影误差进行了真实图像实验,结果表明:标定精度误差小于0.06%,重投影误差为0.35pixel,验证了提出方法的有效性。该方法适用于计算机视觉领域中的图像处理,模式分类和场景分析等。