基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计

提出了一种基于双星敏感器的船体姿态测量系统。本系统采用两台大视场高精度CCD星敏感器,一台指向船艉,一台指向左舷,组合定姿达到提高横摇角测量精度的目的。选用TH7888A作为CCD传感器,成像后经实时图像处理器提取星点目标位置、灰度信息传给数据处理计算机,通过星图识别、姿态确定获取地心惯性坐标系下视轴指向,经岁差、章动、极移、船位、蒙气差等修正,获得惯导地平系下姿态矩阵。依据标定的星敏感器与甲板坐标系安装矩阵,解算船体姿态角,将两台星敏感器解算的姿态角进行融合,达到获取三个高精度船体姿态角的目的。实验表明,该系统航向、纵摇及横摇测角精度分别达到8.46″、7.16″及5.11″,测量精度高、自主性强且能不随时间漂移。     

CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标，影响该精度的主要因素有：光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等。图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的，但很少对此进行研究。针对某给定参数的星敏感器，对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算；基于亚像素细分质心算法，针对各噪声的分布特点及规律，分别推导出各自的均方根误差，综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型。计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声；影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声；对6等星进行星点位置的估计，CCD噪声达到了1/40像素的精度水平。     

一种静态星模拟器的设计与星点位置修正方法

为了实现对高精度星敏感器的地面标定,设计了一种大视场静态星模拟器,其星间角距精度要求优于20(″).采用星点分划板作为核心显示器件来模拟星图,通过设计大视场小畸变光学系统使模拟星图成平行光出射,在星敏感器入瞳位置产生星图.为保证星点板的星图模拟精度,提出了一种星点位置的修正方法.实验结果表明,经过星点位置修正后的静态星...     

大视场高精度静态星模拟器的光学系统设计

针对星敏感器系统的地面测试要求,设计一种大视场高精度静态星模拟器。根据静态星模拟器的工作原理,确定模拟器具有出瞳外置的准直光学系统。结合技术指标,在Zemax平台上优化设计了具有良好成像质量的光学系统,设计结果为:系统焦距99.988 mm,视场达到Φ39°,畸变小于0.1%,实现高精度静态星模拟器精确模拟星点。提出了依照光学系统像差确定星点板上各星点刻划位置的方法,避免多次刻划星点板的过程。对设计的系统进行测试,从测试结果看:设计的大视场星模拟器的成像精度达到15″,可以满足对星敏感器地面标定的使用需要。     

一种非设备方式对星敏感器进行精度标定的新方法

星敏感器是一种高精度的空间姿态敏感器,精度标定是保证其高精度测量效果中的重要一环.相对传统的采用测量仪器进行精度标定方式,作者提出了非设备方式对星敏感器进行精度标定的新方法.该方法无需外加精度测量设备,利用第二坐标系下的恒星坐标,换算出恒星角距,然后通过星敏感器对已知的恒星角距进行实际测量,从而标定出星敏感器的测量精度.实验数据证明,与传统方法相比,该方法具有更精确的标定效果.     

光学像差对星点质心定位误差的影响分析

星点质心定位精度直接决定了星敏感器姿态测量精度的极限,其误差源之一是弥散斑模型的选取。星敏感器光学系统像差无法完全消除,必然影响弥散斑分布,研究光学像差对星点质心定位误差的影响对工程应用具有重要意义。文中以Gauss弥散斑模型为比较,研究了离焦等4种光学像差对星点质心定位的影响机理和分布规律,结合质心定位的物理过程推得光学像差影响下的误差解析式,并实现数值仿真,结果表明:光学像差形成不同的弥散斑模型,导致不同的星点质心定位误差分布;星点弥散斑边缘能量减弱趋势对质心定位误差影响较大,若控制光学像差使相应弥散斑边缘能量呈缓慢趋势减弱,则有利于定位误差的减小。光学像差影响下的星点质心定位误差分析对相应的误差补偿具有指导意义,提出的各光学像差的控制意见有利于指导星敏感器光学系统设计。     

CMOS图像传感器辐射损伤导致星敏感器性能退化机理

为了分析恶劣空间辐射环境导致星敏感器性能退化、姿态测量精度降低的原因,深入研究了辐射环境下互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器辐射损伤对星敏感器性能退化的影响。该方法通过建立空间辐射和CMOS图像传感器辐射损伤敏感参数、星敏感器性能参数之间的相关性,揭示了CMOS 图像传感器器件参数退化到星敏感器系统参数退化的传递机制。60Co-γ辐照试验表明:辐照后,系统信噪比的降低导致星敏感器星等探测灵敏度的降低,信噪比是联系CMOS图像传感器和星敏感器系统之间的桥梁。质子辐照试验表明:当辐照注量大于3.68×1010 p/cm2时,已无法正确提取星点质心。该研究结果为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定了一定的基础,更可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。     

一种实用的CCD像机标定方法

机器视觉测量系统中,对于短焦距、视场角较大的CCD镜头,图像畸变较大,为了获得高精度的测量结果,需要对镜头进行标定.提出了一种实用的像机标定方法,采用了从畸变像点到理想像点变换的镜头畸变模型,通过优化搜索算法,得到了镜头畸变参数.进行了CCD像机标定实验,实验结果表明,该方法得到的摄像机的内部参数和镜头畸变参数能较好地还原畸变图像.     

长焦距无热化星敏感器光学系统设计

光学系统是自主导航星敏感器实现恒星光信号收集以及高精度姿态测量的核心组件。以高精度星敏感器光学系统为研究对象,分析了影响光学系统探测不同色温恒星精度的机理,恒星色温及环境温度变化引起的质心漂移量误差通过后期标定抑制的难度大,需要在光学设计阶段进行控制;建立了光学系统设计波长权重计算模型及分配方法;在性能评价方面,除了常规的能量集中度、畸变以及非对称像差之外,提出采用恒星色温质心漂移量以及温度变化质心漂移量作为精度评价的主要指标。根据应用需求设计了一款基于航天卫星平台的长焦距星敏感器光学系统,焦距为95 mm,相对孔径为F/2.4,视场角为8°×8°,探测光谱范围为450～1 000 nm,3×3像元内能量集中度大于85%。基于常规玻璃材料校正了超宽谱段长焦距光学系统的倍率色差,全视场倍率色差不超过0.9 μm。精度分析结果表明:2 600～9 800 K范围内不同色温恒星的质心漂移量小于0.36 μm;在工作温度0～40 °C范围内,焦距变化量小于2.7 μm,温度变化引起的质心漂移量小于0.45 μm。     

星敏感器高阶畸变的观星标定模型

由于恒星具有很高的姿态精度,使得观星标定成为星敏感器相机参数标定中不可缺少的一种方法.针对高阶非线性畸变情况下的星敏感器相机参数标定问题进行研究,基于星间距的不变性建立了一个两步标定模型.设计了一个紧致的递归均值滤波器来进行参数估计,该滤波器可以在不显著增加计算量的情况下提高参数估计的精度.实验结果表明,相比已有方法,所提出的方法能够实现更高精度的星敏感器相机标定.