适用于小视场星敏感器的导航星表构建方法

导航星表构建是星敏感器设计阶段的重要工作.对于小视场,受限于恒星分布规律,易出现导航星表空洞问题.为解决小视场条件下均匀完备导航星表构建问题,对基于球面螺旋基准点的导航星表构建方法进行了改进:摒弃了原方法通过改变球面螺旋基准点数量和位置重新构建导航星表的思路,转而通过增选部分恒星来达到减少星表空洞的目的.设立了描述恒星消除星表空洞能力的权值,并以该权值递减顺序开展恒星增选;同时,设计了增选恒星距离阈值条件以保持增选后导航星表的均匀性.仿真表明,在4圆形视场条件下,相对于原方法,文中方法得到的导航星表,总星数减少708颗,均匀性指标提高约44%,而星表空洞变化较小,显示了较好的性能.     

三角形内切圆的星图识别算法

在三角形三条边长之比及其内切圆半径已知的情况下可以确定唯一的三角形,由此提出了一种基于三角形内切圆的星图识别算法.构建了导航星表,每个导航三角形按照导航星之间的角距升序来存储,构造了能够反映导航三角形三边之间关系的特征量T为索引,存储三角形内切圆半径R为识别量;在星图识别过程中,利用特征量T进行搜索、三角形内切圆半径R...     

一种基于星点特征不变原理的快速星图识别方法

星图识别算法是星敏感器输出姿态的关键技术。根据星图从天球坐标系转换到星敏感器坐标系过程中存在特征值不变的原理,结合视场和星等需求建立了导航星表。并根据星图识别要求设计了对应的快速识别算法。针对特征表维数多的特点,采用K向量法提高搜索效率,同时采用并行计算的思想进一步提高搜索速度。采用Matlab编程实现了算法,并进行了仿真。结果表明,算法的识别效率可达97.8%,平均搜索时间可达14.4ms,能够满足准确率高、识别速度快的要求。     

适用于星敏感器的星跟踪算法研究

为了解决全天球识别中星像坐标提取速度慢的问题,提高空间飞行器姿态确定的实时性,提出了一种新的星跟踪算法.该算法根据星敏感器在一次全天球识别后能够获得一定先验信息的特点,利用星敏感器在上一时刻采集的星图中已识别观测星的信息来获取星敏感器下一时刻采集的星图中待识别观测星的信息.仿真结果表明该算法不但提高了星像坐标提取的速度.也由此提高了星敏感器的姿态更新率,从而避免了由于全天球识别导致的误匹配.     

应用相近模式向量的主星星图识别算法

在分析主星识别算法和三角形识别算法不足的基础上,提出了一种改进的主星星图识别算法.该算法在构造导航星表时,通过旋转角距的方式构造匹配向量、引入相近模式向量,同时将旋转角距向量的模、主星的邻域伴星数目及主星的最小角距作为相近模式向量的限制条件,用来减少匹配次数,提高检索效率;在星图识别过程中,首先利用向量叉乘法进行主星识...     

EMCCD相机在全天时星敏感器中的设计与应用

近地面用全天时星敏感器用于大型飞机、临界空间飞行器等航空器的导航。近年来,随着星惯组合导航技术的快速发展,国外开始重视该项技术的研究。主要研究近地面用全天时星敏感器中基于EMCCD的星相机的设计与应用。分析了星相机的全天时探测的原理,提出采用高灵敏度EMCCD成像技术解决白天强背景下的探测问题。在原理研究的基础上,完成了基于CCD201探测器的星相机及实时图像处理器的硬件设计和调试,采用硬件实时中值滤波的方法实现全天时星图的预处理。设计的星相机系统信噪比可达50dB左右。通过进行白天观星实验获得恒星图像,并成功进行了目标提取。实验说明所设计的EMCCD相机具备白天恒星探测能力。     

均匀快速的导航星选取方法

为解决导航星表分布的均匀性、构建的快速性问题,提出了一种基于极坐标细分法(PCSM)及距离-星等加权法相结合的导航星选取方法。通过在近似均匀分布的球面基准点的邻域附近选取导航星,用来保证所选导航星分布均匀性,并解决坐标极值越界问题;为了提高搜星过程整体速度,引入了k-vector 快速搜索方法搜索基准点邻域内候选星;最后,综合考虑导航星的均匀性与亮度指标,设计了距离-星等加权方法筛选导航星。仿真结果表明:该方法简单、易行、适用性强,选取的导航星分布均匀性好。     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

高动态星跟踪方法

阐述了高动态星敏感器星图的特点,指出了目前星跟踪方法的不足。针对这些不足,提出了一种基于卡尔曼预测的高动态星跟踪方法。根据高动态星敏感器运动特性,建立了星体目标在图像坐标系下运动模型,根据星体运动模型,对卡尔曼滤波器进行了自适应修正。利用经自适应修正的卡尔曼滤波器预测出参考星位置,再利用临星逼近法进行跟踪匹配。最后给出了利用上述方法进行星体位置预测及星跟踪结果。实验结果表明,在5（）/s动态条件下星体位置预测偏差小于5像素,星跟踪成功率高于95%,并且载体动态特性的变化对星体跟踪成功率影响较小。     

利用多星表交叉外推恒星能量的方法研究

为了获取满足特定探测器工作谱段的恒星能量,提出了一种基于多星表数据的恒星能量外推方法,利用IRAS、WISE和2MASS星表数据交叉校验,将已有的高精度恒星谱段能量转化为相机的任意工作谱段.该模型简化了外推过程,提高了外推效率,实现对70%的恒星外推精度3%以内,与Cohen等人对Vega和Sirius长期观测得到的结果相同.同时,给出一个可用于辐射定标的星表.在恒星定标时可以根据模型外推结果选择更适合探测器的多恒星数据.     

星敏感器高动态下自主星跟踪算法

当飞行器大角速度机动时,采用传统的星跟踪算法来提取星像坐标时,必须选取较大的扫描星图区域,从而增加了区域内包含其它星像部分像元或全部像元的可能,需要多次采用星对角距比较来选取正确的星像坐标,因此,在选取正确的星像坐标时增加了误匹配的可能。为此,文中提出一种星敏感器高动态下自主星跟踪算法,首先根据前邻时刻的瞬时姿态来预测下一时刻的输出姿态,再利用预测姿态预测当前时刻恒星在下一时刻的星像坐标,最后扫描在以预测的星像坐标为中心的星图范围内提取实际的恒星星像坐标。这样克服了采用传统星跟踪算法带来的数据更新率低、可能误匹配高甚至不能提取正确地星像坐标的缺点。最后,采用该方法进行了仿真验证以及外场观星试验。     

An attitude tracking method for star sensor under dynamic conditions

The tracking performance of star sensor degrades seriously under dynamic conditions. To improve the tracking accuracy and efficiency, an attitude tracking method based on unscented Kalman filter (UKF) and singular value decomposition (SVD) is proposed in this paper. The star sensor is modeled as a nonlinear stochastic system, the state of which is attitude quaternion. The quaternion can be estimated by UKF, then the predicted attitude and corresponding star positions are obtained. To ensure the stability of attitude tracking, SVD is applied to obtain the sigma points in UKF continuously. The experimental results indicate that the proposed method yields high accuracy and efficiency in attitude tracking. This method provides a practical approach to ensure the tracking performance of star sensor under dynamic conditions.     

基于变异系数优选算法的精细导星星库构建

精细导星星库是支撑未来大口径空间望远镜观测的必要组成部分,是用来确定空间望远镜视轴绝对指向的关键依据.导星星库的容量和星库的均匀性对于实现精细导星功能和性能指标都极为重要.为了有效提高星图识别性能,提出基于变异系数的优选筛星算法进行导星筛选并构建星库.经过仿真和均匀性评价准则验证,基于变异系数优选算法构建的精细导星星库分布均匀性好,能降低冗余度,有效提高识别概率.     

实现弱星提取及质心定位的帧间窗口移位灰度叠加法

星敏感器在动态跟踪模式下,移位星像的信噪比衰减,弱星难以提取,当探测星数降为2颗时,定姿误差加大。鉴于对齐灰度叠加不能显著提高动态星像的信噪比,故提出一种帧间窗口移位灰度叠加法。通过对备选弱星窗口灰度数据进行流水缓存并移位叠加,增强弱星灰度及信噪比,使其满足探测阈值条件,确保星敏感器视场中始终保持不少于3颗星。仿真结果表明:4帧灰度叠加后弱星信噪比较单帧星图提高了1倍多,增加一颗观测星后定姿精度更高。     

大视场宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是一种姿态测量系统,用于测量飞行器的实时姿态。该系统是一种基于CCD 探测器的适用于星敏感器的光学系统。通过相关参数的计算,利用ZEMAX 平台实现了具有良好成像质量的光学系统结构设计。该系统焦距为50 mm,F 数为1.8,具有较大的视场角:2=23,光谱范围较宽:500~850 nm,中心波长为680 nm。捕获三颗导航星的概率达100%。满足星敏感器对弥散斑、能量集中度和畸变等特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,仅为0.087 m。系统仅使用6 片球面透镜,结构简单紧凑,易于加工制造。     

基于DSP的漂移扫描CCD星图快速识别

为了提高漂移扫描CCD的识别速度,实现同步 卫星实时定轨,提出基于数字信号处理器(DSP,digital signal processor)的星图快速识 别算法。在嵌入式DSP数据处理 平台上优化传统的三角形识别算法,采用二次匹配识别算法,即分区间筛选子星表中参考星 参与初匹配,利用初匹配结果推算CCD底片模型,根据背景恒星与子星表参考星的对应关 系将所有恒星进行二次匹配。对分辨率为1528×1528实拍星图的实验处理结果表明,由于引 入了DSP与改进了识别算法,在很大程度上加快了漂移扫描CCD星图识别速度,所耗时间 仅为传统星图识别算法的50%,且识别成功率达到98.4%。     

多视场星敏感器数学模型与精度分析

多视场星敏感器与传统单视场星敏感器相比不仅具有更高的可靠性和自主性,也具有更高的精度和动态性能,是未来星敏感器发展的重要趋势之一.为获得最佳性能,需要对多视场星敏感器的视场大小和布局进行优化.为此,首先建立了多视场星敏感器的数学模型,重点介绍了星点成像和姿态计算.然后推导了多视场星敏感器测量精度的数学表示,分析了影响精度的因素.通过仿真分析了多视场星敏感器视场大小和布局对各因素和精度的影响.仿真结果表明,视场大小对星敏感器精度的影响取决于星敏感器的运动情况,当角速度较小时,视场越小,精度越高;当角速度较大时,视场越大,精度越高.而各视轴相互正交的视场布局下,多视场星敏感器的测量精度最高.     

基于星像位置误差估计星敏感器姿态角偏差的方法

利用传统的反正切法估算星敏感器测量姿态角偏差时,存在因计算量大干扰算法实时性等问题。针对上述问题,文中提出了根据星像位置误差直接估算星敏感器姿态角偏差的方法。通过分析星敏感器姿态测量原理,推导出星敏感器姿态角变化量对星像位置影响的数学关系式,进而在小视场条件下,得到星像位置误差与星敏感器姿态角测量偏差的公式。该公式计算过程简单,避免了大量的反正切计算。仿真结果表明,在相同的仿真实验条件下,该方法的计算时间比传统方法缩短了近四分之一,且该方法的计算精度也优于传统的反正切法。理论推导和仿真实验说明该方法具有计算量小、实时性好且精度较高的优点,具有一定的工程应用价值。