静态红外地平仪大角度测量模型及误差研究

卫星姿态变化时,静态红外地平仪的成像面与地平圆之间的夹角也会随着变化,因此会造成地平圆在地平仪成像面上成像的变化,进而导致地平仪大角度测量误差增大。为解决此问题,建立了随卫星姿态变化时地平圆在静态外红地平仪成像面上的成像模型,通过STK仿真对该模型进行验证,并给出了一种基于该模型的地平仪测量误差校正的方法,为卫星姿态测量与控制提供补偿和精度保证。     

一种提高红外地平仪确定卫星姿态精度的方法

红外地平仪提供了卫星星体相对于地球的姿态测量信息.受它在星体上安装精度限制、测量系统噪声和在轨期间星体质量分布变化的影响,直接使用红外测量值进行姿态计算会引入上述误差.如果只采用红外测量的差分值进行姿态计算,再通过滤波,就可以消除上述误差后得到高精度卫星姿态,这种方法充分利用了地球同步在轨卫星位置定点和姿态指向特性,对在轨运行卫星进行长时间姿态确定和实际控制结果表明该方法得到的姿态精度高于0.01°,显著提高了红外定姿精度.     

高分辨率空间相机俯仰成像的像移补偿方法

为了使高分率空间TDI（Time Delay and Integration） CCD相机适应卫星大俯仰姿态角,以增强空间遥感的时间分辨率,分析了卫星大俯仰姿态对高分辨空间相机成像的影响,使用光学投影方法,定性分析了俯仰成像时不同视场处的像移速度差异;根据TDI CCD工作方式,提出了横向像移图像生成原理,建立了横向像移图像的恢复模型,并完成了仿真验证和算法精度分析。分析结果表明:卫星俯仰姿态越大时,像面不同视场处横向像移速度差异增大;从仿真实验和精度分析可以看到俯仰成像时采用横向像移图像恢复方法可以得到无横向像移的图像,横向像移图像采集位数越高,恢复后的图像灰度值误差越小。横向像移图像恢复方法增强了空间相机对卫星大俯仰姿态的适应能力,极大地提高TDI CCD空间相机敏捷成像能力。     

基于轮廓图像空频域特征的舞蹈翻腾姿态识别模型

文中旨在研究基于轮廓图像空频域特征的舞蹈翻腾姿态识别模型。该模型先将待识别舞蹈视频图像实施腐蚀、膨胀、中心归一化等预处理,利用处理后图像提取舞蹈翻腾姿态能量图,通过离散余弦变换提取舞蹈翻腾姿态能量图频域特征,利用Contourlet变换提取舞蹈翻腾姿态能量图空域轮廓特征,采用特征级融合方法融合以上特征获取舞蹈轮廓图像的空频域特征向量集,再将待识别舞蹈视频序列候选姿态利用Baum-Welch算法训练为隐马尔可夫模型,利用舞蹈轮廓图像的空频域特征向量集将隐马尔可夫模型量化至观察序列,通过前向后向算法获取观察序列姿态概率,观察序列概率值最大的隐马尔可夫模型对应姿态即为所需识别舞蹈翻腾姿态。实验结果表明,该模型可较好地提取具有空频域特征的舞蹈轮廓图像,有效识别舞蹈视频中舞蹈翻腾姿态,且识别100帧有阴影舞蹈视频图像中舞蹈翻腾姿态识别准确率高于96%。     

基于EPNP算法的单目视觉测量系统研究

利用计算机视觉进行姿态测量的方法已广泛应用于现代控制、导航、跟踪等多个领域中。研究并设计了一种基于P4P矩形分布的平面靶标和EPNP算法结合的单目视觉姿态测量方法。首先,利用单相机获取平面靶标图像,经图像处理后得到四个特征点的像素坐标,并使用EPNP算法进行姿态解算;其次,对姿态角测量误差进行了仿真分析,为提高姿态测量精度提供了理论指导和依据;最后,提出一种与高精度二维转台结合的坐标系配准方法,利用该方法对三个方向姿态角精度进行验证。实验结果表明:当绕x和y轴的转动角度在[-6,6]时,姿态测量误差小于0.1,可以满足测量应用需求。     

一种新型陆标敏感器算法的研究

卫星姿态将直接影响卫星执行任务结果和在轨寿命,陆标敏感器可以从卫星遥感图像信息中获取卫星的姿态信息。提出一种新型陆标敏感器的算法,根据卫星计划拍摄的理论范围与实际图像范围的偏差,计算出卫星的侧滚、俯仰和偏航三种姿态偏差。该算法的优点在于能与实际任务相结合,在测量分析卫星姿态偏差的同时不影响卫星正常执行任务。     

预测、限制和减轻由红外地平仪引起的卫星姿态干扰

本发明与在倾斜的椭圆轨道中运行并使用红外地平仪测定卫星横滚和俯仰姿态基准的地球卫星有关。这种卫星所用的红外地平仪是利用地球画面上的许多条扫描线来确定卫星的位置的。然而，来自这些扫描线的红外数据有时会遇到‘些不希望有的干扰。这种干扰被称为“地球辐射干扰事件”，它们会改变输入到卫星姿态控制分系统中的扫描线的尺度，从而造成卫星在俯伸和横滚轴线上产生指向错误。     

静态红外地平仪的光学系统优化设计

分析了静态红外地平仪对卫星姿态测量的影响因素，发现测量误差主要来源于冷云的干扰，为了避开冷云的干扰，减少测量误差，又不使地平仪系统所接收的地球辐射能量太低，需要对光学系统重新进行优化设计。通过重新选择光学波段，并加大光学系统的通光口径，实现了光学系统的优化设计，对优化后系统进行分析计算，相对于优化前，系统所接收到的地球辐射总能量最多降低5%，但冷云的干扰却减少了30%。结果表明光学系统的优化设计将会大大提高静态红外地平仪对卫星姿态的测量精度。     

无陀螺条件下的卫星姿态确定方法

针对典型的基于星敏感器/陀螺组合的卫星姿态确定方法不能解决没有陀螺或陀螺失效的条件下卫星姿态确定的问题,提出了无陀螺条件下的卫星姿态确定方法,并通过实验仿真验证了方法的有效性。该方法利用星敏感器测量信息与姿态动力学方程来进行姿态确定,选用修正罗德里格参数（MRPs）进行姿态描述,基于UT变换的Unscented卡尔曼滤波（UKF）算法来进行姿态滤波。     

卫星振动综合成像仿真(英文)

卫星平台的振动会导致曝光时间内光学相机和物体之间的相对运动,从而严重影响了成像质量。但实际中图像的退化形式较为复杂,而且很难确定退化图像的退化形式和退化参数,而图像的退化仿真为解决该问题带来了极大的便利。通过分析卫星平台振动规律及其对图像的影响,提出了一个新的概念———像移路径,并提出了基于像移矩阵的等权时间图像退化方法。该方法使得退化仿真过程综合了卫星的所有姿态和频段的振动带来的影响。因此,已知卫星振动函数和原始图像,即可仿真生成退化图像。通过仿真图像频谱特性的理论值与实验值的对比分析,验证了该仿真方法的可靠性。     

地基光学望远镜对目标飞行器成像的仿真与验证

以目标飞行器地基光学观测与姿态监测需求为背景，研究了地基光学望远镜成像仿真模型与方法，通过目标建模、轨道确定和光学成像建模，结合目标表面材质光散射特性和望远镜成像性能，基于OpenGL（Open Graphics Library）仿真生成目标飞行器在轨飞行光学图像序列。根据理论分析比对、第三方仿真软件STK（Satellite Tool Kit）比对、实测光学图像序列比对多种途径，验证了仿真方法和结果的正确性。可为目标飞行器观测任务制定与在轨姿态监控、空间目标姿态判别和目标识别提供参考和依据。     

基于最优背景估计的星敏感器抗杂散光星点提取方法

研究了杂散光干扰下星敏感器星点提取问题。在杂散光干扰下,星点提取的效果会变差,这会使解算的姿态不准确和不可靠。为了抵抗杂散光干扰,提出了一种基于最优背景估计的抗杂散光星点提取方法。首先,分析了杂散光在星敏感器中的成像特点,构建了杂散光的具有闭合解的曲面模型;然后,设计了基于最优曲面的杂散光背景估计方法和星点提取方法;最后,采用仿真的杂散光图像和星敏感器采集的杂散光图像验证了算法的性能。实验结果表明:该方法得到的星点检测率、误检率和质心定位精度均优于现有基于背景和形态学的方法,该方法对杂散光有较好的抑制能力。     

地平仪用薄膜型红外热敏探测器的制备研究

红外地平仪是卫星姿态控制系统的重要设备之一,而热敏电阻红外探头又是 红外地平仪的一个关键部件,其质量会直接影响地平仪的性能和可靠性。随着近代空间技术的 不断发展,下一代红外地平仪对研制高可靠性、长线列的红外热敏探测器的需求日益迫切。近 年来,人们采用化学溶液法在制备锰钴镍氧(Mn-Co-Ni-O或MCN)薄膜材料方面取得了突破。该材料的 致密性远远超过陶瓷体材料,可以为长寿命、高可靠性的热敏器件提供一个很好的解决方案。而MCN 薄膜型探测器的类微电子制备技术也为实现长线列的多元热敏探测器奠定了基础。采用微 电子工艺制作了地平仪用锰钴镍薄膜型红外热敏探测器,并对其中的一些关键工艺(如刻蚀和 退火等)进行了颇有裨益的研究。这些新工艺和新方法对于实现薄膜热敏红外探测器在我国空间观测与遥感技术领 域的工程应用以及提高红外地平仪的可靠性和使用寿命都有着重要意义。     

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。     

基于Vega Prime的光电经纬仪CCD图像仿真系统

针对靶场经纬仪设备操作手实战经验少、训练成本高的问题,设计并实现了基于Vega Prime的光电经纬仪电荷耦合传感器 (Charge Coupled Device, CCD)图像仿真系统。对任务弹道数据进行了分析,建立了地心直角坐标系与仿真系统坐标系之间的转换关系,获得了目标在仿真场景中的理论位置,并通过解算得到了姿态数据。根据CCD传感器的光学系统参数,计算了仿真图像的理论视场角。实践结果表明,该仿真系统从目标仿真和视场仿真两方面渲染图像,可确保目标的轨迹与姿态更符合真实任务的情况。对操作手进行了针对性训练,使其熟悉了任务流程,从而提高了训练效率。     

基于MEMS传感器的微飞行器姿态理论与实验研究

为了得到基于微机电系统(MEMS)运动传感器的微飞行器的姿态角的输出,该文从理论和实验角度进行了全面分析。首先基于MEMS运动传感器的加速度计与磁力计理论计算了微飞行器的初始姿态及其最大误差范围,然后基于MEMS运动传感器的陀螺仪计利用时间序列自回归滑动平均模型(ARMA)分析方法对原始角速度进行误差建模,并利用卡尔曼滤波进行误差补偿,并通过积分法到更高精确度的姿态角度的算法,最后利用转台实验对其进行验证。通过该算法,对于任何MEMS九轴传感器,由实验确定相应的参数后,即可得到该传感器更高精确度的姿态角的输出。     

Integral based sliding mode stabilizing a camera platform using Kalman filter attitude estimation

This paper proposes an Integral Sliding Mode Control (ISMC) strategy to stabilize a camera platform. The main goal of this research is to achieve precise inertial stabilization of the platform while attenuating wide range of perturbations including external rates and accelerations. So firstly, a mathematical model for the platform is developed. Then considering the available sensors, the unmeasurable terms are extracted as system uncertainties. The upper bounds of these uncertainties are calculated theoretically and based on them, an appropriate ISMC is designed to stabilize the camera platform and regulate its absolute attitude in local horizon. MEMS gyroscopes are utilized to feedback the angular rate and absolute attitude in inertial coordinate system. To overcome attitude deviations caused by integrating the MEMS gyro's output drift, the attitude is estimated through fusion of gyroscopes with accelerometers using Kalman filter. The closed loop system stability is proved mathematically and finally, performance of the proposed attitude estimation method and the ISMC are validated experimentally.     

Airplane attitude estimation using computer vision: simple method and actual experiments

The development, implementation, and validation of a simple algorithm for airplane attitude estimation, based on a video of the horizon obtained from a camera mounted on the plane, is presented. The method provides absolute attitude estimation, which makes it suitable for the calibration and testing of artificial horizon systems. Solutions for some of the difficulties encountered in the determination of roll and pitch angles are discussed and presented. Experimental results from actual flights in a light aircraft are used to compare estimates obtained by the proposed method with data obtained from a commercial attitude reference system.     

海面目标高分辨率卫星成像仿真方法

海洋目标高空间分辨率遥感成像仿真技术在海面目标探测识别等方面得到了广泛应用。舰船与海水流体交互作用在高分辨率下得以显现,对其产生的复杂流场辐射模拟是成像仿真的主要难点。重点研究了舰船航行过程中与海水交互产生的流场几何形态和物性变化,提出了与海面方向辐射特性的耦合作用模型及海洋目标高分辨率遥感成像仿真方法。通过频谱分析的方法构建海面三维模型,使用计算流体力学的方法构造了船只航行流场的三维几何模型。根据海面组分分布的不同将其辐射特性与三维结构关联,构建了亚米级海洋场景三维辐射模型。通过辐射传输计算、场景内部多次反射模拟及大气影响和传感器效应仿真,最终得到观测条件下的卫星遥感图像。结果表明,将GF-6卫星全色波段实测图像与相同成像条件下的仿真图像对比,图像均值的误差为9.17%,标准差误差为9.21%,在平均灰度值、灰度分布、纹理细节等方面都具有较好的一致性,可以较真实地模拟高分辨率卫星成像下的海洋目标场景。     

动态雷达目标仿真中目标姿态角的计算

为了对动态雷达目标建立合适的数学模型,逼真地复现目标的运动特性和回波特性,从而实现动目标仿真,提出了利用野外真实试验中实际测得的目标RCS数据建立动目标仿真模型,实现动态雷达目标仿真的一种新方法.文章首先探讨了采用该方法对动态雷达目标RCS仿真的具体步骤,然后对实现仿真的一项关键技术--运动目标姿态角的求解进行了公式推导,并列举了应用实例,为进行良好的动态雷达目标仿真提出了一个新思路.要实现仿真还需要做许多工作,如对动态目标RCS起伏规律进行分析,计算统计参数,应用常见RCS起伏模型对目标动态RCS统计分布进行拟合等.