基于STK的卫星星敏感器视场仿真研究

研究卫星无陀螺姿态稳定性优化控制问题,针对在轨星敏感器可能会受到太阳光、月光、地气光等杂散光的干扰,从而降低星敏感器姿态测量精度以及有效姿态率等.首先建立了星敏感器视场遇杂散光的数学模型.为解决上述问题,提出用Satellite Tool Kit(STK)仿真软件进行了杂散光进入星敏感器视场的仿真,并给出了星敏感器遇杂散光的时间段、持续时长等信息.研究方法和仿真结果适用于对任意轨道卫星的星敏感器视场进行杂散光研究,并可用来优化星敏感器在星上的安装方位,对星敏感器的工程设计提供科学指导作用.     

机载小型化星敏感器遮光罩设计

针对机载小型化星敏感器的消杂光系统进行了研究。以点源透射比(PST)为标准,根据机载小型化星敏感器成像系统自身的特性与遮光罩设计原则,在尽量不增加系统长度的前提下,对消杂光结构进行了设计。利用Matlab计算出遮光罩的尺寸,确定挡光环的位置,结合CAD作图软件进行建模,并使用光学软件TracePro对遮光罩的消杂光效果进行了仿真和分析,在太阳规避角30°时的点源透射比达到了5.536×10-10,达到系统要求的性能指标。设计的遮光罩能够成功地抑制杂散光,可以满足机载小型化星敏感器的使用要求。     

基于星敏感器的卫星对地定姿误差分析

风云三号气象卫星上携带的一台星敏感器解算出的卫星对地姿态呈现出非正常的幅值约为0.15°的正弦周期性偏差。为解决上述问题,分析了影响卫星对地姿态的误差因素,对星敏感器本身的主点偏差、焦距误差、光轴不垂直、CCD面旋转、星表位置误差等对卫星对地姿态误差的影响规律进行了仿真和分析。结果表明:对于CCD为512×512、象元大小为17μm、视场为16°×16°、安装方位角、高角分别为107°、29°的星敏感器而言,主点偏差5像素,会对卫星对地姿态带来最大约为0.17°的固定系统偏差;焦距误差0.1mm、光轴不垂直0.1°、CCD面旋转0.1°等对卫星对地姿态的影响较小,误差不超过30";星表中恒星位置在不加岁差、章动修正的情况下,会造成卫星对地三轴姿态误差呈正弦周期性变化,且周期与卫星轨道周期一致。风云三号气象卫星的对地姿态周期性偏差现象是由于星敏感器的星表恒星位置未进行岁差、章动等修正引起的。     

星敏感器杂光抑制分析

本文介绍了蒙特卡洛法应用于杂光分析的基本思想、数学模型以及表面热辐射概率模型，对某型号卫星星敏感器的杂光传递进行了模拟。在复杂的杂光环境下，建立杂光跟踪模型，获得了星敏感器杂光环境的定量杂光贡献，并对大衰减比遮光罩及光学系统内杂光传递进行了跟踪，给出了遮光罩的消杂光能力。     

基于雷达高度计-星敏感器的卫星自主导航精度分析

考虑到采用多个雷达高度计进行卫星自主定位的不足,提出采用单个雷达高度计,结合星敏感器提供的测量信息,构成雷达高度计—星敏感器的卫星组合自主导航系统。通过大量的仿真实验,分析了地形起伏、可见导航星数目、星敏感器精度、地平仪精度等因素对定位精度的影响,并总结其变化规律,对提高卫星自主定位精度有重要的借鉴意义。     

面向微小卫星的星敏感器研究

研制了一款新型面向微小卫星的星敏感器,采用商用器件构成以满足微小卫星对小型化的要求.星敏感器由工业镜头、DSP、低功耗CPLD和灰度型CMOS图像传感器组成.为进一步提高测量精度以满足卫星的需求,针对星敏感器的成像模型进行了分析,并用恒星校准的方式补偿了光学参数;对恒星处理算法进行了分析,在图像处理环节特别地采用了中值滤波技术,解决了孤立脉冲噪声对星点提取的影响.基于地球自转的星座跟踪实验表明,所研制的星敏感器样机欧拉角回归标准差为30″,已可实际应用于微小卫星平台.     

ASTRO-C卫星的CCD星跟踪器

1.前言近年来以天文观测为目的的科学卫星为进行姿态确定和控制,要求高精度的姿态敏感器。卫星姿态敏感器主要有地磁敏感器,太阳敏感器,地球敏感器等。星敏感器(星扫描器,星跟踪器)可作为高精度姿态敏感器。有代表性的实用星敏感器有以下两种:自     

基于紫外敏感器的卫星自主导航

卫星自主导航是指卫星不依赖地面支持,而利用星上自备的测量设备实时地确定自己的位置和速度,它是未来卫星导航的必然趋势.紫外敏感器具有精度高、体积小、可以实现多个敏感器功能的特点,利用地球成像的大小和位置以及恒星的位置可以获得卫星的导航信息.为了精确获得卫星导航信息,给出了轨道动力学模型,重点研究了地心矢量的确定方法,地心矢量的准确确定是精确导航的关键,提出了基于紫外敏感器的卫星自主导航模型,设计了扩展卡尔曼滤波算法,并结合轨道数据和测量数据进行了仿真,仿真结果说明了所提方案的有效性.     

基于矩阵星图识别算法的卫星三轴姿态确定方法研究

针对基于星敏感器的三轴稳定卫星姿态确定系统,总结比较了目前用于姿态确定的常用姿态敏感器的性能,引出了星敏感器的核心-星图识别算法,进而分析比较了当前星敏感器星图识别相关的几种算法的优缺点,重点研究了栅格算法;并在此基础上,提出用矩阵星图识别算法,建立了基于矩阵星图识别算法进行卫星三轴姿态确定的数学模型,从而简便、快捷地求出卫星任意时刻的三轴姿态参数;最后利用Matlab分别实现了用栅格算法和矩阵法进行星图识别的仿真,验证了矩阵识别算法的优点,对于研究卫星姿态确定和提高星图识别算法的效率和精度有一定的参考价值.     

三轴稳定卫星姿态控制周期的仿真研究

针对三轴稳定卫星的姿态控制系统,在离散事件仿真器OMNeT 的基础上,建立了以陀螺、星敏感器为敏感器,以反作用飞轮为执行机构的三轴稳定卫星的闭环控制系统.对于卫星姿态控制系统中控制周期的选取作了初步的分析,最后采用双矢量定姿算法和PID控制算法,设定多种控制周期,对该卫星在对地定向模式下的控制精度进行了仿真,仿真结果清楚的显示了控制周期对姿态控制精度的影响.     

基于Pro/E二次开发的卫星装配设计研究

为解决卫星型号设计的周期长、投入大和效率低的问题,在Pro/E2.0的平台上,开发了卫星型号设计系统,实现了卫星型号设计的快速建模与装配以及卫星的质量特性分析、光压分析、遮挡分析、敏感器视场分析等分析计算功能。以卫星型号设计中的太阳电池翼的装配为例,详细阐述了利用二次开发工具Pro/ToolKIT实现数字化装配设计的程序设计思想。最后通过系统运行实例表明了参数化装配设计的准确性和高效性。     

基于LVDS的电子星模拟器设计

为了实现卫星姿轨控地面半物理仿真试验,设计了基于LVDS的电子星模拟器,图像分辨率支持1024*1024;图像位宽支持12 bit;能够同时完成帧频10 Hz的图像上传及采集;将星敏感器作为高精度姿态测量部件引入控制系统,地面动力学通过以太网将四元数提供给电子星模拟器,电子星模拟器将生成的电子星图通过LVDS传输给星敏感器,通过地面实时系统将控制系统、星务计算机、敏感器系统组成了实时仿真验证系统;试验表明电子星模的输出接近目标值,闭环测试中星敏采集到准确的星图;通过实物在闭环回路仿真验证了上述方案的有效性,并通过指标对比分析,显示了电子星模拟器的可行性,在卫星姿轨控地面半物理仿真试验中具有良好的推广性。     

Compensation for Periodic Star Sensor Measurement Error on Satellite

A novel method based on the least squares estimation and the augmented Kalman filter (KF) is proposed to identify and compensate for the star sensor measurement error due to the periodic star sensor alignment change. For the satellite attitude determination system, the periodic star sensor measurement error causes periodic variations in the gyroscope bias estimate. Thus, the gyroscope bias estimate is adopted as an indicator for the identification of the periodic star sensor measurement error. The high performance of the proposed method is illustrated through numerical simulations with the use of the real gyroscope data. It is shown that the proposed method is effective.     

Stray light modelling and analysis for the FY‐2 meteorological satellite

Based on the analysis of the mechanism of stray light of the FY‐2 meteorological satellite, the main component of the stray light, generated from the folding mirror direct reflections, is modelled physically. Through the analysis of the stray light outside of the Earth region as well as extracting the high‐order statistical eigenvalues of the designated areas, the stray light function matrix, A, can be calculated using the total least squares (TLS) method, which is applied to the inside of the Earth region, and the full field‐of‐view (FFOV) stray light estimation can be produced efficiently. It is shown that the mean restoration errors of the stray light outside of the Earth region of the infrared (IR), water vapour (WV) and visible (VIS) channels are less than two scaled units, while the visual images are improved greatly. The images of FY‐2B IR with stray light removed and the FY‐2B raw images are inter‐calibrated with the NOAA‐17 Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) Ch4 data. The results show that, from 180 to 300?K of the brightness temperature area, the standard deviation of the data with stray light removed is from 1.3 to 3.8?K relative to the NOAA‐17 data, which is improved by 3–10 times in calibration accuracy compared with the raw data inter‐calibration results. The model has been running for testing in the FY‐2B ground operational system and will be applied operationally to the follow‐up satellite system. With the adjustment of a few parameters, the principle of the model can be used for stray light analysis of other instruments on geostationary satellite platform.     

基于陀螺/星敏感器的微小卫星姿态确定方法研究

在热备份的余度配置陀螺与星敏感器的组合定姿中,典型的三轴正交陀螺与星敏感器姿态确定算法受到限制;现以某微小卫星姿控系统为对象,设计了热备份的四陀螺系统与星敏感器组合定姿方法;数据处理时,利用最小二乘法将四陀螺测量系统构建为一个虚拟三轴正交陀螺,再将虚拟陀螺与星敏感器组成卡尔曼滤波器;该方法和典型的三正交陀螺与星敏感器组合定姿结构相同,实现简单,且在一陀螺发生故障时,能在不改变滤波器结构的情况下实现对故障陀螺的屏蔽;仿真验证了该方法的有效性。     

基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法

为了解决传统航天器姿态测量方法中存在的误差率高的问题,提出基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法。首先对使用的精密星敏感器进行设计,并将在不影响航天器运行的前提下安装在合适的位置上。通过建立运动坐标系、坐标参数转换和设置姿态参数三个步骤得出航天器运动模型,在该模型下分析出航天器姿态的基本运动规律、利用精密星敏感器识别并选取航天器空间下的任意三个星点,最后综合定位的星点和航天器姿态的运动规律,从不同的角度上确定航天器姿态测量结果,为了提高航天器姿态测量结果的精度进行标定处理。通过模拟实验分析得出结论：与传统测量方法相比,基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法的平均误差率降低了6.0%。     

基于CMOS和DSP的超小型星敏感器的研制

提出了采用高集成度的CMOS图像传感器结合DSP技术的技术方案,研制成功超小型的星敏感器。该星敏感器具有体积小、重量轻、功耗低的特性,完全能够满足航天制导的技术要求。