一种星敏感器安装误差自动化测量方法

针星敏感器安装误差的精确标定,该文提出基于平台式惯性/星光组合导航系统中,星敏感器相对惯性坐标基准的安装误差自动化测量方法。首先基于光电自准直仪测量方式,建立安装误差测量的数学模型,并通过仿真验证模型的有效性。开发一套自动化测试系统,利用高精度的光电测角仪模拟星光,将星敏感器主光轴对准星点,输出星点坐标信息,自准直仪测量标准六面体的姿态,通过与星敏感器坐标对比和软件自动解算得到星敏感器相对标准六面体的安装误差。试验数据能达到5″内的测试稳定精度,证明该方法可准确测量出星敏感器的安装误差,且测试稳定性好,已应用于工程精密测量。     

星敏感器曝光时间的优化

星敏感器曝光时间是影响星敏感器星点定位精度的因素之一.建立星敏感器星点像移模型和CCD噪声影响模型,分析了星点质心定位精度与曝光时间的关系,并以CCD47-20为例,对星敏感器的曝光时间进行了优化.结果表明:对于6.5等星,当星点光斑像移速度为4.67 pixels/s时,采用5×5窗口的亚像元质心算法,亚像元质心算法精度随曝光时间的延长而降低,CCD噪声对星点质心定位精度的影响随曝光时间的增加而减小;星敏感器的最佳曝光时间为200 ms,此时的星点质心定位精度优于1/50 pixel.     

星敏感器中遮光罩设计及结果模拟

采用星敏感器测量卫星姿态是现行方法是精度最高的,而星敏感器的遮光罩设计是其中关键技术之一。星敏感器的精度取决于星点的位置计算精度,而星点位置计算需要有效的提取重点,这则取决于遮光罩对杂光的消除量级。针对这一情况,本文着重阐述遮光罩的设计,并采用一套OptiCAD的光学软件和MONTE－CARLO算法对进入遮光罩的光线进行模拟。最后对其结果分析、计算。     

CMOS星敏感器焦平面装配及标定

针对高精度CMOS星敏感器的使用要求,本文对焦平面装配的误差进行了理论分析,搭建了CMOS星敏感器装配及标定测试系统,利用长焦距平行光管像面移动测量方法进行了星敏感器轴上和轴外的星点成像,获取了焦平面离焦量及倾斜数据.在这些数据指导下,成功完成了对某焦距50 mm,相对孔径1/1.25,全视场20°的CMOS星敏感器的...     

色温对星敏感器恒星定位精度的影响

色温影响星敏感器恒星定位精度,运用光线追迹方法,研究色温对恒星定位精度的影响.在分析不同色温恒星光谱分布特征的基础上,建立恒星光谱模型,计算色温差异引起的恒星定位误差,计算结果表明:中心视场附近色温差异引起的恒星定位误差较视场边缘小;通过合理选择光学系统的响应波段,可以减小色温差异引起的恒星定位误差,但会损失恒星到达探测器感光面的光能量.例如,当响应波长从300～1 100nm减小为400～800nm时,星敏感器视场(0°,0°)、(0°,2°)和(0°,4°)处的单颗恒星定位误差分别减小为0.042 2"、1.965 2"和3.389 1",约为原来的54%、65%和70%;色温为9 600 K、7 600 K、5 600 K和3 600 K的恒星像斑能量分别约为原来的58%、62%、63%和51%.     

利用系统辨识的星敏感器模型修正与测角精度检测

2.中国科学院大学,北京100049)摘要:为了提高星敏感器的测角精度,提出了一种采用系统辨识法对星敏感器模型进行修正以及测角精度检测的方法。首先分析了星敏感器的理论测量模型以及像面坐标与星点目标的空间位置关系,然后给出了用模型修正来提高星敏感器测角精度的原理和数学模型。修正模型由系统辨识方法得到,同时为了提高辨识精度,文中采用将星敏感器像面划分为多个区域,每个区域单独建模辨识的方式。最后利用某星敏感器进行了实验,利用该方法进行模型修正后,星敏感器的测角精度为σx=1.68″、σy=1.91″,而修正前的测角精度为σx=17.43″、σy=23.46″。结果表明,采用该方法可以使星敏感器测角精度得到大幅提高,同时也完成了测角精度的检测。     

基于二轴分度台的星敏感器单星测量精度测试方法

针对星敏感器单星测量精度提出了一种基于二轴分度台的测试方法,采用平行光管和二轴分度台分别模拟恒星和地球坐标系,并利用自准直经纬仪建立测量正交坐标系,测得平行光管与星敏感器光轴夹角的理论值与测量值之间的误差即为单星测量精度。为消除星敏感器镜头畸变引起的测试误差,通过最小二乘法和多项式拟合对测试数据进行了分析和校正。应用结果表明,采用该测试方法得到的测角精度与直接观星试验的结果非常接近。     

高精度星敏感器星点光斑质心算法

高精度星敏感器星点光斑的质心精度是星敏感器整体精度的基础,它需要达到角秒级的量级。因此,提出了一种基于亚像元相关法的星像质心算法。这种算法是利用互相关匹配实现图像定位的原理,将星像质心定位到亚像素上来提高质心精度。它可以克服由于系统误差和图像采集所带来的误差。根据系统的光学参数设计以及星像的光谱、亮度及其在视场中的位置特征,仿真得到点列图模型,针对视场内与光轴的不同夹角仿真制作一系列亚像元理想模板,然后对星像加高斯随机噪声,把有随机噪声的星像与理想星像进行相关运算来求星像质心精度。通过仿真实验,得到相关法具有较高的星像质心精度,定位精度可以优于1/12个像素的量级。     

CMOS APS噪声对星斑质心定位精度的影响

CCD作为星敏感器探测器的技术已经比较成熟,但其瓶颈限制也日渐显露.本文以IBIS5-B-1300A探测器为例,具体分析CMOS APS各种噪声对星敏感器星像质心定位精度的影响,在理论上分析CMOS探测器所能达到的质心定位精度上限,并通过建模仿真验证理论分析结果,得出弥散斑束腰宽度为0.7,开窗大小为5×5时质心算法精度最高,固定模式噪声(FPN)对质心定位精度影响最大等结论,为星敏感器探测器的选型以及提高系统星点定位精度的潜力提供理论上的依据和支持.     

星敏感器模型参数分析与校准方法研究

以星内角统计偏差为校准精度评价指标,分析了高解析度面阵 CMOS 星敏感器模型中主要参数,得出焦距对精度影响最大,畸变次之,主点位置影响最小。由此提出了一种星敏感器校准方案,利用高精度 2 维轴向转台和单星星光模拟器采集数据,采用最小二乘参数估计算法计算主点焦距偏差,并且用 10 参数的二维多项式基函数拟合焦平面畸变。仿真结果表明在 0.03 像素误差的噪声水平下该方案能够达到 1″精度,可以满足现代空间飞行器的高精度姿态测量要求。     

基于双模LPFG折射率不敏感双参量传感器

环境折射率和环境温度变化是影响光纤应变测量误差的主要因素。本文利用双模光纤纤芯双模式(LP01和LP11)支持特性设计了一款环境折射率不敏感的双模光纤(DMF)长周期光纤光栅(LPFG)应变传感器。设计了传感器模型结构,制作了最优化参数的传感器样品。实验测试了DMF-LPFG传感结构对外部环境中应变、温度和折射率的响应。通过在单模光纤上用紫外激光刻写的布拉格光栅(FBG)解决了环境温度的交叉影响。轴向应变实验结果表明,该新型结构传感器在0με~840με应变范围内其轴向应变灵敏度可以达到-5.4 pm/με,该灵敏度值相比较于普通LPFG有很大提高。温度在25℃~80℃范围内其灵敏度为58.86 pm/℃,表现出较好的线性度。同时,传感器对环境折射率变化表现出不敏感特性。通过采用双参数矩阵对少模LPFG和FBG的应变和温度灵敏度进行处理,可以实现双参数的同时解调。该新型复合光栅结构具有良好的传感性能和工程应用前景。     

三角法激光测量系统的误差分析及消除方法

从理论和应用两方面分析了三角法激光测量系统的误差，得出：定点标定和插值可以消除光学放大率随测量点位置变化的影响；双光路方案或标准点校准方法可以消除光线路径随环境温度，湿度变化而引入的误差；提高激光束质量和采用峰值求光斑中心的方法，可以消除激光束强度分布，物体表面粗糙度，CCD传感器，信号处理电路等引入的误差。     

Study on the method of precision adjustment of star sensor

Star sensors are indispensable spatial measurement sensors for high-resolution earth observation and astronomical observations, and the demand for high measurement accuracy of satellite sensors continues to increase; thus, the star sensor optical machine adjustment error cannot be ignored. The commonly used installation error correction method cannot solely meet the precision analysis requirements. In this paper, the relationship between the optical machine installation and the star sensor measurement error is analyzed, and several common adjustment error correction methods are compared. An adjustment method for optical machines is proposed to meet the requirements of very high precision star sensors. The assembly precision requirements of the investigated very high precision star sensor are analyzed considering the whole machine, and then the optical components are controlled through optical precision adjustments to satisfy the precision requirements. Finally, through the complete machine calibration, the star sensor precision adjustment for an optical machine structure is verified. This method meets the requirements of very high precision sensors and is suitable for the precision adjustment of optical machine structures, which is of practical significance to improve the precision of star sensors.     

星敏感器参数标定及误差补偿

针对CCD星敏感器光学系统存在焦距不准确、CCD平面倾斜和旋转及光学镜头畸变等误差因素,在理想针孔模型的基础上,用几何方法建立了星敏感器模型。利用地面实验数据,以最小二乘法解算该数学模型,求出焦距、CCD平面倾斜和旋转因子及畸变因子等待标定参数。将标定出的参数代回数学模型,便可由星象点测量坐标直接计算并修正入射光方向矢量,从而对光学系统的误差进行了补偿。计算结果表明:星对角距统计偏差由标定前41″降到了17″,提高了计算精度。     

高精度动态星模拟器的光学系统设计

为了完成星敏感器的地面标定工作,满足动态星模拟器大视场、高精度的技术要求,根据动态星模拟器的工作原理,利用ZEMAX软件完成光学系统设计,实现了高精度动态星模拟器准确模拟星点。实验结果表明:系统焦距为110 mm,视场为16°,光谱范围为0.5～0.8 μm,全视场角内准直光学系统相对畸变≤0.05%,在60线对/mm时调制传递函数（MTF）优于0.7。提出了装配后确定系统实际焦面的方法,最后对光学系统实际出射精度进行分析和实验验证,验证结果表明:设计的高精度动态星模拟器光学系统的成像精度达到9″,实测的星间角距误差均优于13″,整个系统可以满足高精度动态星模拟器的使用要求。     

一种压阻式压力传感器全温区温度补偿方法

针对压阻式压力传感器因热零点漂移、热灵敏度改变以及热迟滞效应引起的误差,提出一种压阻式压力传感器全温区温度补偿方法。该方法是在温升和温降全温区样本采集的数据基础上,采用最小二乘法曲面拟合原理对压阻式压力传感器进行数字补偿。通过对传感器进行实验标定和误差分析,并与常用的单一温升样本采集并进行数字补偿的方法进行对比,结果表明该方法能有效降低传感器因热迟滞效应引入的误差,提高传感器在全温区内标定点和非标定点的测试精度。同时,该方法校准参数少,计算量相对较小,对于硬件要求较低,达到在性能和成本之间的良好平衡,是一种实用性较强的在线补偿方法,具有较强的工程应用价值。     

高空光测系统误差的恒星法修正

在高空目标光学测量中,由于设备和环境条件的影响,数据存在一定的系统误差,系统误差修正是获取高精度位置参数的关键.针对高空光测系统误差修正问题,首先分析了80 km 以上目标光测数据的系统误差来源,建立了高空目标光测数据的系统误差模型,提出了基于恒星的修正方法,对大气折射误差和设备轴系误差进行联合修正.为验证方法的有效性,将该方法应用于实际高空光学测量,实验结果表明修正效果明显,可使系统误差修正精度提高到2″.     

星敏感器图像模拟及目标背景运动特性分析

考虑了星敏感器的方位和俯仰角度,给出了一种星空背景和目标的星敏感器序列图像模拟方法.利用TLE轨道根数与SGP4/SDP4模型计算出星敏感器和目标的精确位置和速度.考虑了传感器坐标系、星体坐标系、2000.0地心惯性坐标系三者的关系,对背景和目标分别计算其在CCD中的成像位置和灰度值并叠加生成序列图像.最后在图像仿真的基础上,分析了图像中背景与目标的运动性质.对背景和目标在图像中运动性质的分析结果对于弱小目标图像检测问题的解决也有帮助.