天问一号高分辨率相机反熔丝FPGA软件系统设计

天问一号执行的任务属于深空探测任务,其上高分辨率相机主控单元工作时间较长,为了提高主控FPGA的抗单粒子效应及可靠性,选用反熔丝FPGA进行软件系统设计。其中,主控FPGA管理的调焦单元、时间码守时校时等功能为安全关键项目。为提高软件的健壮性,主控FPGA根据调焦机构的光机结构,设计基于加减速曲线的二细分控制方法,在满足调焦速度的前提下,避开机构共振频率,实现步进电机驱动调焦机构平稳的运转;同时,天问一号环绕器在环火段位置时,高分相机需要执行拍摄任务,拍摄指令为延时指令,对时间有较高要求,在此基础上主控FPGA设计时间码守时校时功能,确保高分相机在任务段精确执行拍摄任务。实验结果表明:调焦机构速度爬升时间为112.2 ms;时间守时的精度为1.25 s。实现了调焦单元的平稳运行和可靠的守时系统。     

钙长辉长无球粒陨石NWA 11586稀有气体及其年代学

HED 族陨石来自灶神星, 是研究太阳系和类地行星形成及演化的重要窗口, 而研究稀有气体是了解HED 族陨石和灶神星撞击历史与热事件的主要途径。本文对非角砾岩化钙长辉长无球粒陨石NWA 11586 开展了稀有气体、宇宙暴露(CRE)年龄和气体保存年龄研究。稀有气体同位素表明, NWA 11586 陨石He、Ne 和Ar 气体主要是宇宙射线成因和放射性衰变成因的; 该陨石 CRE 年龄(38. 5 ± 4. 1 Ma)与 HED 族陨石 35~41 Ma 的主要撞击溅射事件年龄相一致,故其可能在~40 Ma 前从灶神星或 V 型小行星溅离; 陨石 U、Th-⁴He(T₄ )及⁴⁰K-⁴⁰Ar(T₄₀ )气体保存年龄分别为1019±41 Ma 和3041±77 Ma, 已受到后期热事件影响而发生了重置.     

月表光度模型研究进展

月表光度模型是描述月表辐亮度随光照观测几何变化的函数模型,主要应用于月表图像及光谱数据光度校正过程中,消除光照观测几何对月表图像及光谱数据的影响,在月表图像镶嵌、月表矿物识别与反演、月表物理参数反演以及月表光度异常区研究等方面有重要的应用意义。美国LRO多角度月表光谱数据以及我国CE-3号月表就位光谱数据的获取促进了月表光度模型的应用研究。首先系统地总结了目前国际上主要的光度模型,并分析几类模型的适用性,然后在总结其应用存在的关键问题基础上探讨了未来的研究趋势:1针对不同的应用目标数据采用不同的光度模型和校正方法,开展月表光度模型适用性和比较研究;2在现有的月表多角度光谱数据有限情况下,研究月表分区以及校正标准角问题,从而提高校正准确率;3在此后的月球与深空探测任务设计时,考虑获取更丰富的月表多角度光谱数据,促进光度模型的研究,从而更好地研究月表物理和光度特性。     

天问一号高分辨率相机图像存储及处理系统设计

由于地球和火星之间数据传输带宽受限,无法将大量的高分辨率图像实时传回地面,天问一号高分辨率相机需要载荷本身具备图像存储能力。针对高分辨率相机成像数据量巨大问题,本文设计了基于FPGA的NAND Flash图像存储及处理系统。首先,根据成像系统CCD和CMOS图像传感器输出种类,划分了NAND Flash存储空间。接着,为解决高速率存储问题,设计了流水存储方法。然后,针对在轨新增坏块问题,设计了坏块自检方法。最后,为解决地火传输带宽紧张问题,设计了下采样、像元融合、区域提取等图像处理方法。试验结果表明,高分相机存储及处理系统接收并存储图像数据率达到3 Gb/s,下行数据量最低约可降至原数据量0.4%。通过使用多种下行工作模式,既能获取丰富的图像数据,又能满足深空探测有限的传输速率。     

天问一号星下点太阳高度角在轨实时计算方法

由于太阳高度角和地面景物反射率等条件的变化,天问一号火星环绕器光学成像载荷在轨工作期间入瞳辐亮度变化范围很大,为了达到最佳的成像效果,需要光学成像载荷具备在轨自适应调整增益的能力。太阳高度角是设置时间延时积分电荷耦合器件积分级数的重要参数之一,积分级数是调整增益需要调整的主要参数。针对在轨工作期间太阳高度角实时变化、星历表文件较大等问题,本文提出一种基于傅里叶拟合的火星环绕器星下点太阳高度角在轨实时计算方法。首先,基于最小二乘原理采用8阶傅里叶逼近对火星惯性坐标系下太阳矢量的x,y,z坐标进行拟合,获得以时间作为变量的拟合方程。其次,根据制导、导航与控制系统发送的轨道参数获得火星惯性坐标系下环绕器的实时坐标。最后,基于夹角余弦公式即可在轨实时计算星下点太阳高度角。实验结果表明,在协调世界时2021-01-01 00:00:00至2024-01-01 00:00:00期间,采用本文方法获得的星下点太阳高度角实时计算结果最大绝对误差小于0.3°。满足天问一号高分辨率相机时间延时积分电荷耦合器件积分级数设置对太阳高度角计算结果的精度要求。基于该方法,天问一号高分辨率相机获取的火星影像细节丰富,亮度、对比度合理。     

模拟月壤的Hapke模型参数反演方法

Hapke模型是描述行星表面光度行为的辐射传输模型,利用行星表面多角度反射率数据可以反演得到Hapke模型参数,研究行星表面的物理和光度特性.Hapke模型参数的反演需要覆盖相角范围足够大的反射率数据,而行星遥感和就位探测时很难覆盖足够大的相角范围.因此,如何利用有限的多角度数据获取准确的模型参数是一个重要的研究课题.实验室提供了获取大范围角度下反射率数据的实验条件,可以在实验室条件下研究Hapke模型参数反演方法.通过实验室ASD光谱仪和Chang’E-3红外成像光谱仪鉴定件获取的橄榄石和模拟月壤多角度反射率数据进行实验,结果表明有限观测角度可以获取比较准确的模型参数;通过分析Hapke模型参数得到橄榄石和两种模拟月壤的光度和物理特征.     

融合分割先验的多图像目标语义分割

目的 在序列图像或多视角图像的目标分割中，传统的协同分割算法对复杂的多图像分割鲁棒性不强，而现有的深度学习算法在前景和背景存在较大歧义时容易导致目标分割错误和分割不一致。为此，提出一种基于深度特征的融合分割先验的多图像分割算法。方法 首先，为了使模型更好地学习复杂场景下多视角图像的细节特征，通过融合浅层网络高分辨率的细节特征来改进PSPNet-50网络模型，减小随着网络的加深导致空间信息的丢失对分割边缘细节的影响。然后通过交互分割算法获取一至两幅图像的分割先验，将少量分割先验融合到新的模型中，通过网络的再学习来解决前景/背景的分割歧义以及多图像的分割一致性。最后通过构建全连接条件随机场模型，将深度卷积神经网络的识别能力和全连接条件随机场优化的定位精度耦合在一起，更好地处理边界定位问题。结果 本文采用公共数据集的多图像集进行了分割测试。实验结果表明本文算法不但可以更好地分割出经过大量数据预训练过的目标类，而且对于没有预训练过的目标类，也能有效避免歧义的区域分割。本文算法不论是对前景与背景区别明显的较简单图像集，还是对前景与背景颜色相似的较复杂图像集，平均像素准确度（PA）和交并比（IOU）均大于95%。结论 本文算法对各种场景的多图像分割都具有较强的鲁棒性，同时通过融入少量先验，使模型更有效地区分目标与背景，获得了分割目标的一致性。     

火星环绕器姿轨控制误差对高分相机像质的影响

火星环绕器绕火飞行,轨道是大椭圆轨道。高分相机是火星环绕器的有效载荷之一,在其轨道上对火拍摄,其成像质量除与自身参数相关外,还与姿轨控制误差有很大关系。为了实现对火星的高分辨率拍摄,本文对姿轨控制误差与相机成像质量的关系进行了研究。首先,分析了火星环绕器姿轨控制对高分相机像移的影响模型;然后,利用平行光管、动态目标模拟器搭建试验验证平台,通过地面测试设备仿真环绕器平台参数。设置动态目标模拟器产生速度随姿轨参数变化的动态目标,为相机提供拍摄目标。相机实时进行像移计算,并拍摄成像。试验结果表明,当测轨精度不大于1 km时,测速精度不大于1 m/s时,能保证相机动态MTF值下降不超过10%。采用高精度的姿轨控制可保证高分相机在轨成像质量的要求。     

航天器姿态跟踪的非线性离散滑模仿真模型设计

为提高三轴稳定刚体航天器对时变参数摄动及外界环境干扰的鲁棒性能,提出一种基于非线性离散滑模控制的姿态跟踪控制系统设计方法.建立了航天器姿控模型,针对该模型中存在的时变特性与干扰力矩,将原系统进行反馈线性化解耦和模型离散化,由离散指数趋近律推导了离散滑模姿态控制律.依据某航天器的模型数据进行的仿真结果表明,所设计的离散滑模姿控系统在确保航天器姿态稳定的同时,实现了各通道的解耦控制,可有效减小干扰引起的姿态角跟踪偏差,对系统外干扰和内部参数摄动都具有良好的鲁棒性能,同时还验证了对指令跟踪的动态性能与采样周期的关系.