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.     

基于星敏感器的星图模拟与去噪技术研究

随着小卫星应用技术的日趋成熟,测量精度高的CCD星敏感器备受青睐,快速而可靠的星图识别算法成为卫星姿态确定系统中最为关键的部分.要进行恒星的识别,就需要从星敏感器获得原始的图像,并从中提取要识别的目标及其特征.由于航天实验费用昂贵,星敏感器的地面调试、软件算法的最初模拟,不可能都进行实时星空拍摄,因此为了调试和评价星图识别算法,有必要利用计算机在地面上模拟生成星敏感器实时拍摄到的星空图片.本文的研究工作主要是星图模拟与星图去噪.首先学习了解CCD星敏感器原理,在此基础上模拟得到原始导航星图,然后模拟得到加了运动噪声的退化星图,最后学习维纳滤波和Matlab算法,利用Matlab算法中的维纳滤波方法对退化图像进行图像去噪复原技术研究,通过星图模拟和图像复原得到的仿真星图可以做成一个星图模拟器为星图识别工作提供仿真基础.     

采用扩展外部编程方法优化设计APS星敏感器光学系统

星敏感器是目前精度最高的姿态测量仪器,光学系统是其重要的组成部分.首先介绍星敏感器的工作原理.讨论星图识别过程中星像位置提取算法和星图识别算法.剖析光学系统的像差校正、成像特性要求.基于特殊的像质要求,兼顾优化速度,提出运用ZEMAX扩展外部编程以约束光线的优化设计方案.通过编写外部约束条件程序,使用动态数据交换技术实现外部程序和ZEMAX软件的通信,达到星敏感器光学系统的优化设计的目的.然后针对设计指标焦距f=43.56 mm,入瞳直径D=27.3 mm,全视场角为20°的APS星敏感器光学系统,采用该方案优化设计.得到的星敏感器光学系统,所有光学面都是球面,材料选用普通玻璃,具有像方远心的特点,系统成像质量满足星图识别要求.仿真表明:运用ZEMAX扩展外部编程优化设计星敏感器光学系统的方案快速有效.     

一种改进的基于奇异值分解的星图识别算法

星敏感器是高精度的姿态测量部件,在各种航天、航空飞行器的姿态测量或控制系统中发挥着关键作用。作为星敏感器的核心技术,可靠、快速和高精度的星图识别算法一直是重要的研究课题。论文对星图识别算法进行研究。针对基于奇异值分解的星图识别算法可能出现的由于视轴不连续所造成的全天区覆盖率较低问题,提出了一种改进的基于奇异值分解的星图识别算法,详细阐述了各部分算法的设计思想。论文最后在JDK5.0开发环境中用JAVA语言实现了改进算法,并与传统的三角形算法的性能进行了比较详尽的对比。     

L2范式距离的星图识别方法

在Hausdorff距离的基础上,提出一种不依赖于星敏感器的旋转方向和焦距等因素的星图识别方法。在构造Hausdorff距离的数据点集合时,采用基于L2范数对应的相对欧氏距离作为集合元素,解决星敏感器滚动对星图识别的影响;另一方面,由于受星敏感器焦距的影响,星敏感器图像与标准参考图也会存在误差。在构造标准数据点元素时,考虑到如果一个数据点集包含另一个数据点集,在这两个数据点集之间至少有两个数据点之间的L2范式距离是相同的。对L2范式Hausdorff距离进行比例化处理,每个集合中的相对空间距离除以本集合中最小的相对空间距离,构成一种新的数据点集。这种方法不需要对星敏感器图像由于焦距不同进行标定,避免了星敏感器焦距对星图识别的影响。给出了距离的计算公式和实现步骤,并给出了实验结果。结果表明:在星敏感器转动、尺度变换等情况下,该算法可以正确得到星图识别结果,从而获得星敏感器的姿态信息。     

基于惯性比特征的三角形星图识别算法

为了提高星敏感器的星图识别性能,提出了一种基于惯性比特征的三角形星图识别算法。该算法将导航三角形的形心惯性比和导航三角形最长边的角距值作为匹配特征量,并以此构建导航特征库,采用散列函数的方式搜索导航特征库。由于将三角形特征量的维数由三维缩减至二维,该算法具有导航星数据库容量小、搜索匹配速度快的优点。仿真实验表明,在星点位置噪声标准偏差为2像素、星等噪声标准偏差为0.8等的条件下,该算法的识别率均在99%以上,平均识别时间约为1.29ms,和现有三角形算法相比均具有一定的优势。并在地面观星实验中,取得了非常好的效果。     

提高星图正确匹配率的新方法

在CCD星敏感器中,快速而可靠的星图识别算法成为星敏感器确定姿态的最关键部分。针对星图识别中误匹配点的存在,提出了一种新的剔除误匹配点的方法—累积偏差法,选取合适的判定阈值对实验数据进行筛选,并结合最小二乘曲面拟合法对实验数据进行误差分析,实验结果表明,采用此方法,可以很好地剔除星图识别中的误匹配点,在赤经(α)和赤纬(δ)方向拟合偏差平均值可达到5.267 2,″星图正确匹配概率大大提高。     

一种基于高精度CCD的星敏感器系统设计

CCD作为实时、高精度姿态测量部件,对空间飞行器的姿控、导航、定位具有重要意义。本文对CCD星敏感器遮光罩、光学系统、电路系统硬件及导航星库制定、星图识别、姿态计算软件算法等星敏感器技术实现进行了系统阐述,并提出星敏感器系统设计方案。经实验室静、动态检验和观星检验,该系统可以满足卫星姿轨控系统提出的精度要求。     

基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模与仿真

在采用天文光学自主导航方式进行深空探测时,导航星的视星等高,为获取清晰的星图,星敏感器焦距长、曝光时间长,同时受探测器多种运动复合的影响,星图易产生模糊拖尾现象,很难用基于硬件的常规方法有效复原。研究复合运动模糊星图的建模方法,可揭示星敏感器与导航星的真实相对运动对星图像质的影响规律,从而用软件算法复原高像质星图,提高星敏感器的动态性能。由于缺乏确定的参数模型,复合运动模糊星图建模难度较大。提出了一种基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模的新方法,研究星敏感器角运动和角振动对成像的影响,并与常用的分步模糊方法比较。仿真表明:基于可分离模糊核方法的仿真星图更符合星敏感器实际运动对星图退化的影响;星敏感器的复合运动特别是旋转运动对质心提取效果具有显著影响,严重时会导致星敏感器无法定姿。     

基于恒星识别的微型航天器自主导航技术研究

在分析了现代星敏感器的姿态测量精度影响因素的基础上,针对软件程序中最为费时的两个过程:星图获取和星图识别进行了研究.分别提出了高效可靠的星图获取新策略,即将基于小面模型和极值理论的最大极值点的估计算法和基于单一特征值的检索的新三角形星图识别算法.新的星图提取技术易于硬件实现,适应性强,效率高.而新的星图识别技术则能与矢量技术结合进一步改进效率.它们对提高航天器自主导航系统的性能有重要的意义.     

新型分体式星敏感器设计及其应用

星敏感器是当前广泛应用于航天器姿态测量的高精度光学姿态敏感器。介绍了一种新型分体式星敏感器的总体设计、应用及验证情况,其已成功应用于科学试验、通讯及地球观测等多种卫星平台,共有21套产品在轨验证。根据在轨遥测数据分析,全面验证了其主要技术指标:探测灵敏度5.7Mv、数据更新率8Hz、测量精度2.6、阳光抑制角28、动态性能1（）/s等。新型分体式星敏感器是国际上首个在轨飞行验证并引入控制系统闭环控制的APS星敏感器,根据地面测试验证结果和20余套产品长达两年在轨数据的全面分析,其在轨性能与地面测试性能一致,在轨测试结果证明产品的测量精度、鲁棒性、可用性和可靠性等主要性能满足卫星使用要求。     

星识别的全新智能快速搜寻方法

星图识别算法的关键是识别效率高、花费时间短。过去的几十年里,人们致力于建设搜寻数据库的方法,而且确实找到了大量的搜寻方法。为了减少星图数据库的搜寻时间,提出了一种将不同恒星星等分层分类的新技术。同时,采用这种准确快速的搜寻方法提出了全新智能快速星识别算法。基于台式机的仿真结果显示这种星识别方法和数据库搜寻方法具有较高的准确性和效率。通过数据库搜寻星特征的时间复杂度为0(n)。除此以外,因为星图像的质量决定了星图识别算法准确性的改进,因此提出一种模糊边缘检测技术来解决图像的预处理问题,这种方法对于噪声消除、星特征提取、数据库建设和匹配有重要意义。     

适用于光电跟踪仪的高速目标跟踪控制算法

为了提高光电跟踪仪对于高速运动目标的跟踪精度和稳定性,提出一种适用于光电跟踪仪的高速目标跟踪控制算法。利用光电跟踪仪、火炮、载体惯导系统、视频跟踪器和激光测距机输出的相关参数,通过一系列坐标转换、递推迭代和坐标反变换,完成瞄准线坐标系下方位速度环和俯仰速度环跟踪前馈补偿参数的计算,并将该参数分别叠加到方位、俯仰跟踪控制回路,参与跟踪控制;采用模拟航路进行验证,该跟踪控制算法对速度2.5 Ma的高速运动目标,跟踪系统误差和随机误差均小于0.15 mrad。实验结果表明,该方法能有效提高光电跟踪仪对高速运动目标的跟踪精度,响应速度快、动态滞后小。     

基于主动红外视觉探测的激光跟踪仪目标跟踪恢复方法

为实现激光跟踪仪的自主快速跟踪恢复,提出了一种基于主动红外视觉的跟踪恢复方法。首先,对所采用的跟踪恢复原理进行了分析。其次,充分利用激光跟踪仪合作目标靶球的强反射特性,设计了主动红外视觉探测系统。该系统采用红外SLED作为主动光源,利用SLED大发散角、红外相机的视场角远大于激光跟踪仪PSD探测范围的综合优势,实现合作目标靶球的大范围主动探测。然后,对红外图像中目标的快速识别与定位算法进行了研究,提出了基于合作目标特征评分的快速识别方法。最后,构建了跟踪恢复系统实验装置,并在算法的处理速度与识别准确度、系统的跟踪恢复范围和跟踪恢复速度等方面开展了针对性验证实验。实验结果表明,算法的平均处理速度约为每秒28帧,同时95.4%的目标中心像素坐标定位偏差低于5个像素值;在合作目标靶球距离3 m的情况下,跟踪恢复系统能够在1.8 s内实现直径0.5 m空间范围内的跟踪恢复。     

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.     

基于小视场星跟踪器的天文/惯性/卫星组合导航系统半实物仿真技术研究

因目前没有针对小视场星跟踪器的室内测试设备,而外场试验和试飞试验成本高、 难度大,为了对组合导航系统的算法和性能进行测试,本文设计了一种基于小视场星跟踪器的天文/惯性/卫星组合导航半实物仿真系统。该系统根据实际采集的导航源数据建立误差仿真模型, 产生仿真数据,结合组合导航系统原理样机中的导航处理器和显控单元实物模块,形成半实物仿真系统。它具有很强的灵活性和可扩展性,可有效地降低组合导航系统的实验成本,缩短研制周期, 对研究组合导航系统的算法性能、系统特性和工程应用等具有重要理论和实践意义。     

一种WCDMA第三方探测系统目标信号快速捕获算法

针对第三方探测系统对WCDMA系统中上行PRACH捕获的实时性要求,分析传统前缀同步算法的不足,本文设计一种基于能量累加和最大似然相结合的前缀快速捕获算法,并根据消息的帧结构特点设计一种基于控制部分的频偏估计算法。快速捕获和频偏估计共同构成第三方探测系统目标信号快速捕获算法,经实测数据验证,该算法能够快速、准确对目标手机用户RACH信息进行捕获、解码。     

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%。     

激光跟踪绝对测长多边法三维坐标测量系统

现今随着大型工件制造、装配需求的增加,对此类产品的制造装配精度的需求也在不断地提高。高精度的测量和控制成为制约高端制造业发展的一个重要因素。对此文中研究了一种基于激光跟踪绝对测长多边法三维坐标测量系统,该系统由四台绝对距离测量激光跟踪仪和上位机构成,既充分利用了绝对激光干涉测距的精度优势和断光续接的能力,又避免了传统激光跟踪仪角度测量带来的误差。同时,为提高自标定算法的精度,提出并研究了一种依赖距离的残差模型。通过实验表明,该系统实现了在20 m大范围空间内小于20 m的测量误差,测量不确定度为12.3 m。较之单台绝对激光跟踪仪系统的精度有很大的提升,实现了在工业现场在线、高效、精密的三维坐标测量。