机载星敏感器成像的仿真技术研究

根据天文导航的基本原理,综合考虑了星敏感器自身噪声、星云星团、大气折射、大气扰动和气动、地球遮挡等因素对机载星敏感器成像的影响,实现了复杂环境下的星光在机载CCD星敏感器上的成像仿真。在仿真过程中,重点考虑了大气折射的影响,分析了载体在大气层内飞行时星光角距、载体姿态和折射角之间的关系,推导了星敏感器成像点位置偏移的计算公式,为进一步研究机载天文导航技术打下了基础。     

当前CCD星敏感器及其在航天中的应用

本文阐述了星敏感器的定义、分类;简要地介绍了CCD星敏感器的结构、工作原理和应用;重点介绍了美国、日本、英国和德国研制的几种有代表性的卫星、航天器等姿态测量用CCD星敏感器。     

星图分布对星敏感器最小二乘姿态精度的影响

星敏感器的姿态确定是其导航最基本、最关键的环节。为了分析星图分布对最小二乘姿态测量精度的影响,描述了星敏感器的姿态角定义,研究了最小二乘法求解星敏感器姿态的过程,并从数学角度推导了存在一定观测误差的情况下,最小二乘方法产生较差姿态测量精度的部分主要原因,即系数矩阵的条件数变化。最后以星图模拟的方式在不同条件下模拟了三组典型的星图分布,对其进行姿态测量和结果统计。统计结果表明:姿态测量精度除了受条件数描述的导航星间相对位置的影响外,还与导航星组在星图中的不同位置以及不同的星敏感器参数模型有关。     

基于双视场弹载星敏感器的姿态测量及误差分析

姿态测量是导弹导航、制导系统的重要组成部分,为提高弹载星敏感器测量姿态的精度,提出了基于双视场星敏感器测量导弹姿态的方法.首先,由单个视场中的导航星求得每一个视轴的方位,然后通过双视轴矢量求得弹体在赤道惯性坐标系姿态,由发射点惯性系和赤道惯性系的关系,可得到导弹在发射点惯性系的姿态,并给出了具体数学表达式.最后,定量分析了双视场中星数目对姿态精度的影响,对合理采用姿态数据,提高测量精度有一定的指导意义.     

大视场宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是一种姿态测量系统,用于测量飞行器的实时姿态。该系统是一种基于CCD 探测器的适用于星敏感器的光学系统。通过相关参数的计算,利用ZEMAX 平台实现了具有良好成像质量的光学系统结构设计。该系统焦距为50 mm,F 数为1.8,具有较大的视场角:2=23,光谱范围较宽:500~850 nm,中心波长为680 nm。捕获三颗导航星的概率达100%。满足星敏感器对弥散斑、能量集中度和畸变等特殊要求。倍率色差得到了很好的校正,仅为0.087 m。系统仅使用6 片球面透镜,结构简单紧凑,易于加工制造。     

基于双星敏感器的船体姿态测量系统设计

提出了一种基于双星敏感器的船体姿态测量系统。本系统采用两台大视场高精度CCD星敏感器,一台指向船艉,一台指向左舷,组合定姿达到提高横摇角测量精度的目的。选用TH7888A作为CCD传感器,成像后经实时图像处理器提取星点目标位置、灰度信息传给数据处理计算机,通过星图识别、姿态确定获取地心惯性坐标系下视轴指向,经岁差、章动、极移、船位、蒙气差等修正,获得惯导地平系下姿态矩阵。依据标定的星敏感器与甲板坐标系安装矩阵,解算船体姿态角,将两台星敏感器解算的姿态角进行融合,达到获取三个高精度船体姿态角的目的。实验表明,该系统航向、纵摇及横摇测角精度分别达到8.46″、7.16″及5.11″,测量精度高、自主性强且能不随时间漂移。     

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。     

基于惯性系重力的高精度水平姿态确定方法

针对舰载星敏感器定位需依赖外部提供的水平姿态基准,提出了一种基于惯性系重力的高精度水平姿态确定方法。该方法利用星敏感器输出的载体系相对于惯性系的姿态转换矩阵,将加速度计的测量信息投影转换至惯性坐标系,设计自适应滤波器对加速度计投影后信息进行滤波,最大限度地对风浪和加速度计的噪声等外部干扰信息进行剔除,根据提取出的较纯净的重力矢量信息解算高精度的水平姿态,把这一高精度水平姿态作为星敏感器定位所需外部水平基准。仿真结果表明,该方法能有效剔除舰船海上航行时的各种扰动信息,水平姿态精度较高且误差不随时间积累,进而提高了星敏感器的定位精度,满足舰船长时间海上航行对于导航精度的要求。     

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.     

CCD星敏感器在天文导航系统中的应用

本文介绍了基于星图匹配技术的新一代大视场天文导航原理和CCD星敏感器的基本工作原理,并对导航的精度做出理论计算,可适用于空中飞行器、舰船、陆用战车等武器装备,是天文导航今后的发展方向。     

成像器噪声对星敏感器星等灵敏度的影响

作为用于高精度测量的姿态敏感器,星敏感器需要具备很高的星等灵敏度.对以光电转换技术为核心的星敏感器来说,光信号的传输及转换容易引入噪声,而成像器噪声则成为影响星等灵敏度的重要因素.为了提高星敏感器的星等灵敏度,结合系统信噪比判据,分析了成像器中的CCD组件噪声和电路噪声,推导出系统信噪比公式.并针对其中的暗电流噪声、逻辑驱动电路噪声、直流偏置驱动电路噪声和A/D转换电路噪声等主要噪声提出了相应的解决方案,经分析和测试,成像器噪声对星等灵敏度的影响是不容忽视的.采用适当的噪声抑制方案可有效提高星敏感器的星等灵敏度.     

船用星敏感器姿态测量误差建模与仿真分析

为提高船用星敏感器姿态测量精度,对星敏感器船体姿态测量误差模型进行了理论分析。首先针对船用星敏感器的使用环境构建了船用星敏感器观测模型,然后推导了基于角度测量的船用星敏感器误差模型,最后仿真分析了星敏感器地平滚动角测量误差、安装角度对船体姿态测量精度的影响。误差模型与仿真结果表明,星敏感器地平姿态测量误差、安装角度标定误差以及安装布局等是影响船体姿态测量精度的主要因素,其中当星敏感器地平滚动角测量误差为100″时,船体姿态测量误差最大可达112″;安装布局对船体姿态测量精度有一定的影响,其中船体姿态测量误差随安装方位角的变化而呈周期性振荡趋势,纵摇测量误差随安装仰角的增加而增大;当星敏感器沿艏艉线方向安装时,航向测量误差随安装仰角的增加而增大,当沿垂直于艏艉线方向布局时,横摇测量误差随安装仰角的增加而增大。     

多视场星敏感器近地轨道自主定位导航方法

传统航天器自主天文导航需要星敏感器、红外地平仪、磁强计等多种敏感器采集导航数据,增加了航天器的成本和复杂度。利用多视场星敏感器的特点,分别对恒星与地球进行成像,在完成姿态测量的同时,得到地心矢量信息,从而进行自主天文导航。首先建立地球几何模型,结合航天器轨道参数与多视场星敏感器的安装布局,实现各个视场内地球边缘的成像模拟,使用Steger 算法提取地球边缘。综合考虑地球扁率的影响,对不同视场中观测到的地球边缘进行拟合得到精确地心矢量,最后进行基于星光角距的直接敏感地平导航仿真。仿真结果表明,在一个视场观测恒星,另外两个视场观测地球边缘的布局情况下,地心矢量精度和导航位置精度分别达到0.017 2（1）和190 m（1）。     

星敏感器支架的结构/热稳定性分析及验证

为明确星敏感器支架受空间环境影响产生的变形对星敏感器定姿精度的影响,对星敏感器支架的结构/热稳定性进行了研究。通过有限元法对星敏感器支架进行刚度分析,将热分析获得的在轨极端工况下的温度数据映射至结构模型上计算得到热变形,利用最小二乘法得到各星敏感器光轴矢量,最后进行试验验证。结果表明:星敏感器组件的结构基频为429 Hz,与分析结果相差不超过2%,试验前后星敏感器光轴与基准坐标系各轴夹角最大变化不超过5;在轨期间星敏感器支架最大温度波动小于2 ℃,星敏感器光轴变化最大为4~5,与分析结果一致。星敏感器支架的结构/热稳定性良好,能够满足星敏感器定姿精度要求。     

CMOS APS 器件及其在星敏感器中的应用

介绍了CMOS有源像元图像传感器(APS)的原理与结构特点,阐述了CMOS APS与CCD比较应用于星敏感器的潜在优势,详细介绍了CMOS图像传感器在星敏感器中的应用现状,并对基于CMOS APS与基于CCD的星敏感器的测量精度结果进行对比,展望了CMOS APS星敏感器的发展前景.     

基于预测跟踪星表提高星敏感器实时性的方法

为提高星敏感器在星跟踪失败时向全天识别模式转换的效率,提出了一种在星跟踪的同时,并行预测跟踪导航子星表的方法,以随时做好工作模式切换的准备,提高星敏感器实时性。设计了分层存储、逐层索引结构的导航星表,实现了均匀化筛选导航星、构建导航子星表及对数据快速搜索和处理;由飞行态数据预测下一时刻星敏感态,并通过星敏感器视轴指向与子星表地址之间的索引关系,预测跟踪子星表的地址;星跟踪失败时,全天识别在4个冗余子星表中完成,简化识别过程,提高了识别效率。实验结果表明,设计的导航星表较为科学、合理,预测跟踪星表方法具有较强的鲁棒性,在高动态条件下有效提高了星敏感器模式切换的实时性。     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

星敏感器热稳定性的试验分析方法

星敏感器作为高精度姿态测量仪器,在轨工作时易受热环境的影响。针对仿真分析难以精确建立星敏感器光-机-热模型的问题,提出了一种星敏感器热稳定性试验分析方法,通过加热真空罐中的安装面和遮光罩来模拟星敏感器的在轨热环境,利用静态光星模拟器模拟星空,通过观察星敏感器输出姿态的变化评价星敏感器的三轴热稳定性。试验过程中通过自准直仪对安装面棱镜的测量值剥离安装面热变形对姿态测量的影响,经过分析后可知误差在4.5%以内。对某型号高精度星敏感器进行试验,结果表明:当遮光罩温度由27.3℃升至110.6℃时,星敏感器光轴绕x轴的偏移量为2.9″,绕y轴的偏移量为1.2″,绕z轴的偏移量为2.6″;当星敏感器安装支架控温精度为(20±0.3)℃时,星敏感器光轴的偏移量为±0.18″,满足高精度星敏感器的热稳定性指标。     

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。     

多视场星敏感器结构布局优化

星敏感器是应用于航天器的重要的姿态测量器件.多视场星敏感器与传统单视场星敏感器相比,在测量精度及可靠性方面具有明显优势,是星敏感器技术发展的重要方向.如何对多视场星敏感器的安装结构进行优化布局,获得最佳的姿态测量效果,是多视场星敏感器在设计与应用过程中需要首先解决的关键问题.从测量精度出发,对多视场星敏感器的结构布局进...