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...     

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.     

一种机载天文导航星图模拟的实现方法

星图模拟是研究机载天文导航的关键技术之一.通过分析近些年国内外天文导航技术研究方面的资料,结合机载条件下的实际运行环境、天文导航基本原理和成像的主要影响因素,改进了CCD星敏感器的光轴指向、视场范围和观测星的确定方法,对星体成像位置和灰度的确定方法及背景光和曝光时间对成像效果的影响进行了优化,并建立了相应的模型.最后运用Matlab编程生成了所需星图,为进一步研究机载天文导航技术打下了基础.     

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。     

机动天基平台惯性/天文导航组合模式研究

为了有效提高惯性/天文组合定姿效果,研究了在机动天基平台条件下惯性/天文导航的7种组合模式在姿态控制方面的应用,进行了理论分析,并对不同的组合模式的定姿结果进行了仿真实验。通过仿真分析了惯性/天文各种组合模式的优缺点,提出了不同组合模式的适用场合,当星敏感器识别恒星为两颗时,采用基于光轴指向的组合模式的效果好于使用星光单位矢量的组合模式;当星敏感器识别恒星超过两颗时,采用基于姿态矩阵的惯性/天文组合模式效果最好,能够更充分地利用星光信息、计算精度高、计算实时性好。     

基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法

提出了一种基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法。该方法利用转台的3个旋转自由度,无需重新安装即可对任意轴向的视场进行标定数据采集。通过对于测量模型、结构参数模型及外参数模型的建模及优化整合得到实验室标定模型。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法求解各视场的测量模型参数和各视场间的结构模型参数。该方法无需通过外场观星数据确定结构模型参数,大大节省了标定数据采集的工作量,也避免了大气对恒星矢量的影响引入的参数估计误差。通过一台数字三视场星敏感器的仿真试验和一台双视场星敏感器样机的实际试验验证了该方法的有效性。与基于外场观测的传统方法相比,视场内星间平均角距误差减小了20.32%,视场间星间角距平均误差减小了59.34%。     

差分式太阳敏感器在航天器上的应用

航天器普遍采用差分式太阳敏感器进行太阳矢量及太阳角的确定。针对差分太敏在航天器在轨定姿应用中存在的问题,该文对根据电池片输出电流确定太阳矢量的方法进行了严密推导,分析了光阑厚度对电池片光生电流乃至对太阳矢量确定的影响;对太敏的视场进行了详尽分析,确定了太敏的有效视场,并针对太敏无效视场设计了对杂散光进行遮挡的遮光板。通过具体的仿真算例确定了太敏的有效视场尺寸（为标称视场的96%）及遮光板尺寸,并分析了光阑对太阳矢量确定精度的影响。相关分析为太阳敏感器的工程应用提供了指导。     

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.     

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。     

适用于小视场星敏感器的导航星表构建方法

导航星表构建是星敏感器设计阶段的重要工作.对于小视场,受限于恒星分布规律,易出现导航星表空洞问题.为解决小视场条件下均匀完备导航星表构建问题,对基于球面螺旋基准点的导航星表构建方法进行了改进:摒弃了原方法通过改变球面螺旋基准点数量和位置重新构建导航星表的思路,转而通过增选部分恒星来达到减少星表空洞的目的.设立了描述恒星消除星表空洞能力的权值,并以该权值递减顺序开展恒星增选;同时,设计了增选恒星距离阈值条件以保持增选后导航星表的均匀性.仿真表明,在4圆形视场条件下,相对于原方法,文中方法得到的导航星表,总星数减少708颗,均匀性指标提高约44%,而星表空洞变化较小,显示了较好的性能.     

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。     

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。     

A Big-data Inspired Precision Improvement Algorithm for Autonomous Navigation Based on Period Variable Stars

Periodic variable navigation can realize the integration of positioning, attitude determination, timing and other functions. As a novel autonomous navigation method, autonomous management and autonomous operation of spacecraft are the main direction of great significance to reduce the burden of ground measurement and control, to improve the viability of spacecraft, While, the precision of the navigation is very critical for the use of periodic variable navigation for the long range spacecraft. So, we propose a big-data inspired precision improvement algorithm in this paper. Period variable star phase time measurement is used as observation information, and accomplished by the orbital dynamics equation of spacecraft motion. According to the gathering of the sampling data and the sensor data, a self-learning system is trained with the parameters from the nonlinear filtering methods. Based on the Unscented Kalman Filtering, an autonomous navigation algorithm of period variable star is established to realize the navigation and positioning of spacecraft. Under the measurement conditions of a single sampling interval of 0.01s and the measurement precision of period variable star phase observation time of 10^??5s, It can be find that the navigation position determination precision can reach 400m, the speed determination precision can reach 0.3m/s, and the measurement precision can reach 10^??5s with our proposed algorithm.

     

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。     

一种基于星点特征不变原理的快速星图识别方法

星图识别算法是星敏感器输出姿态的关键技术。根据星图从天球坐标系转换到星敏感器坐标系过程中存在特征值不变的原理,结合视场和星等需求建立了导航星表。并根据星图识别要求设计了对应的快速识别算法。针对特征表维数多的特点,采用K向量法提高搜索效率,同时采用并行计算的思想进一步提高搜索速度。采用Matlab编程实现了算法,并进行了仿真。结果表明,算法的识别效率可达97.8%,平均搜索时间可达14.4ms,能够满足准确率高、识别速度快的要求。     

基于FPGA的深空图像实时边缘检测算法与实现

航天器的导航控制是深空探索的重要关键技术之一。随着探索距离越来越远,传统地面站控制的局限性越发明显,因此航天器自主导航成为深空探索的发展方向。边缘检测是光学自主导航系统中定位天体目标的关键算法之一,为了满足星载计算机计算的实时性要求,文中提出了一种优化的Canny边缘检测算法和FPGA电路架构来优化Canny边缘检测算法中的非极大值抑制并采用动态单阈值,使其能够以较少的资源占用在FPGA上以流水线架构实现。该方法在保证边缘提取精度地前提下满足光学自主导航实时性的要求,对复杂的星体目标也具有较好的鲁棒性。     

地球反照对星敏感器的影响分析

利用光度学的概念和点源辐射传输率(PST),提出了一种分析地球反照对星敏感器的影响的几何光学模型。该模型对地球表面按照经纬度划分了网格,为已知的TOMS反射数据的应用提供了接口,具有一定的通用性和实用性,可简要分析卫星上的星敏感器在一定输入条件下,包括轨道高度、星敏感器的安装方位、太阳入射角度等,地球反照到达遮光罩入口、出口的照度,以及不同离轴角下像面接收的地球反照的照度值。借助此模型,可以为星敏感器在卫星上的安装方位提出建议,并估算出星敏感器遮光罩的抗地球反照干扰性能。仿真分析表明,对于中低轨道而言,地球反照到达星敏感器遮光罩入口的辐照度变化不大,地球反照到达星敏感器遮光罩出口的辐照度主要与遮光罩自身的PST和遮光罩的安装仰角有关;当遮光罩的安装仰角φ=32.5°时,出口的辐照度下降到10-7W/m2,满足遮光罩消杂光的要求。     

星敏感器高动态下自主星跟踪算法

当飞行器大角速度机动时,采用传统的星跟踪算法来提取星像坐标时,必须选取较大的扫描星图区域,从而增加了区域内包含其它星像部分像元或全部像元的可能,需要多次采用星对角距比较来选取正确的星像坐标,因此,在选取正确的星像坐标时增加了误匹配的可能。为此,文中提出一种星敏感器高动态下自主星跟踪算法,首先根据前邻时刻的瞬时姿态来预测下一时刻的输出姿态,再利用预测姿态预测当前时刻恒星在下一时刻的星像坐标,最后扫描在以预测的星像坐标为中心的星图范围内提取实际的恒星星像坐标。这样克服了采用传统星跟踪算法带来的数据更新率低、可能误匹配高甚至不能提取正确地星像坐标的缺点。最后,采用该方法进行了仿真验证以及外场观星试验。     

星跟踪器天文观测信息异常检测算法

针对机载天文导航系统中小视场星跟踪器的观测信息容易受外界环境影响而导致输出噪声较大的问题，提出了一种天文观测信息异常检测算法。建立了星跟踪器观测信息相对惯性导航基准的理论观测信息的误差模型，采用视场阈值检测、3?剔除和斜率估计等算法分别检测处理了观测信息中的野值、跳变和缓变异常信息。并通过对实际观测数据验证的测试结果表明， 该方法有效解决了星跟踪器的天文观测信息异常检测问题，为基于小视场星跟踪器的机载 CNS/INS 组合导航系统的工程化实现奠定了基础。     

视场网状分区域建模的星敏感器标定方法

星敏感器标定是基于更高精度的测量基准对光学系统内方位元素进行建模与最优化解算的过程。针对大视场星敏感器光学系统误差分布非理想轴对称的实际情况,提出了一种采用视场网状分区域建模的内方位元素最优化解算方法。首先,在补偿了星敏感器与标定系统初始对准误差后,基于针孔模型计算主点和焦距;然后,在视场分区域建模思想的指导下,采用多项式拟合结合双线性插值的方法修正畸变;最后,提出了基于测角误差的标定精度评价准则。经实验室标定与外场观星验证,x轴与y轴标定残差较全局建模法分别降低了35%和20%,证明了该方法的有效性。