低成本姿态控制敏感器的新家族

本文介绍满足人造卫星姿态测量要求的新一代光学敏感器的发展状况。这些敏感器包括：一种新型两轴全静态红外地球敏感器(现已通过鉴定)。它用来测量三轴稳定卫星相对于地平线的俯仰与滚动姿态；一种新型多功能、全自动、低成本的星跟踪器。这种星跟踪器(现已通过鉴定)为姿态控制分系统提供三轴姿态和卫星角速度信息；一种用来测量卫星俯仰与滚动姿态角的新型太阳敏感器。它质量很轻，价格很便宜。     

基于多视场星敏感器的姿态确定方法

星敏感器是目前航天器姿态测量精度最高的器件,与传统的单视场星敏感器相比,多视场星敏感器可以实现三轴同样高精度的姿态测量,提高姿态测量精度;针对单视场星敏感器姿态确定问题,推导了以最小代价函数为指标的QUEST姿态确定算法;对于多视场星敏感器,通过坐标变换方法将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中,再利用QUEST算法得到航天器姿态;最后仿真结果表明,坐标变换后进行姿态确定得到的姿态数据与单个视场所得的姿态数据相同,验证了方法的正确性。     

大视场星敏感器标定技术

星敏感器是一种高精度的空间姿态测量装置,精度标定是其高精度测量的重要保障.在分析影响大视场星敏感器测量误差因素的基础上,针对常用标定方法(如多项式畸变模型法和直接映射法)的缺点,提出遗传算法优化的BP神经网络算法进行大视场星敏感器标定.根据此方法建立了大视场星敏感器标定系统,并进行了实验测试.实验结果表明:该标定方法使得单星测角误差由标定前的0.14°降低到0.0053 °,有效提高了大视场星敏感器测角精度,并且代码效率高、稳定性高.     

基于STK的卫星星敏感器视场仿真研究

研究卫星无陀螺姿态稳定性优化控制问题,针对在轨星敏感器可能会受到太阳光、月光、地气光等杂散光的干扰,从而降低星敏感器姿态测量精度以及有效姿态率等.首先建立了星敏感器视场遇杂散光的数学模型.为解决上述问题,提出用Satellite Tool Kit(STK)仿真软件进行了杂散光进入星敏感器视场的仿真,并给出了星敏感器遇杂散光的时间段、持续时长等信息.研究方法和仿真结果适用于对任意轨道卫星的星敏感器视场进行杂散光研究,并可用来优化星敏感器在星上的安装方位,对星敏感器的工程设计提供科学指导作用.     

ASTRO-C卫星的CCD星跟踪器

1.前言近年来以天文观测为目的的科学卫星为进行姿态确定和控制,要求高精度的姿态敏感器。卫星姿态敏感器主要有地磁敏感器,太阳敏感器,地球敏感器等。星敏感器(星扫描器,星跟踪器)可作为高精度姿态敏感器。有代表性的实用星敏感器有以下两种:自     

嫦娥一号卫星紫外月球敏感器

探月工程是我国航天领域的又一项重大工程项目,嫦娥一号卫星是探月工程的第一步。嫦娥一号卫星首次采用了一种全新的光学姿态敏感器——紫外月球敏感器,实现在卫星环月飞行期间的姿态测量任务。紫外月球敏感器是一种以月球为姿态参考源的大视场成像式光学姿态敏感器,本文介绍其工作原理、功能与组成以及在轨飞行试验的相关情况。     

面向微小卫星的全视场数字太阳敏感器设计

本文提出一种新型的全视场数字太阳敏感器设计方法,其光学系统由全景鱼眼镜头和滤光膜组成。采用低功耗设计,在满足精度的要求下,使其能够适应微小卫星对于数字太阳敏感器功耗的限制。从工作原理出发,建立起该敏感器模型并通过软硬件实现,利用太阳模拟器对数字太阳敏感器进行标定及误差分析。实验表明,基于全景鱼眼镜头的数字太阳敏感器的视场为180°×360°,在160°×360°视场的测量3δ精度优于0.18°,整机功耗150 mW,能够满足微小卫星姿态确定系统对于数字太阳敏感器的需求。     

三视场星敏感器系统结构布局的优化

研究了三视场星敏感器的相关坐标系及旋转关系,讨论并给出计算视场内导航星数目的方法,指出优化三视场星敏感器结构布局的依据和途径。通过蒙特卡罗仿真,统计导航星捕获概率,给出了结构布局优化结果。从姿态测量精度、导航星捕获概率、光学系统设计难度方面折中考虑,选择极限星等、视场角和光学系统光轴仰角的最佳参数分别为5.0等、11°×11°和40°,此时捕获4颗以上导航星的概率达到99.43%。     

基于几何位置分析的星敏感器布局研究

针对对地三轴稳定卫星中存在的杂散光严重影响星敏感器测量精度和准确性的问题,在研究日-地-月-星的几何位置的基础上,结合卫星的姿态信息、星敏感器的安装位置,以及视场范围,分析了卫星在轨运行过程中太阳光、月球反射光对星敏感器的影响。此外,根据星敏感器的布局设计状况,探讨给出不同时刻推荐使用的星敏感器方案,进而有效避免杂散光对星敏感器的影响。     

基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法

为了解决传统航天器姿态测量方法中存在的误差率高的问题,提出基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法。首先对使用的精密星敏感器进行设计,并将在不影响航天器运行的前提下安装在合适的位置上。通过建立运动坐标系、坐标参数转换和设置姿态参数三个步骤得出航天器运动模型,在该模型下分析出航天器姿态的基本运动规律、利用精密星敏感器识别并选取航天器空间下的任意三个星点,最后综合定位的星点和航天器姿态的运动规律,从不同的角度上确定航天器姿态测量结果,为了提高航天器姿态测量结果的精度进行标定处理。通过模拟实验分析得出结论：与传统测量方法相比,基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法的平均误差率降低了6.0%。     

航天器的廉价姿态敏感器

由于人们对小型卫星的兴趣日益浓厚,所以对于廉价姿态测量和控制系统的需求也日益增长。本文介绍卫星国际有限公司(SIL)研制的适用于自旋航天器的这种廉价姿态测量系统。SIL 姿态敏感器系统(SASS)采用扇束式太阳敏感器和地球反照式敏感器,这些敏感器是在已成功地用于 AMPTE 任务的姿态敏感器基础上发展起来的。敏感器与一个能记录太阳和地球触发时刻的处理电路相接。该敏感器系统将用于英国皇家空间研究院(RAE)正在开发的空间技术研究飞行器(STRV-1)上。STRV-1将于1993年初发射到地球静止转移轨道(GTO)。该敏感器和处理电路模块已设计出来,它能抗 GTO 的辐照环境,并且功耗较小。处理电路采用固有增强型耐辐照现场可编程门阵列(FPGA)器件。本文介绍如何利用 SIL 开发的星上计算机软件或地面软件实现姿态重建的。本文结尾展望了SIL 为未来开发的姿态测量和控制系统,其中包括适用于三轴稳定航天器的廉价数字式太阳敏感器。     

基于MOEMS的微型数字太阳敏感器

结合CMOS APS图像传感器与MEMS工艺的优势,研制了一种适用于微纳卫星的两轴数字太阳敏感器,在保证测量精度的同时,减小了系统的体积与功耗.其光学系统由CMOS APS图像传感器和MEMS工艺制作的孔阵列结构光学引入器组成,提高了敏感器的分辨率,扩大了有效视场的范围.利用太阳模拟器对数字太阳敏感器进行了测试标定,结果表明,在120°圆锥全视场范围以内,1σ精度优于0.035°.     

星敏感器技术

80年代初星敏感器技术已经被应用于卫星和航天器的姿态测量和控制系统中;星敏感器技术包括光学、机械、电子线路、软件以及标定和验证实验。目前,其姿态测量精度优于5角秒;发展趋势是小型一体化、低功耗、高精度、输出接口标准化。     

大视场数字式太阳敏感器设计

提出了一种新型的大视场数字式太阳敏感器设计方法,其光学系统由全景环形光学镜头和滤光膜组成.该敏感器具有视场大、结构简单及功耗低的特点.从工作原理出发,建立了该敏感器模型,并利用搭建的实验平台,对敏感器进行精度标定.设计中,采用非线性最小均方最优解来确定模型中的参数.对测量误差进行分析,消除系统误差后,敏感器的测量精度由...     

ASTRO-C星载惯性基准装置

1.前言科学卫星 ASTRO-C 为完成其科学观测任务,需要高精度和高稳定的姿态控制。为满足这样的姿态控制要求,必然要用高精度的姿态敏感器。因此,为 ASTRO-C 开发了使用 CCD器件的高精度星敏感器和太阳敏感器,也开发了使用高精度积分陀螺的惯性基准装置 IRU。本文介绍该 IRU 的概况和试制结果。     

利用GPS姿态敏感器和星敏感器测量值的组合确定航天器的姿态

GPS在航天领域的应用有几大优势，例如可在轨获得完全的导航信息，质量轻，体积小，功耗低等。 GPS定姿有许多重要的优点，可快速而可靠地实现初始姿态捕获，抗自旋速率，在执行任务期间始终有二颗GPS卫星在用户航天器视场之中可用于姿态确定。此外，GPS还可作为航天器的一种安全模式姿态敏感器。因此，GPS定姿技术看来是很有前途的。但由于GPS定姿受到基线长度和信号噪声的限制，可实现的定姿精度较低，因此，GPS姿态敏感器不能用于要求高精度姿态测量信息以及基线长度受结构限制的航天器任务上。对于这些航天任务，星敏感器将是合适的姿态敏感器。星敏感器安姿精度高，鲁棒性强，且星敏感器定姿算法业已完全成熟。利用星敏感器定姿的缺点是其视场受到限制，只能在较低的角速率下工作，敏感器性能随时间推移而降低，有时还会产生恒星识别问题。 考虑到GPS和星敏感器各有其优缺点，因此将GPS姿态敏感器和星敏感器组合，取长补短，看来这是极有前途的。这种敏感器组合可应用于广泛的飞行任务类型。满足高精度定姿要求。 目前在德国航空航天研究院（DLR）／德国航天测控中心（GSOC）已经上马了一个研究项目，着手开发GPS姿态敏感器和星敏感器的组合定姿新算法，探索研究两种敏感器互补和彼此支持的各种可能性，以提高姿态解的精度．拓宽这种定姿技术的应用范围。 本文发表的初步研究成果是在转台上进行的一次试验中获得的，试验转台上安装了一个配有4副接收天线的GPS定姿敏感器，在夜间的一次地面试验期间还在转台项上装了一个星敏感器。     

紫外姿态敏感器

紫外三轴姿态敏感器是二十世纪90年代至今正在研究和发展的一种新型光学姿态敏感器。通过选取适当的工作波段,实现对不同天体目标的实时直接观测,从而获得卫星的三轴姿态信息和自主导航信息。以一个光学平台完成多个传统光学姿态敏感器功能,是一种非常具有发展和应用前景的新光学姿态敏感器。本文介绍了紫外三轴姿态敏感器的基本工作原理、组成、研究和发展情况。     

星敏感器测量模型及其在卫星姿态确定系统中的应用

本文对星敏感器三轴姿态测量的误差性质进行研究，得到一些具有实用意义的结果，在此基础上提出了改进的星敏感器测量模型，可以提高姿态确定的精度。     

基于EKF的航天器姿态确算法定及精度分析

采用陀螺和星敏感器组合的方式来进行航天器姿态确定。首先建立了陀螺和星敏感器的测量模型,选择以四元数作为描述航天器姿态的参数,详细推导了在小偏差下以误差姿态角和陀螺常值漂移误差为状态量的滤波状态方程,并且以星敏感器的测量残差作为量测量,采用扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）算法进行姿态确定;然后进行了仿真分析,仿真结果表明：该算法可以达到较高的姿态确定精度;最后对影响姿态确定精度的硬件因素和软件因素进行了定量的数据分析,得出了有一定意义的结论,从而为工程实践提供理论支持。     

立方星用微型太阳敏感器设计

设计了一种面向立方体卫星的姿态确定传感器——模拟式太阳敏感器。通过测得太阳光线的入射角度,从而解算出在卫星本体坐标系下的太阳矢量信息。敏感器理论设计精度为1度,质量为9克,尺寸为32mm×19.7mm×8.1mm,视场角为112度。本设计进行了光学头部、处理电路的设计,并编写了相应的算法程序。通过外场试验验证了设计的合理性,满足了应用要求。设计的太阳敏感器具有体积质量小、成本低等优点,在立方体卫星领域有广阔的应用前景。