流水线并行处理提高星敏感器数据更新率

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。小型化、低功耗、高精度、高数据更新速率是现阶段星敏感器发展的共同特点。本文介绍了星敏感器数据更新时间的组成;着重介绍了流水线并行处理机制提高星敏感器数据更新率的方法,并给出了串行工作机制、二级流水线机制、三级流水线机制在星敏感器中实现结果。最后介绍了多星敏探头和软件插值等提高数据更新率的方法。     

宽光谱大相对孔径CCD星敏感器光学系统设计

星敏感器是目前航天器用于确定姿态的最先进的空间姿态敏感器之一。文中针对星敏感器的特点,设计了一种星敏感器光学系统。该光学系统焦距为52.5mm,F数为1.5,视场角为12。,光谱范围为480～850nm,选取复杂化的双高斯光学结构形式及选用特殊的玻璃配对。设计的光学系统在宽谱段范围内获得了较好的成像质量,在13.4μm直径范围内能量包围达到85%,在0.85视场内各色光相对主色光的倍率色差在爱里斑直径范围内,全视场畸变小于1%,能获得准确位置坐标的恒星图片,符合星敏感相机使用要求。     

船载高精度星敏感器安装角的标定

星敏感器测量船体姿态精度与星敏感器与甲板之间的安装角标定精度密切相关。本文介绍了船载星敏感器的相关坐标系及安装角的定义,建立了船载星敏感器蒙气差修正模型,提出了一种船载高精度星敏感器安装角标定方法。船进坞坐墩时,船载经纬仪通过拍摄方位标确定航向,星敏感器通过星图识别获得视场内星点的赤经、赤纬,构成地心惯性系参考矢量,经岁差、章动、极移、船位等修正,得到各恒星在惯导地平系下的参考矢量。然后,根据蒙气差模型对星点逐个修正俯仰角,重构惯导地平系下的参考矢量。最后,依据姿态确定算法原理,解算星敏感器安装矩阵,求解安装角。实验表明,使用该方法可使方位角、俯仰角的标定精度达10"以内。该方法有效发挥了星敏感器指向精度高的优点,改善了程序自动化程度,提高了船体姿态测量精度。     

大视场低畸变的星敏感器光学系统设计

星敏感器是微纳卫星的重要组成部分,其通过光学遥感技术,可推测出微纳卫星的飞行姿态信息.根据星敏感器的要求及所选探測器CMV300参数,设计了一种基于球面的星敏感器光学系统.该光学系统由6片国产透镜组成,光谱范围为520～880nm,视场角18°,相对孔径1/1.49.优化后的光学系统焦距为25mm,总长为37.9mm,具有极低的畸变率(≤0.12％),能量集中度大于或等于90％(2×2像元内),成像均匀且具有良好的色差校正.结果表明,该光学系统成像质量良好,可满足微纳卫星对星敏感器的要求及发展需要.     

基于双星敏感器的船体姿态确定

由于单星敏感器横滚测量精度偏低会影响航向测量精度,本文针对测量船的实际使用环境,提出了基于视轴指向的双星敏感器船体姿态测量方法。介绍了单星敏感器船体姿态测量原理及其不足,分析了星敏感器滚动角测量误差对船体姿态测量精度的影响。设计了双星敏感器船体姿态测量系统,建立了基于视轴指向测量的双星敏感器船体姿态测量模型。最后,对该算法模型进行了外场试验验证。试验结果表明,基于双星敏感器的船体姿态测量方法获得的航向、纵摇及横摇测量精度分别为6.9″、5.7″及4.5″,显著优于基于单星敏感器的船体姿态测量精度,避免了星敏感器横滚测量精度对航向测量结果的影响,为船用星敏感器的工程设计提供了参考依据。     

基于RAC约束的星敏感器在轨校准方法

星敏感器投入使用后受发射冲击、工作环境及老化等因素影响,其内部参数如焦距、主点及畸变会发生变化,从而影响其姿态测量精度。星敏感器的在轨校准是指在在轨飞行状态对其内部参数进行重新自主校准,是保证星敏感器在轨高性能工作的一项重要关键技术。本文提出一种基于RAC约束（Radial Alignment Constraint）的星敏感器在轨校准方法。该方法不依赖外部姿态信息,通过建立基于RAC约束的星敏感器成像模型,采用两步法从单帧星图实现外部参数和内部参数的解算,并利用多帧星图整体优化的方式得到内部参数的整体最优解。仿真实验表明,该方法能有效消除内部参数的外部参数的耦合,实现其准确分离和解算。     

天文导航中的星敏感器技术

由于星敏感器仅仅工作在全天球的识别模式下远不能满足当前飞行器任务的需要,提出了当星敏感器有足够的先验信息情况下,可在星跟踪模式或者预测星像模式下工作,来提高星敏感器的数据更新率,降低由全天球识别带来误匹配的可能性.本文提出了一种新的星跟踪算法来克服飞行器在大角速度飞行情况下传统星跟踪算法处理时间过长等不足;为了消除由于系统噪声带来的误差,还提出了星图滤波和星像滤波的方法.实验结果表明,当飞行器在2.25°/s的角速度下飞行时,星敏感器能在10 pixel×10 pixel的范围内从星图中正确提取星像,星图经去噪后,星敏感器输出精度提高了近5″,从而使星敏器可在飞行器高动态飞行情况下实现高精度、高更新率的姿态输出.文中描述的所有方法已在2007年和2008年进行了地面观星测试,并于2009年即将应用于某些卫星的姿控系统中.     

一种星图模拟中观测星提取的方法

为了利用计算机动态实时地模拟生成星敏感器拍摄到的星图,针对球坐标系特点,提出了一种改进的高效且适应性强的观测星提取方法.通过对天球分区法在高纬度区域的完善,解决了星敏感器圆形视场在高纬度区域实际的赤经范围计算问题.进一步介绍了一种新的对分区节点进行判断的改进方法,还对提高观测星提取效率的措施(细化分区、采用坐标变换和分步提取)进行了探讨.分析表明,改进的分区法可减轻动态实时模拟星图时的计算压力,效率高,能适应天球中各纬度区域,且逻辑描述简洁,适宜编程.将该方法运用于软件的实现,满足了星图动态实时模拟的要求.     

一种星敏感器系统热设计方法及试验验证

目前,国内机构针对星敏感器的温控研究与设计较少,多集中于星图的图像处理和图像算法的优化。着重以星图中目标能量变化、信噪比、质心定位误差等参数为指标,分析温度对该星敏感器的热影响,从而实现高精度星敏感器在空间复杂热环境下的可靠应用。进一步基于星敏感器的结构及热分布,对星敏感器进行热设计及散热路径优化,提出星敏感器热电制冷器（Thermo electric cooler,TEC）的热控措施。以典型在轨高温工况与低温工况为例,利用有限元仿真软件进行该热设计的有效性与合理性仿真分析。在以上的设计与分析基础上,完成一套温度控制系统,通过模拟星敏感器在高温工况下的环境条件,使用热电制冷方式对星敏感器采取制冷措施,使星敏感器探测器温度维持在20℃±3℃,达到温控指标,保证星敏感器能够在恶劣温度环境下持续提供高精度姿态信息。重点阐明热环境因素与成像质量之间的关系,完成温度与星点识别精度的关联性分析,为后续星敏感器热控设计及定姿精度提升提供参考。     

运载火箭上面级惯性与天文组合导航系统设计

针对运载火箭上面级惯性导航随时间累积而误差增大以至不能满足长时间工作要求的问题,对采用星敏感器和地球敏感器修正惯性导航误差的方案进行了研究。首先,导出了上面级常用坐标系定义和姿态转换矩阵。然后,根据惯性导航的误差传播特性、星敏感器测量方程和地球敏感器的模拟测量方程,给出了组合导航的状态方程和观测方程。最后,设计了基于Matlab/dSpace仿真平台的星敏感器在导航回路中的半物理仿真实验。实验结果表明,组合导航使惯性导航位置误差矢量和从1.1719×104m减小到1.0367×103m,速度误差矢量和从11.2827m/s减小到3.6626m/s,姿态误差从0.1°减小到5′,说明了该组合导航方案能够有效修正惯性导航时间累积误差,半实物仿真实验验证了惯性/天文组合导航方案的可行性与正确性。     

CCD星跟踪器

自七十年代以来,CCD星跟踪器在各种航天飞行器上得到越来越广泛的应用。本文叙述了XG-1型CCD星跟踪器的设计思想,系统结构和工作原理。整个系统的工作由单片微计算机控制；由于采用了内插细分的矩心算法,XG-1 CCD星跟踪器达到了亚象元精度。实验结果说明,在视场角为2°×2°时,测量精度优于2角秒。系统具有多星跟踪的功能,可以稳定跟踪+6.4等恒星。     

暗弱空间目标的高精度定位

提出了一种暗弱空间目标的高精度定位方法,以进一步提高该类空间目标的定位精度。研究了星像质心计算和星图匹配以及光电望远镜静态指向修正模型和天文定位等算法。首先,深入分析了星像质心计算和三角形匹配算法。然后,采用Tycho-2星表和基本参数修正模型,修正光电望远镜系统静态指向误差。最后,针对暗弱空间目标定位精度低,对传统天文定位方法进行了改进,提出了"暗弱空间目标高精度定位方法",实现了暗弱空间目标高精度定位。实验结果表明:提出的暗弱空间目标高精度定位方法的测量精度优于4″,基本满足光电观测系统进行暗弱空间目标测量时对精度和稳定性的要求。     

多传感器的天文标定与空间配准

为了实现共平台的多个空间观测成像系统的空间配准,对多个相机进行天文标定和姿态测量,提出一种基于星图模拟的星图识别和姿态解算算法。首先,建立共平台的多传感器天文观测模型,并产生模拟星图,将星点之间的特征转换为图像特征;其次,根据四边形对角线的共线不变性特征,对相机观测星图和模拟星图进行特征匹配,提取相机内参数的初始值;然后,利用星点坐标矩阵奇异值不变性,自动匹配剩余星点并求解姿态矩阵的初始值;最后,对相机内参数和姿态矩阵进行非线性优化求解。实验结果表明,在未精确标定光学系统内外参数的情况下,星点正确识别率大于97.4%,相机像元角分辨率为3.9"×3.4",最后计算得出的投影误差低于1个像素,满足多传感器空间观测系统空间配准的精度和鲁棒性要求。     

连通聚类星识别方法

采用星敏感器测卫星姿态是现行方法中精度最高的,其关键是星图识别.本文阐述了只采用观测星的位置信息,利用观测星图与导航星表的星对角距进行聚类匹配,根据观测星图的连通性进行匹配识别的方法,用图论理论解释了星识别过程;用120M主频的微机模拟分析了门限和位置噪声对识别时间的影响.在门限取0.05°,位置噪声(单轴)δ=0.02°以下时,在任一区域识别率达100%,识别时间平均少于0.2s.     

星图的稀疏表示性能

分析了星图在不同表示方法下的稀疏性能,以便将更好的稀疏表示应用于星敏感器压缩成像过程中。采用两种方式对星图的稀疏性进行了分析:第一种方法利用离散余弦变换(DCT)、离散傅里叶变换(DFT)和离散小波变换(DWT)构造完备正交基,考察星图在不同完备基下的稀疏性;第二种方法则是通过选择DCT完备基构造超完备字典及训练学习字典来分析星图在不同表示方法下的稀疏性。仿真结果表明,在完备基表示下,星图相比一般场景图像的平均峰值信噪比(PSNR)值高出15~20dB,超完备字典和学习字典稀疏表示能够在各稀疏度下进一步提升峰值信噪比(PSNR值)2~20dB;对于星点的重构质量,各表示方法在10%以上稀疏度时基本能够保证星点重构成功率高于95%。得到的结果证明星图的稀疏性满足压缩成像的要求,其稀疏重构能够在很大程度上保持适用于姿态确定的星点质心位置,从而验证了压缩感知在星敏感器应用中的稀疏前提及可行性。     

改进的天文斑点图像高清晰重建方法

由于受大气湍流的影响,利用地基光学望远镜获取的天文目标图像会发生严重的模糊或降质。解决这一问题的主要途径之一就是斑点成像技术,该方法利用短曝光"冻结"大气,获取天文目标的斑点图再经后处理重建高清晰图像。本文将动态支持域约束的思想与广义极大似然估计重建算法相结合,提出一种改进的基于广义极大似然原理的天文图像高清晰重建算法。该算法创新性地提出了动态支持域约束的思想,在代价函数中增加了非线性滤波项,它可以对上一次的迭代结果进行非线性处理,根据阈值自动调整目标的支持域,使支持域随着迭代次数的增加实现动态调整,克服了已有算法在整个迭代过程中支持域不变的缺点,使得该算法也可对扩展目标实现高清晰重建。实验结果表明,该算法不仅对点源天文星体短曝光图像实现了高清晰重建,而且将模拟扩展目标图像重建结果的峰值信噪比提高10%以上,对自适应光学长曝光图像也有较好的恢复效果。     

大孔径大视场轻小型星敏感器光学系统

提出了一个大相对孔径、大视场轻小型CCD星敏感器光学系统设计方案,该星敏感器焦距为22.5 mm,F数为1.2,谱段范围470~750 nm,视场角25°。采用双高斯基本型后加一片近乎等晕的正透镜,获得了较大的相对孔径,同时选择高折射率玻璃材料增大视场并降低轴上及轴外光束入射角,高折射率玻璃材料亦能降低高级像差且使系统总长缩短。像质分析表明,此设计方案能够满足使用要求,光学系统总长仅为46.51 mm,满足实际工程轻量化需求。     

A novel body frame based approach to aerospacecraft attitude tracking

In the common practice of designing an attitude tracker for an aerospacecraft, one transforms the Newton-Euler rotation equations to obtain the dynamic equations of some chosen inertial frame based attitude metrics, such as Euler angles and unit quaternions. A Lyapunov approach is then used to design a controller which ensures asymptotic convergence of the attitude to the desired orientation. Although this design methodology is pretty standard, it usually involves singularity-prone coordinate transformations which complicates the analysis process and controller design. A new, singularity free error feedback method is proposed in the paper to provide simple and intuitive stability analysis and controller synthesis. This new body frame based method utilizes the concept of Euleraxis and angles to generate the smallest error angles from a body frame perspective, without coordinate transformations. Global tracking convergence is illustrated with the use of a feedback linearizing PD tracker, a sliding mode controller, and a model reference adaptive controller. Experimental results are also obtained on a quadrotor platform with unknown system parameters and disturbances, using a boundary layer approximated sliding mode controller, a PIDD controller, and a unit sliding mode controller. Significant tracking quality is attained.     

星光仿真器

在星光制导的空间飞行器中是由星跟踪器来提供精确的空间方位信息。在宇宙空间应用之前必须在实验室中用仿真星来测试和标定星跟踪器的性能,这就需要研制星光仿真器。介绍了星光仿真器的原理及其实施方案,论述了几何特性和能谱特性仿真的理论和实现的途径,简述了主物镜设计中一些有关的问题。