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。     

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。     

“高分二号”上相机和星敏感器相对安装姿态的测量

为了精确测量"高分二号"(GF-2)卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态,建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成,通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行标定,制定自动测量规划,然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时,可启动CCD相机对被测对象局部区域进行搜索识别,并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证,结果显示:该系统姿态测量精度可以达到5″,与标准值比对最大偏差为4.1″;该测量系统已用于GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中,重复标准差最大为3.5″,满足GF-2对机上设备安装姿态测量精度的需求。     

星敏感器软件测试方法的研究

介绍一种新的星敏感器软件的测试方法,该测试方法能高效地完成第三方测试工作,实现实验室环境下对星敏感器的黑盒测试。通过对外场获得的星图的人工干预,即增加、减少、平移星点来实现不同的测试用例,实现边界测试。该方法能够复现测试过程,准确定位软件问题,已成功应用于三种型号的卫星软件测试中。     

适用于星敏感器的局部星像提取方法

提出了一种局部区域提取星像的算法.该算法采用星跟踪方法提取已知恒星星像坐标,根据这些已知恒星信息在星图中适当范围内提取未知恒星星像坐标并且识别这些未知恒星.对该算法进行了观星测试和在轨验证,实验结果表明:提取星像坐标时只须扫描星图的45%,从而提高了数据更新率;识别未知恒星时由全天球变为整个天球的0.3%,从而提高了识别率.     

测绘相机在轨空间交会角变化的计算

由于测绘相机在轨空间交会角在5″内变化才能保证数据的可靠传输,本文研究了测绘相机交会角变化的计算方法.首先,利用I-deas软件计算了测绘相机在极端高温和低温两种工况下的温度场.然后,将计算得到的温度场作为温度载荷施加给结构模型,实现了由温度网格到结构网格的温度映射,即简单有限元模型到复杂有限元模型温度载荷的映射;计算...     

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.     

星敏感器星象模拟软件的研究

星敏感器是高精度姿态测量部件,广泛应用于各种航天器中,作用对象是空间恒星,成像过程涉及光学系统、CCD探测器及前端信号处理系统,最后输出惯性坐标系或地心坐标系下的姿态角.本文完成了对星敏感器成像过程的模拟,研制了星敏感器星像模拟软件,为星敏感器及其他类似航天器的性能评价提供了有效手段.     

船用星敏感器天体的跟踪辨识

为保证船用星敏感器载体姿态连续测量的高精度和高效率,通过对当前天体自动辨识算法的研究与分析,提出并实现一种基于天体目标连续跟踪处理的天体自动辨识技术。首先,根据星图采集周期、天体视运动速度和舰船姿态变化等因素,分析了船用星敏感器摄取的连续星图间的差别特征;然后,以连续两帧星图的关联信息为依据构建星图特征数组,通过区域搜索、斜率值与灰度值比对等方法建立了天体跟踪辨识模式;最后,介绍了天体跟踪辨识模式中区域搜索半径的解算方法。实验结果表明:天体连续跟踪辨识技术在保证天体辨识精度的前提下,平均单帧星图辨识时间为124ms,仅为传统辨识方法用时的1/8。有效地提高了船用星敏感器天体辨识效率和载体姿态动态测量效率。     

APS星敏感器探测灵敏度研究

从噪声中信号的检测理论着手,推导了恒星信号在有源像元传感器(APS)像面的响应电子数的表示方法,介绍了APS的主要噪声及噪声模型计算,得出了ASP星敏感器的信噪比,并用信噪比阈值推导出APS星敏感器的探测灵敏度模型.通过对典型APS IBIS5的实例计算,得出在常规光学系统设计参数下,当信噪比阈值为8.1,探测概率为99.9%时,探测灵敏度可达到6.5星等.     

测绘相机立方镜与星敏立方镜转换矩阵的标定

传输型立体测绘卫星利用测绘相机进行摄影测量时,需要确定测绘相机在惯性坐标系中的姿态。确定姿态时,首先由星敏感器测量得到星敏测量坐标系在惯性坐标系中的姿态,然后通过星敏测量坐标系与星敏立方镜的转换矩阵、星敏立方镜与测绘相机立方镜的转换矩阵,得到测绘相机测量坐标系在惯性坐标系中的姿态。文中介绍了各坐标系的定义,根据星敏立方镜与测绘相机立方镜坐标系的关系,利用4台经纬仪测量系统分别建立星敏立方镜和测绘相机立方镜的坐标系以及2坐标系间的转换矩阵,介绍了2个立方镜坐标系的标定方法,多次测量结果表明,最大标定误差为1.011 6",优于2"(1σ),满足立体测绘精度的要求。     

高精度星敏感器天文标定方法及观测分析

提出了一种利用天顶观测来进行星敏感器标定的新方法.将地球当作均匀转动的转台,由一较精确的时钟代替刻度盘,用相对地球静止的星敏感器对天顶邻域进行观测.把星点作为目标,让其匀速扫过视场,建立星点坐标和对应恒星像点坐标的数学模型,求出位置传递函数.此方法简单、方便,标定精度高.通过实际星空观测,对连续拍摄的2037幅星图进行标定计算,每幅星图的积分时间为80 ms.实际观测星在α与δ方向上的标定误差分别为7.267 2″和6.922 0″,系统总的标定误差为10.036 2″.利用标定结果对连续拍摄的星图进行识别,得到星敏感器光轴指向误差为4.846 2″,标定结果比较理想.     

空间光学遥感器的辐射传递特性与校正方法

由于受大气背景辐射和自身光电响应特性的影响,对地观测的空间光学遥感器所获取的原始数字图像与景物真实的辐射亮度图像相差甚远 ,为此,通过对光学传感器辐射定标,建立了入射辐射亮度与输出图像灰度间的辐射响应函数,来实现辐射亮度图像的反演和辐射校正。根据光学遥感器辐射传递转换过程,采用泰勒级数和矩阵函数模型描述了"辐射响应函数"的物理概念,并提出了多次回归分析求解矩阵方程获得辐射校正系数的方法。在进一步的实验中,结合积分球扩展辐射源对某型号民用相机进行实验室辐射定标,获得了该相机的辐射响应函数。实验结果表明,该方法可行且实用。最后,对实验获得"辐射响应函数"的物理意义以及辐射定标精度等问题进行了讨论。     

大口径空间遥感相机主反射镜支撑设计

为降低外界载荷对空间遥感相机主镜面形精度的影响,提出采用不同的柔性环节独立约束主镜自由度的设计思想。通过运用CAD工程分析软件进行主镜系统动、静态特性及热特性的仿真分析,并在此基础上对主镜系统中柔性环节的结构参数进行修正,在保证支撑刚度的前提下降低由于重力、装配应力及温度变化对面形的影响,并可承受发射过程中的冲击和振动。     

遥感卫星CCD相机模拟源的研制

针对遥感卫星上存在多种CCD相机组合,相机模拟源在地面电测系统及星上遥测数据链存在3种不同模拟任务的需求,利用大规模可编程器件、高速阵列存取技术、锁相环(PLL)频率调整技术和软硬件可编程图像处理技术,研制了一种适用于不同CCD相机模拟任务的模拟源系统。该系统支持多台设备级联,单台设备能够模拟输出4通道的并行16bit LVDS信号、4路串行LVDS信号和4路串行NECL信号,其单通道并行LVDS数据像素频率为0.3～200 MHz,以0.1MHz步进可调,且单次循环输出容量最大可达8TB。通过简单配置,可产生符合CCSDS协议的遥感相机回放数据,并可对实时输出信号的行频和数据时钟相位进行调整。本系统已成功运用于多个型号空间相机的研制测试中,提高了空间相机的研制效率和设备利用率,改善了研制遥感卫星及CCD相机系统的测试验证手段。     

航空遥感相机扫描反射镜支撑技术

从保证扫描反射镜成像质量及功能的角度出发,介绍了扫描反射镜及其支撑结构材料的选取原则;探讨了扫描反射镜的支撑方式,以及各种支撑方式的适用范围;针对面型精度要求较高的反射镜,提出了柔性支撑结构的设计思想.通过CAD/CAE工程分析软件,在各种情况下,对采用柔性支撑结构前后的反射镜组件进行分析,由有限元模型变形情况的对比分析,可以验证此种柔性支撑结构的有效性.最终通过相机的外场试验,由相机的成像质量确定了反射镜支撑结构的可靠性.     

Video camera calibration for optical densitometry

An efficient technique for calibrating video cameras to record optical density (OD) from microscopic images is described. The method corrects for variation over the field of the brightfield and darkfield intensities, does not assume a linear response of the camera to the incident intensity and requires a single calibration filter.     

借助于星点标定相机的内方位元素

为满足单个或一批次测绘相机的标定,提出了一种利用已知坐标值的星点对测绘相机进行标定的方法。介绍了该方法的原理以及计算步骤,给出了实验过程。该方法建立在小孔成像的基础上,通过各个坐标系的相互转换,建立起星点坐标和像素坐标之间的联系,以此求解相机内方位元素。与基于平行光管和精密转台的精密测角法相比,该方法不需要昂贵的实验设备,且简化了标定步骤。最后,对标定精度进行了分析,讨论了噪声扰动和已知内方位元素误差对标定结果的影响。分析结果表明,采用该标定方法,相机的主点精度优于3μm(1/3pixel),主距精度优于7μm(小于1pix-el),满足标定精度要求。     

高速多通道遥感相机快视系统的实现

针对目前遥感相机输出通道多、数据率高和像素灰阶高等特点,提出并构建了基于现场可编程门阵列(FPGA)并行处理技术的快视系统。该系统主要由存储单元、预处理单元以及高清显示单元等核心部件组成。存储单元采用FPGA直接控制大容量SATA磁盘阵列实现高速海量存储;预处理单元实时对高速海量图像数据进行缩放、平移和数据融合等操作,克服传统快视系统无法高速处理海量图像数据的技术瓶颈;高清显示单元驱动3台12位显示器进行高灰阶、大幅面无缝拼接显示,弥补以往对高灰阶遥感图像只能截断显示的缺陷。实验结果表明：该系统存储容量达96 TB,可对总速率高达19.7 Gb/s 的12通道12位量化遥感图像数据进行实时记录与无失真显示。系统工作稳定可靠,易于扩展,已成功运用于遥感相机的研制测试中,大大提高了遥感相机的研制效率。