基于矩阵星图识别算法的卫星三轴姿态确定方法研究

针对基于星敏感器的三轴稳定卫星姿态确定系统,总结比较了目前用于姿态确定的常用姿态敏感器的性能,引出了星敏感器的核心-星图识别算法,进而分析比较了当前星敏感器星图识别相关的几种算法的优缺点,重点研究了栅格算法;并在此基础上,提出用矩阵星图识别算法,建立了基于矩阵星图识别算法进行卫星三轴姿态确定的数学模型,从而简便、快捷地求出卫星任意时刻的三轴姿态参数;最后利用Matlab分别实现了用栅格算法和矩阵法进行星图识别的仿真,验证了矩阵识别算法的优点,对于研究卫星姿态确定和提高星图识别算法的效率和精度有一定的参考价值.     

基于多视场星敏感器的三角形星图识别方法

为解决现有基于单星敏感器的星图识别中由于成像视角小,星图恒星数量不足而造成的星图识别率偏低的问题,提高星图识别的准确度和精确度,提出了一种基于多视场星敏感器的改进三角形星图识别方法;该方法通过将相同位置相同时间不同姿态角获得的多幅星图基于星图自身径向特征拼接成一幅多视角、不失真的星图,利用拼接后的星图进行星图识别,同时采用分块方式存储星对角距以及利用哈希查找提高星图识别效率;实验随机识别500幅星图,仿真结果表明,与传统的单视场星图匹配算法相比,该方法具有更高的星图识别率和匹配精度,当星图恒星数量达到30以上时,平均识别率能基本达到97%,且识别速度提高了11倍左右。     

基于ITSI优选算法的星敏感器导航星库建立

为了有效提高星敏感器星图识别性能,基于ITSI导航星优选算法,合理地进行了导航星库的构建。该优选算法是在传统的导航星优选算法基础上进行的改进,通过区域分割和星密集度计算来实现优选导航星。同时,基于SAO星表,本文建立了一个星图仿真器的软件平台,可以按照实际需求输出全天球范围内不同光轴指向、视场角、轨道位置、像元敏感度等约束条件下的观测星图。在此星图的基础上,运用上述导航星优选算法,建立导航星星库。经均匀性评价准则验证,本文提出的导航星优选算法可以更好地实现导航星的均匀分布,降低星冗余度。最终基于此算法建立导航星库,可以有效降低星图匹配复杂性,提高星图匹配速率和识别成功率。     

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。     

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%。     

改进的RL模糊星图复原算法

研究了复杂工作环境对星敏感器成像的影响,总结了模糊图像退化与复原模型,并对经典RL模糊图像复原算法进行了分析.针对RL复原算法存在振铃效应的不足,提出了一种基于超拉普拉斯约束因子的RL复原算法.仿真结果表明:改进后的RL复原算法减弱了复原星图中的振铃效应,提高了复原星图的质量,为在复杂环境影响下星敏感器实现高精度星提取性能奠定了基础.     

地面星模拟器设计与实现

为了满足在地面对星敏感器进行误差标定及功能测试时的实时性要求,及避免因导航星漏选现象引起的检测误差,提出了一种改进的全天球分区动态星图仿真算法。它可以实现飞行器任意时刻发射、任意姿态下的在轨星图仿真。算法中充分考虑了天球上赤经弧长随纬度增加而逐渐缩短的情况,对传统的赤经赤纬划分天球的方法进行了改进,提出了一种新的天区划分,采用新的分区检索方法搜索导航星,既避免了导航星的漏选也提高了星图更新频率。分析了星点光斑的数学模型,使得星图仿真更加真实。对星图因动态产生的扫尾现象进行了仿真,可以很好地仿真飞行器在轨高动态情况下星敏感器的实际工作情况。     

高精度星敏感器的导航星识别定位算法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理,分析了恒星能量在星图的分布特点,结合星图的特点提出了星敏感器导航星点识别定位方法,按照处理顺序,介绍了导航星阈值确定,连通性分析和内插细分等其中各步骤算法,并用星敏感器通过导航星角距标定新方法对该方法进行了定位精度检测,取得了较为满意的结果。     

星敏感器系统偏差的标定

星敏感器是常用姿态敏感器中测量精度最高的姿态敏感器，但是星敏感器的系统偏差会影响姿态估计精度，因此星敏感器系统偏差的标定成为高精度姿态确定系统必须解决的关键技术。本文结合扫描式有效载荷的成像特点，推导了利用其成像图像中的地标点信息标定星敏感器系统偏差的方法，并且进行数学仿真验证了标定的可行性和有效性。     

基于LVDS的电子星模拟器设计

为了实现卫星姿轨控地面半物理仿真试验,设计了基于LVDS的电子星模拟器,图像分辨率支持1 024*1 024;图像位宽支持12 bit;能够同时完成帧频10 Hz的图像上传及采集;将星敏感器作为高精度姿态测量部件引入控制系统,地面动力学通过以太网将四元数提供给电子星模拟器,电子星模拟器将生成的电子星图通过LVDS传输给星敏感器,通过地面实时系统将控制系统、星务计算机、敏感器系统组成了实时仿真验证系统;试验表明电子星模的输出接近目标值,闭环测试中星敏采集到准确的星图;通过实物在闭环回路仿真验证了上述方案的有效性,并通过指标对比分析,显示了电子星模拟器的可行性,在卫星姿轨控地面半物理仿真试验中具有良好的推广性。     

基于主星对的星图识别算法

星图识别是星敏感器确定卫星姿态的关键技术。在传统三角形识别算法的基础上，将星图中最亮的两颗星作为主星对，其它星作为辅助导航星，引入星对相对星等差信息，通过对主星对的识别提高识别速度，采用以主星对为公共边的多三角形模式匹配提高识别精度。并提出了一种将星对表拟合成曲线函数实现快速角距匹配的方法。微机模拟实验结果表明该算法的识别率和识别速度均优于传统的三角形法。     

基于TMS320C6701的星敏感器电路系统的设计

介绍了TMS320C6701芯片的主要功能特点及内部结构,建立了以DSP为核心的星敏感器信息处理电路系统,并在此系统中成功实现了快速的全天球星图识别。实验结果表明,在不降低星图识别率的条件下,该算法在本系统中的运行速度为0.47s,比基于RISC的星敏感器数据处理单元的速度提高近一倍。     

一种利用已识别信息的星图识别算法

星图识别是星敏感器研究中的关键技术之一。现有的算法都是对每一个观测星在未知任何信息的情况下进行识别,而没有利用已经识别的观测星信息。如果利用已经识别的观测星信息,则可以大量减小其余星识别的计算量。研究利用已识别的观测星信息进行其余星的识别。给出了导航星库的建立方法和数据结构,以及已知3颗以上观测星时其余星的识别过程。提出的识别算法的导航星库只需要星对角距信息,存储量小,经对模拟星图的识别,其余星的平均识别时间为3.34m s,小于现有的识别算法。     

基于TMS320C6701的星敏感器电路系统的设计

介绍了TMS320C6701芯片的主要功能特点及内部结构,建立了以DSP为核心的星敏感器信息处理电路系统,并在此系统中成功实现了快速的全天球星图识别.实验结果表明,在不降低星图识别率的条件下,该算法在本系统中的运行速度为0.47s.比基于RISC的星敏感器数据处理单元的速度提高近一倍.     

一种星敏感器安装误差标定模型仿真研究

安装误差对星敏感器姿态确定精度有严重影响,需对其进行有效的标定与补偿。为此提出了一种以星敏感器量测信息为依据的安装误差快速标定模型和方法。该方法通过分析星敏感器输出的姿态信息与安装误差之间耦合关系,建立四位置下星敏感器测量信息及相对位置关系与安装误差的观测模型,在此基础上推导了安装误差标定及补偿算法。仿真表明,该法能够实现对星敏感器安装误差的高精度标定,可有效提高星光天文定姿的精度,对星敏感器的高精度应用具有重要的理论意义和实际参考价值。     

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.     

LIS模式下基于双主星集合匹配的星图识别方法

为提高折射星图中非折射星的识别成功率,提出了一种大视场星敏感器高鲁棒性星图识别方法。首先,筛选基础星表,实现导航星库均匀化,采用分组快速搜索算法,提高星对角距特征匹配速度。其次,提出一种基于双主星集合的星点匹配算法,通过匹配、验证、确认三个阶段,多次检验星点集合中的导航星序号,提高星图识别算法的鲁棒性。仿真结果表明,在星点位置噪声、星等噪声、伪星和缺失星等干扰环境下,所提算法与传统的三角形-金字塔混合算法相比,抗干扰能力更强。在含有6颗折射星的干扰条件下,所提算法的非折射星识别成功率仍高于95.6%,较传统算法识别率提升31%。     

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。     

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。     

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。