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...     

多视场星敏感器近地轨道自主定位导航方法

传统航天器自主天文导航需要星敏感器、红外地平仪、磁强计等多种敏感器采集导航数据,增加了航天器的成本和复杂度。利用多视场星敏感器的特点,分别对恒星与地球进行成像,在完成姿态测量的同时,得到地心矢量信息,从而进行自主天文导航。首先建立地球几何模型,结合航天器轨道参数与多视场星敏感器的安装布局,实现各个视场内地球边缘的成像模拟,使用Steger 算法提取地球边缘。综合考虑地球扁率的影响,对不同视场中观测到的地球边缘进行拟合得到精确地心矢量,最后进行基于星光角距的直接敏感地平导航仿真。仿真结果表明,在一个视场观测恒星,另外两个视场观测地球边缘的布局情况下,地心矢量精度和导航位置精度分别达到0.017 2（1）和190 m（1）。     

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.     

三视场星敏感器的研究

对三视场星敏感器的软、硬件进行了研究。本设计采用FPGA+DSP的构架模式,完成整个系统的资源调度、时序控制、质心提取,及星点信息融合。本文针对多天体星空观测的需求及其特殊性,阐述三视场卫星姿态确定的数据处理单元及软件设计方案。     

基于飞腾DSP的多视场星敏感器信息处理系统设计

星敏感器是自主导航姿态控制系统中的重要组成部分之一。作为星敏感器的核心部件,信息处理系统对其整机性能有重要影响。基于飞腾多核DSP+复旦微FPGA架构设计了一种全国产化多视场星敏感器信息处理系统。在设计中采用EMIF接口和GPIO接口与复旦微FPGA进行数据交互及控制,将2片串行 Flash用于存储星库数据和启动程序,将2片DDR3芯片用于缓存数据。详细介绍了信息处理系统的整体软件流程设计、算法流程设计及实现。经试验验证,该系统可稳定运行并输出正确姿态。在星图分辨率为2048×2048的情况下,系统无初始指向时的数据更新频率为20Hz,有初始指向时的数据更新频率为625Hz。运算性能约为普通ARM架构的3倍,对于提升多视场星敏感器的实时性、丰富其工程化实现方法具有重要意义。     

基于星敏感器的跟瞄系统在轨标定方法

为分析空间跟瞄机构光轴误差问题,建立了星上跟瞄系统模型,介绍了跟瞄系统不同坐标系间的转换形式,分析了跟瞄机构光轴的误差形式,提出了多星敏光轴标定算法,介绍了标定过程中的坐标转换过程和误差计算方法,通过仿真验证了算法的正确性,并比较了随机误差对光轴标定的影响,同时在引入星敏感器全天识别算法的情况下对双星敏标定算法的正确性进行了验证,对精确度进行了分析。经仿真,双星敏算法标定精确度可达25”以内,比例系数K值小于0.01,在跟瞄相机与星敏同时工作的情况下解决了跟瞄相机的在轨标定问题。     

基于机器学习的大视场星敏感器畸变在轨标定技术

随着遥感卫星在轨任务复杂性的不断提升,对卫星精度的要求也不断提高。星敏感器是星上精度最高态敏感器,因而其在轨标定是提高精度的有效手段。由于大视场星敏感器的镜头畸变复杂,目前广泛采用的基于星对角距的最小二乘法存在一定局限性。因此提出一种基于机器学习的星敏感器在轨标定算法,该方法结合机器学习预测建模思想,通过构造特征建立镜头畸变模型,并结合主成分分析方法进行冗余特征的消除,最后从星角距和模型泛化能力两方面对标定效果进行评价。仿真结果表明:算法对镜头畸变程度较大的星敏感器有良好的校正效果,标定精度始终能保持在0.8内,与目前几种主流算法相比,具有精度高,鲁棒性好等优点。     

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。     

星敏感器地面标定设备的设计

为了实现星敏感器的地面标定试验,设计一套视场大且星间角距模拟精度高的星敏感器地面标定系统,对标定系统的组成、光学系统设计和模拟仿真精度等进行研究。根据星敏感器的地面标定要求介绍系统组成,提出实现星间角距模拟精度优于20的方法;采用新型显示器件LCOS 作为星图显示器,通过像面拼接的方法扩大视场,并据此利用Zemax 软件设计光学系统。在原有测量方法的基础上,给出地面标定设备的精度评价方法。并提出一种能够提高星间角距模拟精度的星点修正方法。实验结果表明:星敏感器地面标定设备的星间角距模拟精度小于20,满足对星敏感器进行地面标定试验的要求。     

基于GA-LM融合的星敏感器参数标定算法

针对传统标定算法精度存在受到初始值影响较大的问题,提出一种基于GA-LM融合的参数标定算法。首先分析了星敏感器系统误差对星点坐标位置的影响,确定各标定参数。接着充分利用了GA算法的全局搜索以及LM算法的局部寻优能力,提出一种融合算法解决了最小二乘算法依赖初值、易陷入局部收敛以及GA算法标定效率低、标定结果差的问题,通过半实物仿真系统实验表明,相比于优化前精度提高了88.099%,相比于传统最小二乘法的精度提高了68.015%,体现出了融合算法较大的优越性。     

基于精密星敏感器的航天器高精度姿态测量标定方法

为提升卫星定姿精度,采用NOIP1SN025KA型CMOS探测器设计了一款完整的观星相机。在辐照环境温度24℃、测试环境温度24℃、测试环境湿度37% RH的环境条件下利用60Co-γ辐射源进行了抗辐照实验。然后,设计了焦距为500 mm、F数为4、视场角为2.4°的光学系统。电子学系统以FPGA作为核心控制器件,控制CMOS输出数字信号,并通过TLK2711将信号传回卫星数传系统。机械结构部分主要由主镜组件、次镜组件、校正镜组件、遮光罩、支腿等部分组成。采用计量筒（殷钢）支撑次镜的设计方案,保证主次镜间隔变化在温度变化工况下满足公差要求。反射镜组件设计有径向和轴向柔性,保证光学表面在力热环境下的面形精度。校正镜组件采用压圈切向压紧镜片的安装方式,对镜片的应力小,对中性好,耐冲击和振动,能够保持良好的结构稳定性。整机通过主镜背板与卫星连接。星载观星相机具备成像和传输星点的阈值和坐标信息两种工作模式。通过外场成像实验可知,该相机成像质量良好、移植性强、可靠性高。视场角范围内,可以拍摄到约10颗星,同时可以观测到9等星,可有效辅助星敏感器工作。     

基于粒子群算法的星敏感器光学误差标定方法

针对星敏感器光学误差两步法标定局部寻优能力强,但标定结果受初值影响大的问题,基于粒子群算法,提出一种改进的星敏感器光学误差参数标定方法。该方法首先利用粒子群算法全局搜索能力强的优点,为光学误差的两步法标定提供一组次优的初值条件,然后将其代入两步法中,得到标定值。仿真结果表明:该方法能够有效解决两步法标定受初值条件影响大的不足,并能够提高标定结果的稳定性。     

基于共有星的快速星图识别方法

提高星图识别的快速性对于提高数字天顶仪的定位效率具有重要意义。传统的数字天顶仪星图识别需要对旋转拍摄的每幅星图上所有星点单独进行识别,致使星图识别效率较低。考虑到星图间存在着共有星,对此提出了一种基于共有星的星图识别方法。首先对定位循环中间位置拍摄的两幅星图单独进行识别,然后通过建立倾斜修正模型消除了实际拍摄状态下CCD平面与水平面之间的小倾角,并在此基础上建立了星点归算模型,以此找出剩余星图与已识别星图间的共有星。实验结果表明：通过星点归算模型找出剩余星图与已识别星图间共有星后,再对新增星进行识别,大大提高了星图识别的效率。     

大视场LCOS拼接星模拟器标定方法

介绍了一种大视场LCOS拼接星模拟器的标定方法,以及标定系统的组成和原理。为了使星模拟器获得更大的视场宽度,提出将两片LCOS拼接使用。对各种拼接误差进行分析,并给出了标定方法。对系统的焦距测量误差及畸变误差和拼接物像的成像关系进行了分析,建立了星间角距数学模型,并通过大量的测量数据,经计算得到最优精度下模型中的各个参数。实验结果表明:经过标定后,星模拟器的星间角距模拟精度得到显著提高,测量误差优于20。     

通过扩展编程模拟星敏感器光学系统成像方法的研究

星图是星敏感器技术研究中不可或缺的重要数据,利用计算机进行星图模拟成为一种获取星图的捷径。提出一种通过扩展编程,模拟星敏感器光学系统成像过程,获取星图的方法,建立星图模拟系统。首先,在分析光学系统成像模拟基本原理的基础上,讨论利用软件接口,通过扩展编程实现模拟成像的必要性。然后,详细介绍成像模拟、增加噪声和伪星、存储和输出星图等步骤的实现方法,以及扩展编程方法的具体运用。最后给出星图模拟系统的设计结果,并针对给定的光学系统,给出实例,验证模拟方法。结果表明模拟方法正确,操作简便,程序设计工作量少,星图模拟系统人机交互性强,功能多样,提供的数据丰富多样,对于促进星敏感器技术研究具有重要意义。     

基于恒星观测的船载雷达精度检验方法

针对传统的船载雷达精度检验方法存在诸如协调量大、不能经常进行的不足,提出了基于恒星观测的船载雷达精度检验方法。该方法以安装于船载雷达天线的星敏感器观测恒星的数据为比对基准。推导了将星敏感器光轴在J2000.0地心惯性坐标系中的指向,转换为以船载雷达三轴中心为原点的地平系中指向的公式。针对被跟踪目标在星敏感器中可见和不可见,给出了两种不同的光电偏差修正方法。外场试验结果表明,利用该方法检验雷达精度得到的结果与利用精轨卫星相比,残差小于0.3c,满足对雷达精度检验的要求。该方法不仅可实现雷达精度检验的经常性,也可提高雷达精度检验的实时性和有效性。     

多星敏感器地面热漂移标定位置误差检测研究

为了减少多个星敏感器地面热漂移标定时受到不同安装平台的位置误差影响,采取一种多星敏感器地面热漂移标定位置误差检测方法,进行了理论分析和实验验证,取得了-25℃～60℃真空状态下系统中基准方棱镜变形的位置偏移量数据,并进行了标定位置误差精度分析。结果表明,多星敏感器位置绕各轴产生的最大偏移量分别为-39.341″/℃,-0.060″/℃,-24.137″/℃,通过建立误差检测模型对位置误差进行计算,将其从姿态测量结果的偏移量中剔除后获得更准确的星敏感器姿态测量四元数,剔除位置误差后的系统精度至少提高了11%。该研究在提高星敏感器热漂移标定精度方面具有很好的应用前景。     

多传感器组合的行人航位推算方法研究

基于iPad的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计设计一种低成本多传感器的室内行人航位推算(PDR)系统。对于低成本传感器,设计了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的初始对准;在行走过程中,针对位置误差发散的问题,采用基于EKF的零速度更新(ZUPT)和磁力计组合的方法,ZUPT修正速度误差,加速度计和磁力计对陀螺仪进行误差修正,同时对航向角误差修正,从而实现了降低位置误差的目的。实验结果表明,对于低成本多传感器,该系统可以较好地满足室内行人定位要求,定位误差占总路程的2%左右;与已有的行人航位推算系统比较,该系统使用低成本的传感器,获得了很高的定位精度。     

星敏感器安装误差的三位置法地面标定方法

针对目前星敏感器安装误差标定过程中存在的标定模型复杂标定测试流程繁琐等问题,提出了一种星敏感器安装误差的三位置法地面标定方法。该方法根据坐标系的欧拉变换,构建了星敏感器安装误差的数学模型;根据误差模型,提出了基于三轴精密转台的安装误差三位置法地面标定策略。采用最小二乘法和三位置法进行仿真对比实验,结果表明,安装误差的三位置法标定结果比最小二乘法标定结果的稳定性提高了近10倍。三位置法还具有标定测试流程简单等优点,对提高星敏感器的使用精度具有重要参考价值。