基于预测跟踪星表提高星敏感器实时性的方法

为提高星敏感器在星跟踪失败时向全天识别模式转换的效率,提出了一种在星跟踪的同时,并行预测跟踪导航子星表的方法,以随时做好工作模式切换的准备,提高星敏感器实时性。设计了分层存储、逐层索引结构的导航星表,实现了均匀化筛选导航星、构建导航子星表及对数据快速搜索和处理;由飞行态数据预测下一时刻星敏感态,并通过星敏感器视轴指向与子星表地址之间的索引关系,预测跟踪子星表的地址;星跟踪失败时,全天识别在4个冗余子星表中完成,简化识别过程,提高了识别效率。实验结果表明,设计的导航星表较为科学、合理,预测跟踪星表方法具有较强的鲁棒性,在高动态条件下有效提高了星敏感器模式切换的实时性。     

星敏感器动态精度评价方法

针对现有精度评价方法无法有效计算星敏感器在大动态条件下精度的问题,基于星敏感器成像模型与星对角距的不变性,提出了一种星敏感器动态精度评价方法。阐明了该方法的原理,提出了计算流程和统计方法。基于风云卫星在轨数据,对比了该方法与常用的滑动窗口法的处理结果,分析了两种方法在小角速率条件下处理的等价性,验证了该方法的可行性。基于地面观星数据,分析了两型星敏感器在不同动态条件下的测量精度。与现有的动态精度评价方法相比,该方法可有效地剥离动态过程中测试系统引入的误差,更真实地反映动态条件下星敏感器的实际测量精度。     

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。     

基于星像位置误差估计星敏感器姿态角偏差的方法

利用传统的反正切法估算星敏感器测量姿态角偏差时,存在因计算量大干扰算法实时性等问题。针对上述问题,文中提出了根据星像位置误差直接估算星敏感器姿态角偏差的方法。通过分析星敏感器姿态测量原理,推导出星敏感器姿态角变化量对星像位置影响的数学关系式,进而在小视场条件下,得到星像位置误差与星敏感器姿态角测量偏差的公式。该公式计算过程简单,避免了大量的反正切计算。仿真结果表明,在相同的仿真实验条件下,该方法的计算时间比传统方法缩短了近四分之一,且该方法的计算精度也优于传统的反正切法。理论推导和仿真实验说明该方法具有计算量小、实时性好且精度较高的优点,具有一定的工程应用价值。     

基于星敏感器和陀螺的卫星定姿新方法

针对本体坐标系下对卫星姿态进行线性滤波存在误差累积和噪声分布改变无法正确选择滤波模型的问题,利用惯性坐标系下的星敏感器和陀螺原始测量构建系统扩维测量,将卫星姿态确定问题建模为非线性滤波过程。针对常用的非线性滤波方法无法同时兼顾精度和实时性的问题,采用无迹滤波(UKF)对卫星的姿态参数和陀螺常值漂移同时进行估计,实现了对卫星精确定姿。进一步考虑实际情况中,敏感器测量误差未知或随时间变化的情况,提出了交互式多模型无迹滤波(IMMUKF)方法。仿真实验结果表明了该算法的有效性和优越性,具有较高的实际应用价值。     

基于最优背景估计的星敏感器抗杂散光星点提取方法

研究了杂散光干扰下星敏感器星点提取问题。在杂散光干扰下,星点提取的效果会变差,这会使解算的姿态不准确和不可靠。为了抵抗杂散光干扰,提出了一种基于最优背景估计的抗杂散光星点提取方法。首先,分析了杂散光在星敏感器中的成像特点,构建了杂散光的具有闭合解的曲面模型;然后,设计了基于最优曲面的杂散光背景估计方法和星点提取方法;最后,采用仿真的杂散光图像和星敏感器采集的杂散光图像验证了算法的性能。实验结果表明:该方法得到的星点检测率、误检率和质心定位精度均优于现有基于背景和形态学的方法,该方法对杂散光有较好的抑制能力。     

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。     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

实现弱星提取及质心定位的帧间窗口移位灰度叠加法

星敏感器在动态跟踪模式下,移位星像的信噪比衰减,弱星难以提取,当探测星数降为2颗时,定姿误差加大。鉴于对齐灰度叠加不能显著提高动态星像的信噪比,故提出一种帧间窗口移位灰度叠加法。通过对备选弱星窗口灰度数据进行流水缓存并移位叠加,增强弱星灰度及信噪比,使其满足探测阈值条件,确保星敏感器视场中始终保持不少于3颗星。仿真结果表明:4帧灰度叠加后弱星信噪比较单帧星图提高了1倍多,增加一颗观测星后定姿精度更高。     

基于最大后验估计的动态星图目标提取方法

深空探测时,由于星敏感器受到多种复合运动影响,使拍摄星图存在严重运动模糊,信噪比低。采用Sureshrink小波方法去噪,能够有效保留星图的边缘信息和灰度信息;根据星图梯度符合拉普拉斯分布的先验信息,提出一种基于最大后验概率估计方法的星图去模糊模型,并对动态模糊星图进行去模糊处理。仿真结果表明,高动态时,经过所提出的去模糊方法处理后的星图不会出现维纳滤波方法中的振铃影响,处理速度和提取质心精度优于Richardson-Lucy滤波,质心精度优于0.1个像素,满足动态星敏感器的处理精度和速度要求。     

地磁背景下基于传感器阵列的磁偶极子目标跟踪方法

针对地磁背景下磁偶极子目标跟踪过程中存在的地磁干扰与模型非线性的问题,该文提出一种基于差量磁异常的蒙特卡洛卡尔曼滤波(MCKF)跟踪方法。新的跟踪方法以传感器阵列测量磁场的差量作为观测信号,并利用蒙特卡洛卡尔曼滤波算法解决模型的非线性问题,实现磁偶极子目标的实时跟踪。通过仿真跟踪实验,结果表明该文算法较传统的扩展或无迹卡尔曼滤波算法在稳定跟踪过程中对目标特征参数的估计更精确;通过地磁背景跟踪实验,结果验证了该文算法较传统算法在低信噪比下的性能优势。     

鲁棒的四元数空间平滑算法

本文针对相干信号波达方向(DOA)估计问题,利用简化电磁矢量传感器阵列提出了一种基于四元数模型的空间平滑(Q-SS)算法。首先,根据四元数的正交特性能够很好地描述矢量传感器阵元内部信号分量之间的垂直关系这一特点,将每个阵元的两分量接收数据合成为一个四元数,建立了简化电磁矢量传感器阵列的四元数接收模型,该模型比传统的长矢量模型更适合于矢量传感器阵列的信号处理。在此基础上,利用本文提出的Q-SS算法对相干信号进行预处理,实现了解相干,并对解相干性能进行了分析,然后通过四元数域的ESPRIT算法估计出相干信号的DOA。理论分析表明Q-SS算法比传统的长矢量空间平滑(V-SS)方法有更高的DOA估计精度,具有对矢量传感器内部电场噪声分量解相关的能力,这是V-SS算法所不具备的优势。最后,通过计算机仿真实验比较和分析了所提算法的有效性。      

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.     

星图分布对星敏感器最小二乘姿态精度的影响

星敏感器的姿态确定是其导航最基本、最关键的环节。为了分析星图分布对最小二乘姿态测量精度的影响,描述了星敏感器的姿态角定义,研究了最小二乘法求解星敏感器姿态的过程,并从数学角度推导了存在一定观测误差的情况下,最小二乘方法产生较差姿态测量精度的部分主要原因,即系数矩阵的条件数变化。最后以星图模拟的方式在不同条件下模拟了三组典型的星图分布,对其进行姿态测量和结果统计。统计结果表明:姿态测量精度除了受条件数描述的导航星间相对位置的影响外,还与导航星组在星图中的不同位置以及不同的星敏感器参数模型有关。     

星敏感器高动态下自主星跟踪算法

当飞行器大角速度机动时,采用传统的星跟踪算法来提取星像坐标时,必须选取较大的扫描星图区域,从而增加了区域内包含其它星像部分像元或全部像元的可能,需要多次采用星对角距比较来选取正确的星像坐标,因此,在选取正确的星像坐标时增加了误匹配的可能。为此,文中提出一种星敏感器高动态下自主星跟踪算法,首先根据前邻时刻的瞬时姿态来预测下一时刻的输出姿态,再利用预测姿态预测当前时刻恒星在下一时刻的星像坐标,最后扫描在以预测的星像坐标为中心的星图范围内提取实际的恒星星像坐标。这样克服了采用传统星跟踪算法带来的数据更新率低、可能误匹配高甚至不能提取正确地星像坐标的缺点。最后,采用该方法进行了仿真验证以及外场观星试验。     

用于非线性机动目标跟踪的新型IMM算法

针对在非线性机动目标跟踪中存在的滤波器易发散、机动检测有延迟等问题,把Unscented Kalman Filter(UKF)引进到交互多模型算法(IMM)中,设计了交互多模型UKF滤波器。并利用目标运动模型集概率的相对变化率设计了自适应交互多模型UKF滤波器,最后进行了计算机仿真。蒙特卡罗仿真结果表明,两种滤波算法都具备UKF滤波器精度高、稳定性好、不易发散的优点,同时不需了解目标机动的先验信息,适合于实际应用;并且自适应交互多模型UKF滤波器具有更好的跟踪效果。     

高动态星跟踪方法

阐述了高动态星敏感器星图的特点,指出了目前星跟踪方法的不足。针对这些不足,提出了一种基于卡尔曼预测的高动态星跟踪方法。根据高动态星敏感器运动特性,建立了星体目标在图像坐标系下运动模型,根据星体运动模型,对卡尔曼滤波器进行了自适应修正。利用经自适应修正的卡尔曼滤波器预测出参考星位置,再利用临星逼近法进行跟踪匹配。最后给出了利用上述方法进行星体位置预测及星跟踪结果。实验结果表明,在5（）/s动态条件下星体位置预测偏差小于5像素,星跟踪成功率高于95%,并且载体动态特性的变化对星体跟踪成功率影响较小。     

自适应平方根球型无迹卡尔曼滤波算法

针对传统无迹卡尔曼滤波器存在跟踪精度低、数值稳定性差、鲁棒性弱等缺点, 提出了一种基于球型无迹变换的自适应平方根UKF滤波算法（Adaptive Square Root UKF Filtering Algorithm Based on Spherical Unscented Transform, ASRS-UKF）。该算法在标准的平方根UKF算法上,首先改用了球型无迹变换对权系数以及sigma点进行计算选取;其次改进了平方根UKF中平方根矩阵的分解方法;同时在预测误差协方差矩阵中引入了自适应衰减因子。最后,通过将该算法同平方根UKF以及强跟踪UKF算法进行仿真对比,结果表明,ASRS-UKF算法在减少计算量、加快计算速度的同时还提高了滤波精度和稳定性,而且对于系统模型匹配不佳的情况下,仍具有良好的跟踪性能。     

CMOS图像传感器辐射损伤导致星敏感器性能退化机理

为了分析恶劣空间辐射环境导致星敏感器性能退化、姿态测量精度降低的原因,深入研究了辐射环境下互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）图像传感器辐射损伤对星敏感器性能退化的影响。该方法通过建立空间辐射和CMOS图像传感器辐射损伤敏感参数、星敏感器性能参数之间的相关性,揭示了CMOS 图像传感器器件参数退化到星敏感器系统参数退化的传递机制。60Co-γ辐照试验表明:辐照后,系统信噪比的降低导致星敏感器星等探测灵敏度的降低,信噪比是联系CMOS图像传感器和星敏感器系统之间的桥梁。质子辐照试验表明:当辐照注量大于3.68×1010 p/cm2时,已无法正确提取星点质心。该研究结果为星敏感器在轨姿态测量误差预测和修正技术的研究奠定了一定的基础,更可以为高精度星敏感器的设计提供一定的理论依据。     

高精度星敏感器测试设备的设计

针对现有动态星模拟器在高精度星敏感器测试中无法满足星点位置和照度均匀性的高精度模拟等实际问题,设计了一种高精度动态星模拟器。分析了星模拟器光学系统与调整机构的任务需求。为保证星点的投射精度,提出了LCOS 的光学拼接方法,优化设计了大视场、大相对孔径的准直光学系统并进行了像质评价;为满足显示器件照明条件和星点照度均匀性的要求,对照明光学系统进行了仿真设计并给出了照度分布;为减小对接误差提高对模拟器的测试精度,确定了高分辨力五维调整架的机械结构,应用CATIA 软件对调整机构的设计进行了三维建模,理论计算结果显示调整机构位移分辨力为18 nm,角度分辨力为0.05。通过实际检测,微调整机构稳定性好,出射星点照度不均匀性优于10%,模拟星点的单星位置误差小于7,星间角距误差优于12,满足当前对高精度星敏感器测试的技术指标要求。