一种折射星图的模拟方法

星光折射法是一种很有发展前途的导航方法。由于航天实验费用巨大,往往不可能进行实时的星空拍摄。为解决这个问题,文中提出了一种折射星的模拟方法,该方法结合大气折射模型和星光折射几何方程来计算星光折射角,进而得到折射星的赤经和赤纬。再利用星图模拟方法就可以模拟折射星在星敏感器像平面的位置,而且能够根据实际情况考虑星敏感器噪声、环境噪声的影响,仿真结果验证了本方法的正确行和实用性。     

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）。     

一种机载天文导航星图模拟的实现方法

星图模拟是研究机载天文导航的关键技术之一.通过分析近些年国内外天文导航技术研究方面的资料,结合机载条件下的实际运行环境、天文导航基本原理和成像的主要影响因素,改进了CCD星敏感器的光轴指向、视场范围和观测星的确定方法,对星体成像位置和灰度的确定方法及背景光和曝光时间对成像效果的影响进行了优化,并建立了相应的模型.最后运用Matlab编程生成了所需星图,为进一步研究机载天文导航技术打下了基础.     

基于星敏感器的天文/惯导组合导航仿真研究

本文通过仿真实验,研究了基于星敏感器的天文／惯导组合导航系统的导航性能和特点。首先分析了天文导航的基本原理,并给出了天文／惯导组合导航算法的理论模型。在此基础上,建立了天文导航和捷联惯性导航的仿真模型,实现了天文／惯导组合导航系统仿真。仿真结果表明：基于星敏感器的天文／惯导组合导航能够有效抑制惯导的长时漂移累积误差,有利于实现机载远程长航时的高精度导航。     

一种改进的星光大气折射观测模型

建立精确的观测模型是星光折射间接敏感地平导航法应用的基础和关键.由于大气参数变化的不确定性,国内外现用的星光折射观测模型有一定局限性,使得利用星光折射导航的定位精度大打折扣.根据大气密度随高度、纬度、季节等的变化规律,以及对大气折射原理、平流层大气数据、大气模型的深入研究,建立了连续高度的大气密度模型;在此基础上,改进了现有固定高度单一密度的观测模型,建立了一种自适应连续高度(20～50 km)的星光折射观测模型,从整体上提高了自主导航精度及可靠性.同时分析各种摄动对系统状态模型的影响,建立带摄动的系统方程,利用Unscented卡尔曼滤波算法进行计算机仿真研究,并对仿真结果进行误差分析.     

机动天基平台惯性/天文导航组合模式研究

为了有效提高惯性/天文组合定姿效果,研究了在机动天基平台条件下惯性/天文导航的7种组合模式在姿态控制方面的应用,进行了理论分析,并对不同的组合模式的定姿结果进行了仿真实验。通过仿真分析了惯性/天文各种组合模式的优缺点,提出了不同组合模式的适用场合,当星敏感器识别恒星为两颗时,采用基于光轴指向的组合模式的效果好于使用星光单位矢量的组合模式;当星敏感器识别恒星超过两颗时,采用基于姿态矩阵的惯性/天文组合模式效果最好,能够更充分地利用星光信息、计算精度高、计算实时性好。     

气动光学传输效应对星图影响的仿真研究

以星光导航在高超飞行器中的应用研究为背景,介绍了高超飞行器周围流场数值模拟方法;将湍流流场分为平均流场和脉动流场两部分,假定星敏感器开窗位置在机身圆筒部位,将恒星视作"点目标",应用几何光学法、物理光学法和统计光学法计算星光在飞行器周围流场中的气动光学传输效应;定性地描述了像模糊、像偏移和像抖动对星图的影响,通过仿真比较了不同波长、不同入射角下湍流流场对星敏感器成像的影响。     

基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模与仿真

在采用天文光学自主导航方式进行深空探测时,导航星的视星等高,为获取清晰的星图,星敏感器焦距长、曝光时间长,同时受探测器多种运动复合的影响,星图易产生模糊拖尾现象,很难用基于硬件的常规方法有效复原。研究复合运动模糊星图的建模方法,可揭示星敏感器与导航星的真实相对运动对星图像质的影响规律,从而用软件算法复原高像质星图,提高星敏感器的动态性能。由于缺乏确定的参数模型,复合运动模糊星图建模难度较大。提出了一种基于可分离模糊核的复合运动模糊星图建模的新方法,研究星敏感器角运动和角振动对成像的影响,并与常用的分步模糊方法比较。仿真表明:基于可分离模糊核方法的仿真星图更符合星敏感器实际运动对星图退化的影响;星敏感器的复合运动特别是旋转运动对质心提取效果具有显著影响,严重时会导致星敏感器无法定姿。     

基于APS星敏感器与光纤陀螺的星光制导

研究了APS星敏感器基于星光折射模型的自主测量轨道和全天球自主星图识别的测量姿态方法,阐述了光纤陀螺的测量模型.详细介绍了基于APS星敏感器与光纤陀螺的组合制导系统的原理,并给出了星光一惯性组合制导系统的轨道、姿态确定算法.依据APS星敏感器和光纤陀螺的技术指标,对算法进行了仿真,结果表明,该星光一惯性组合制导系统可以有效修正弹道导弹的初始定位误差及初始对准误差.     

星敏感器误差模型及参数分析

为分析星敏感器内部各误差因素对其测量精度的影响,建立了星敏感器的理想模型和实际模型;基于几何成像理论,分析了焦距误差、主点偏移、光学镜头畸变、焦平面倾斜以及焦平面绕视轴方向的旋转等误差因素对星光成像矢量测量精度、视场内星间角距测量精度的影响,设计了测量精度评价指标,并通过仿真实验进行了定量分析,论证了不同参数误差、不同观星方位与测量精度的关系,焦距误差、主点偏移和镜头畸变是影响测量精度的主要因素,在使用时必须加以校正。     

拍星残差数据相关性分析的大气折光差修正

靶场通常采用夜间静态拍星的方式检测光电经纬仪的静态测角总误差。受大气折射率变化的影响,俯仰方向测角数据通常采用大气折光差经验公式进行修正。不同地区和时间的大气环境差异使得该经验公式存在较大误差,导致拍星解算得到的俯仰方向测角误差偏大,且影响俯仰方向测角误差因素的进一步分离。为此,提出了一种基于多台光电经纬仪同步拍星数据相关性分析的大气折光差修正方法。基于经纬仪拍星方位角和俯仰角测量残差模型推导得到了大气折光差修正误差模型。根据该误差模型,利用分布在同一区域不同点位的多台光电经纬仪拍星俯仰角残差数据,采用最小二乘法拟合得到大气折光差的修正系数并修正俯仰角测量残差数据。实测数据表明：采用该方法对俯仰角测量残差进行大气折光差修正后,光电经纬仪俯仰角测角总误差显著降低,且由垂直轴倾斜误差修正错误引起的方位角和俯仰角残差特性得以显现。文中提出的方法无需使用探空气球等获取大气参数,即可对同一地域分布的多台光电经纬仪拍星俯仰角残差数据进行修正,修正后的数据可用于进一步分离其他误差因素,具有较强的工程应用价值。     

基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法

提出了一种基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法。该方法利用转台的3个旋转自由度,无需重新安装即可对任意轴向的视场进行标定数据采集。通过对于测量模型、结构参数模型及外参数模型的建模及优化整合得到实验室标定模型。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法求解各视场的测量模型参数和各视场间的结构模型参数。该方法无需通过外场观星数据确定结构模型参数,大大节省了标定数据采集的工作量,也避免了大气对恒星矢量的影响引入的参数估计误差。通过一台数字三视场星敏感器的仿真试验和一台双视场星敏感器样机的实际试验验证了该方法的有效性。与基于外场观测的传统方法相比,视场内星间平均角距误差减小了20.32%,视场间星间角距平均误差减小了59.34%。     

大气折射对雷达低仰角跟踪误差的影响分析

该文基于雷达测角原理和确定性电波传播模型,采用等效地球半径法考虑大气折射效应,建立仰角误差预测方法;计算不同大气折射环境下的仰角误差。研究结果证明:大气折射与多路径的综合效应中,折射环境的变化会对仰角误差造成很大影响,表明大气折射是低仰角跟踪时需要考虑的重要因素。     

全天时星敏感器的建模分析与实验验证

全天时星敏感器技术可以将星敏感器的应用推广到临近空间飞行器如平流层飞艇和高空气球等平台,是星敏感器未来发展的一个重要方向。由于白天受到强烈的大气背景辐射的影响,可见光波段星敏感器的探测能力显著受限。大气背景辐射在短波红外处的强度迅速降低,因此利用短波红外成像系统在0.9~1.7m波段下进行恒星探测成为研究全天时星敏感器技术的一种有效可行的方案。为了系统地分析并验证短波红外全天时星敏感器的可行性,文中在分析全天时星敏感器探测模型的基础上,重点讨论了短波红外探测器噪声对星敏感器探测能力的影响并基于探测模型确定了20 km高度处全天时星敏感器的光学参数。基于短波红外探测器研制了全天时星敏感器原理样机,结合地面处的观星实验,测试了原理样机的探测性能并验证了全天时星敏感器探测模型的正确性。     

俯仰角大气折射误差修正方法

针对光学测量系统测量得到的空中目标俯仰角数据,包含了大气折射带来的误差问题,建立了俯仰角修正误差模型,并详细介绍了修正模型具体计算实施过程,提出了采用三弯矩方程计算任意高度大气折射系数和高斯积分计算俯仰角折射修正值．经俯仰角折射效果分析和实践证明该方法精确、有效,满足高精度数据处理的要求．     

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。     

Variation of radio refraction in the lower atmosphere

Measurements of the variation of the incident angle were made on several line-of-sight paths, together with the simultaneous observation of the refractive index gradient of the atmosphere. Statistics of incident angle variation andM-gradient and their relations were analyzed. Radio refraction is dependent on the atmospheric layer thickness in which radio waves are propagated. Considering the controlling layer thickness, a method of predicting refraction variation is presented for arbitrary radio paths and meteorological conditions. The measurements of the incident angle were found to agree well with the estimated refraction.     

射线跟踪技术用于分析波导环境下电波异常折射误差

海洋大气环境中电磁波传播受大气波导影响常呈现出复杂的折射特征,本文通过构建基于射线跟踪技术的电波传播轨迹微分计算方法,研究了电波受蒸发波导和表面波导环境影响所形成的电波折射误差(仰角和高度误差)的异常特性,并对雷达试验的实际测量数据的误差进行了分析验证。     

基于大气折射效应的星地背景光误码率分析

研究了大气折射效应对星地量子密钥分发(QKD)系统的背景光误码率的影响,研究过程中考虑了白天晴天、满月夜晚和无月夜晚三种不同的背景光条件。建立了分层结构的星地QKD信道传输模型,模拟大气折射效应对信号传输距离的影响;基于此模型仿真分析了考虑和忽略大气折射效应时只考虑背景光的误码率随天顶角的变化趋势。结果表明:忽略大气折射效应将对背景光误码率产生较大的影响,此外在无月夜晚背景光条件下可以获得相对最低的误码率。