适用于星敏感器的导航星表构造算法研究

导航星表的性能对于星敏感器姿态测量的实时性及精度至关重要。为了克服星等过滤算法的缺点,将支持向量机应用于导航星表的构造算法中。将基本星表中的恒星视为待分类的数据点,选取抽样视场中最亮的k颗星作为导航星,而非导航星的数量由抽样视场中恒星的密度决定。为了获得具有最大推广能力的抽样数据,采用了一种球面螺旋形算法生成抽样视场视轴指向,使用抽样数据构建最优导航星分类器,应用最优导航星分类器对基本星表中每一颗恒星进行分类判决。仿真结果表明,在满足8°×8°视场中至少出现3颗导航星的条件下,该算法生成的导航星表导航星总数约为星等过滤算法的33%,比传统支持向量机算法减少了7.8%,其标准差仅为星等过滤算法的21%,这表明本算法在导航星表容量及导航星分布均匀性方面大大优于星等过滤算法和传统支持向量机算法。     

改进金字塔算法用于小视场星图识别

为实现小视场星图的全天自主识别,规避星矢量内积在小角距范围内区分度欠佳的问题,提出以星矢量外积作为匹配特征量对金字塔算法进行改进。分析了匹配特征量改进策略,并对改进金字塔算法涉及的基本星表预处理、匹配特征量数据库及K矢量构建、星图降噪与质心提取、星图识别流程等问题进行讨论。采用Visual C++编程实现该算法,通过仿真对其进行性能测试,并应用于小视场星敏感器。结果表明,对于小视场星图,改进金字塔算法识别成功率达96.7%,需载入内存的数据文件约26.4 MByte,识别时间平均约131.8 ms,能够满足全天自主星图识别算法的准确率高、占用资源适度、识别速度快、稳健性强等要求。     

基于圆形视场分割的鱼眼相机星图识别方法

海上星光导航是航海中一种重要的自主导航技术, 星图识别是其关键步骤。针对船载鱼眼相机星光导航系统超大视场带来的单幅图像数据量大、识别冗余、识别效率低等问题, 提出了一种基于圆形视场分割的鱼眼相机星图识别方法。对于拍摄到的星图, 利用同心圆将视场分割成若干个面积相等的环形和圆形区域; 在构造导航星特征库的过程中, 以星角距为特征构造散列函数, 将导航特征库分段存储成若干个子库; 在识别过程中, 利用基于中心星的多三角形识别算法, 从视场中心圆形区域开始依次向视场边缘环形区域进行识别。海上观测实验结果表明:该方法能够平均以2.5 s的识别时间达到90%以上的识别成功率, 且具有良好的实时性。     

LAMOST天体光谱巡天

文章着重介绍了中国自主创新的LAMOST望远镜以及所取得的光谱巡天成果。LAMOST是一种新型的反射施密特望远镜,它突破了大规模光谱巡天所需要的大视场兼备大口径望远镜的技术瓶颈,成为世界上天体光谱获取率最高的望远镜。自2011年10月到2014年6月,LAMOST获得了413万条天体光谱,其中有378万条恒星光谱和包括220万条恒星光谱的参数星表。     

基于几何覆盖的导航星视场构造算法

由导航星表构造导航星匹配模式是星图匹配、识别的最关键步骤。为了从根本上能保证星图识别模式的完备性,提出了构造导航星视场的方法。从导航星表中任一颗星开始,依次找到两两角距小于FOV的星,构成1颗星、2颗星…m颗星的全部子集(子集P)。以子集P中心的视轴为基准,取两倍于视场的导航星子集Q(Q包含P)。把Q中的每一颗星投影到星敏感器像平面,形成点列子集Q。视场的构造就可以表述为平面上点集的几何覆盖问题。对每一个子集P来说,先计算其最小覆盖圆,若其半径小于视场在像平面的投影值(R),则计算点列子集Q删除P后的Voronoi图,这样就可求出包含点列子集P的最大空圆;若其半径大于R,则点列子集P为一个导航星视场。给出了由20颗导航星生成的124个视场,并与Monte Carlo 20万次随机生成的视场作了比较。结果证明了该算法是有效的、实用的。     

低轨微小卫星及小碎片搜索/跟踪机动式大视场光电望远镜

有效反射面积小,运动速度快的空间低轨卫星和小碎片的日益增多对现有地基探测跟踪技术提出了挑战。本文分析了国外现有低轨小目标光电探测技术的发展现状,结合低轨小目标的探测需求,提出了一种用于低轨微小卫星及小碎片搜索/跟踪探测的机动式车载大视场光电望远镜设计方案。介绍了该望远镜的光学系统、跟踪架及载车,描述了它的工作模式和图像处理,讨论了系统的搜索和探测能力。结果表明,该望远镜对300 km轨道高度的目标搜索能力达到13.5星等（相当于直径5 cm目标）,可以满足搜索和跟踪低轨微小卫星及小碎片探测的实际需求。     

激光导引星倾斜探测的非等晕性

传统的激光导引星(LGS)由于激光发射与接收光路的限制,导致难以利用激光导引星来探测大气倾斜量变化。其中重要的一个解决方案就是利用辅助望远镜,从侧面对激光导引星进行探测,从观测到的激光导引星带状拖影中提取出大气倾斜信息。随着激光带拖影长度的增加,必然导致其出现非等晕现象。给出了激光导引星带状拖影上两球面波之间的Zernike多项式展开系数角度相关函数。从相关性的角度分析了导引星高度、大气湍流强度以及接收望远镜口径对激光导引星带状拖影的非等晕性的影响。此外,基于激光导引星倾斜探测方案的非等晕限制,给出了Na层激光导引星倾斜量探测方案中的辅助望远镜视场限制。     

基于多视场星点椭圆率的望远镜主动准直方法

光学元件的准直失调会引起天文望远镜在观测过程中的像质退化,该问题在大口径快焦比的天文光学系统中更为突出。针对此问题,本文提出一种用于望远镜日常观测过程中的主动准直方法,通过星像解算实时校正副镜位置及姿态达到维持望远镜像质的目的。该方法基于多视场星点椭圆率,利用粒子群优化算法迭代求解望远镜光学元件失调量,从而校正由光学元件失调引起的低阶像差。利用1.6 m多通道测光巡天望远镜光学系统进行模拟仿真,求解副镜失调量残余误差小于1%,在系统设计公差范围以内。利用南极巡天望远镜AST3-3模拟及实验验证,表明该方法可高精度求解望远镜光学元件的失调误差。     

大口径空间巡天望远镜子孔径拼接平场定标法

大口径空间巡天望远镜的精确平场定标是实现既定科学目标的重要前提。目前普遍是通过平场屏幕或大口径积分球提供均匀平场基准来检验像面响应一致性。针对平场屏幕照明均匀性差,超大口径积分球制备困难等问题,本文提出了一种基于子孔径扫描的平场定标方法,以改善平场基准的均匀性及杂散光导致的定标不确定度。首先,完成子孔径平场定标理论分析,建立子孔径平场定标数学模型,规划子孔径扫描路线及扫描孔径大小,进行标定用准直系统参数的初设计。其次,完成像面照度仿真验证实验。最后,搭建实验平台,对规划的子孔径进行扫描,构建全口径照度数据,验证上述大口径空间巡天望远镜子孔径拼接平场定标方案的可行性。实验结果表明:以全口径为基准,用子孔径拼接法扫描待测系统像面能量叠加对比全口径像面照度,能够恢复全口径的照度信息,全口径像面灰度值为231.085,单个子孔径叠加灰度值为233.350,误差为1%,本文研究表明子孔径拼接法可用于大口径巡天望远镜的平场定标,具有实际应用价值。     

基于曲率传感的主焦巡天望远镜集成检测方法

通过对望远镜进行曲率波前感知,以更好地实现主焦巡天望远镜的集成检测。首先,利用傅立叶光学理论分析了主焦巡天望远镜曲率传感过程以及多环节动态稳定性传递基本原理。其次,对主焦巡天望远镜集成检测中的静态校正与动面形测量过程进行误差分析。然后,分析了调节过程中的自由度锁定。最后,通过实验实现了集成检测过程的原理贯通。所获得的波前探测残差优于0.08λ(λ=633 nm)。空间分辨率为0.1 m,时间分辨率为0.2 Hz。本方法可有效提升主焦点大口径大视场望远镜的成像质量,利用曲率传感非干涉、高鲁棒的特点,降低了集成检测过程对外界环境稳定性的需求,为未来更加精细的时域天文学观测提供助力。     

星体跟踪星图识别算法

针对天文/惯性组合导航中对星敏感器快速姿态测量的要求,提出了一种基于星体跟踪的星图识别算法应用于星敏感器姿态测量。建立了基于星区的导航星库便于快速搜索导航星。实验结果表明,该算法比传统星图识别算法有着明显的优点,识别速度快,识别成功率高。     

大动态CMOS APS的星敏感器光学系统主要参数设计

星敏感器广泛用于空间飞行器的姿态测量,为减少飞行器飞行过程中转动对星敏感器测量精度的影响,定量分析了捷联安装的星敏感器透光孔径、曝光时间、视场、焦距、像素数目与转速之间的关系,提出了大视场、短曝光时间、较少的像素都能提高星敏感器的动态。鉴于这三者之间是相互关联的,首先,由导航星的捕获概率确定了视场大小,然后,根据恒星辐射模型和CMOS有源像素传感器的噪声计算模型,确定了透光孔径、曝光时间。     

一种非标定的快速星图识别方法

大多数现有算法在星敏感器光学系统参数标定不准确时,识别率显著降低。针对这种情况提出了一种无需标定参数的识别算法。该算法引入比例距离作为径向特征,角度作为环向特征。这两种特征不依赖焦距、主点等任何光学系统参数,仅和图像平面上的星点位置有关。识别时首先按照特征量进行初始匹配,然后利用FOV(Field of View)约束筛选待选星进行精确匹配。为了加快速度,精确匹配时引入了快速分组方法。仿真实验表明,该方法具有较快的识别速度,在没有光学系统参数的情况下,识别率可以达到97%。     

一种改进全天自主栅格星图识别算法

栅格算法是一种较优秀的星图识别算法 ,但它要求视场中有较多的恒星 ,从而要求星跟踪器有大的视场或高的星等灵敏度。为了克服这一缺点 ,引入主星的概念 ,并在星图识别过程中加入星等信息。仿真结果表明改进后的算法只需较少的恒星就能保证算法的鲁棒性 ,且实时性得到显著改善。     

基于BP神经网络的小样本星图识别方法

为解决星敏感器的星图识别算法高实时性和鲁棒性,采用了BP神经网络;根据飞行轨迹精简了导航星及对应的模式,即一个视场中的一幅星图对应一个惟一的导航模式。采用二维Voronoi图计算向平面上最大空圆,构造了完备的圆视场集合;经过反复比较,选择以恒星为顶点能构造包含视场中所有星的凸多边形的导航模式,以其角距和顶角作为识别向量,具有平移和旋转不变性,并以该模式为BP神经网络的训练样本。仿真试验表明：该方法的识别成功率达100%,识别时间小于20ms。     

Compound diffractive telescope system: design, straylight analysis, and optical test

The compound diffractive telescope is a novel space optical system which combines the structure of compound eyes with diffractive optics and so it has a lighter weight, a wider field of view (FOV), a lower cost as well as looser fabrication tolerance. In this paper, the design of a compound diffractive telescope composed of one primary lens and twenty-one eyepieces is introduced. Then the influence of diffraction orders on the performance of the system is analysed. A modified phase function model of diffractive optics is proposed to analyse the modulation transfer function (MTF) curves for 0℃ FOV, which provides a more accurate prediction of the performance of the system. In addition, an optimized mechanism is also proposed to suppress stray light. The star image and resolution tests show that the system can achieve diffraction limit imaging within ± 2℃ of FOV and ±4~mm of eccentricity. Finally, a series of pictures of an object are taken from different channels, and the splicing of pictures from adjacent FOVs is demonstrated. In summary, the designed system has been proved to have great potential applications.     

一种改进的全天自主三角形星图识别算法

三角形算法是一种当前使用最为广泛的星图识别算法 ,但作为其识别基元的三角形的特征维数比较低 ,容易出现冗余匹配或误匹配 ,因而对测量误差比较敏感。针对这一缺点 ,从导航星的选取、星座数据库的构造和算法的实现三方面着手对传统三角形算法进行改进 ,提出了新的导航星自动选取方法和导航星座数据库构造方法 ,并在此基础上实现了改进三角形算法 ,其数据库容量和实时性都略优于传统三角形算法 ,且识别成功率接近多边形算法     

Transition wavelengths and probabilities for spectral lines of Zr III

Wavelengths and oscillator strengths for all 4d4f↦4d² dipole-allowed fine-structure transitions in Zr III have been calculated within the Multi-Configuration Dirac-Fock method with QED corrections. These transitions are included in the spectrum of some chemically peculiar stars, like the B-type star χ Lupi observed by the Hubble space telescope. The results are compared to existing experimental and semi-empirical data.