基于星点像重采样的星敏感器高精度质心算法

传统的质心算法面临着光学像差和随机噪声对质心位置提取精度影响很难减小的问题。为了解决这一问题,对星敏感器所成星点像进行分析,结合星敏感器光学系统的调制传递函数和图像传感器像素频率响应特性,提出了一种基于星点像重采样的星敏感器质心定位算法。根据夫琅禾费衍射理论计算出离焦光学系统的点扩展函数,并对重采样质心算法的系统误差分布进行仿真,结果显示,该算法在不同像差条件下的系统误差均方根都小于0.01 pixel。用星敏感器产品进行了质心提取系统误差测量实验,重采样质心算法的系统误差为0.008 pixel,相比传统正弦曲线补偿方法的精度提高了66%。仿真和实验结果表明:基于星点像重采样的质心算法精度高,受光学系统像差的影响小,是提高星敏感器测量精度的一种有效方法。     

星敏感器技术研究现状及发展趋势

本文综述了星敏感器技术的研究现状和未来发展趋势。首先,总结了国内外星载星敏感器的发展历程。接着,根据星敏感器工作原理,分析讨论了星点质心定位算法、星图识别算法和姿态解算算法等星敏感器关键技术的发展现状。通过讨论星点质心定位精度对星敏感器测量精度影响,分析了星点质心定位算法以及对应误差补偿的研究现状;基于星座特征、字符模式和智能行为,介绍了星图识别算法并进行了对比分析;根据确定姿态解算算法和动态姿态解算算法分析了姿态解算算法的研究现状。最后,对星敏感器的未来发展进行了展望,讨论了航空机载星敏感器、微小型星敏感器和甚高精度星敏感器的发展趋势以及未来重点研究内容。     

基于像差影响的星间角距修正方法EI北大核心CSCD

为了有效地提高星模拟器的精度,针对经典星间角距数学公式没有考虑光学系统像差影响的问题,提出了一种基于像差影响的星间角距修正方法,建立了相关的数学模型并推导了相应的数学公式。并以球幕投影的星模拟器平台为例进行分析和实验测试,结合所建立的星间角距数学模型,对各星点的方位角和俯仰角进行曲线拟合,得到像差影响的星点位置误差拟合曲线,从而完成星间角距修正。实验结果表明,修正前星间角距误差为27.56″,修正后星间角距误差为16.96″,相对于修正前减小了10.60″。本文方法为有效提高星模拟器的仿真精度提供了理论基础。     

星光观测蒙气差补偿技术

为了消除大气内观星时蒙的影响,提高载体定姿精度,提出了一种蒙气差补偿算法。首先给出了补偿过程涉及的姿态转移矩阵,并完成了相关矢量坐标映射变换;接着在星敏感器坐标系内,用两矢量内积法求得视天顶距;最后利用几何公式列出了以真星光矢量投影点估计位置为未知量的方程组,作为星敏感器任意姿态下蒙气差补偿算法模型。在没有任何误差的条件下对模型有效性进行了仿真,10-6 pixel量级的位置估计精度表明了算法的有效性。加入不同量级的陀螺漂移误差进行了仿真,给定的漂移误差对于蒙气差补偿模型的估计精度影响甚微,仿真结果表明在捷联载体存在一定姿态误差的前提下,蒙气差补偿模型也是适用的,补偿后的星像坐标用以实现星光姿态确定,并进一步对陀螺漂移完成补偿。     

对地观测平台恒星敏感器离焦成像折中设计分析

从对地观测平台角秒量级姿态确定需求出发,在构建星敏感器惯性系成像模型的基础上指出,恒星在成像面上的定位误差是星敏感器姿态确定误差的主要来源。同时,结合理想光学系统离焦模型,分析了星敏感器主要性能指标间的量化关系,并给出了成像面定位误差最低限。仿真结果表明,从优化系统性能考虑,成像模糊区直径为2~3个像元的配置是利用星敏感器焦平面的“轻微离焦”来实现亚像元定位的最佳方案,定位误差可达0.2个像元,能够满足星敏感器惯性姿态确定精度4″~5″的要求。理论分析和数值仿真结果可为后续星敏感器指标的提出及仪器设计提供技术参考。     

基于时域约束的卷帘曝光星敏感器星点校正方法

针对卷帘曝光模式星敏感器动态星点成像形状畸变和成像位置误差导致的导航星点定位精度降低、测姿误差增大的问题,提出了一种基于时域约束的导航星点校正方法。基于卷帘曝光的时间异步性特点,结合基于卡尔曼滤波的导航星点位置和帧间速度最优估计,将时域中不同时刻的导航星点校正到相同时刻,从而有效地解决星点畸变与位置偏移问题。展开了不同条件下的仿真实验,实验结果表明:当星敏感器角速度在0~3°/s动态范围内,校正后星对距离精度高于0.1 pixels,姿态角精度高于10″。     

面向卫星互联网平台的星敏感器光学系统设计与验证

星敏感器为卫星提供高精度的姿态信息。随着卫星互联网技术在国防和民用领域中不断发展,要求其搭载的星敏感器向体积小、重量轻、精度高方向发展,因此需要充分结合应用需求对星敏感器光学系统进行设计。文中基于黑体辐射定律,建立6.0等星在相同的积分波段内色温与辐照度的关系,确定系统有效口径;基于星点高斯模型,提出通过提升光学系统能量集中度,实现小口径高灵敏探测;基于蒙特卡洛分析方法确定星敏感器工作视场;基于灵敏度确定杂散光抑制技术要求。利用上述论证结果开展光学系统设计,系统3×3像元内能量集中度优于95%,在-40℃～60℃区间内星点质心偏移不超过0.40μm,在32°杂散光抑制角处,系统消光比为3.0E-8。最后以试验室质心精度标定、外场观星精度与灵敏度测试、杂散光测试验证光学系统设计的合理性。试验结果表明：星敏感器标定精度为1.45″,外场观星精度为4.2″(3σ),极限灵敏度为6.04等星,杂散光背景灰度均值为36.51。     

基于区域滤波的模糊星图复原方法

当星敏感器在动态条件下工作时,在成像的过程中星点会因能量的分散而出现运动模糊现象,导致图像的信噪比降低,星点的模糊区域很难被提取,从而降低了星点质心的定位精度,严重影响星敏感器的姿态测量精度。为此,文中提出了一种基于区域滤波的模糊星图复原方法,在有效提高图像信噪比的同时可提高星点质心的定位精度。首先,根据星敏感器的工作特性,建立了不同工作条件下星点质心的运动模型。然后,根据运动模型确定星点质心的运动轨迹,进而提取星点的模糊区域,再利用图像处理算法对模糊区域内外的图像分别进行预处理。最后,利用图像复原算法对模糊星图进行复原。实验结果表明:在2(°)/s的动态条件下,区域滤波算法能够有效提高模糊星图的信噪比,并且复原图像中星点质心的定位误差不超过0. 1 pixel,可以满足星敏感器对高质心定位精度的要求。     

星光折射自主导航星敏感器及光学系统设计研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航星敏感器的工作原理,详细分析了星光折射星敏感器的探测参数设计,包括探测谱段、恒星观测视场、探测概率及阈值星等、恒星探测能力等。星光折射星敏感器的观测视场分为折射星与非折射星两部分,对折射星的观测视场随轨道高度增加而减小;受限于大气光谱吸收,观测折射星的谱段宜选择600~900 nm,探测信噪比随大气折射高度降低而减小。采用高灵敏度的背薄电荷耦合器件(CCD)以及精度达到微米级的无热化光学系统匹配设计。结果表明,光学系统像质良好,单一星敏感器单星测量精度达到1″,满足目前航天自主导航对姿态及位置测量精度的需求。     

拼接星模拟器星位置误差校正方法（英文）

为了提高拼接式星模拟器的星图模拟精度,克服传统方法仅通过修正主距提高精度的局限性,提出了一种星图模拟精度的像差校正方法。分析拼接式星模拟器的工作原理和使用方法,优化小畸变平像场高成像质量准直光学系统像差,并根据像差设计结果,结合星点位置测量模型,分别建立畸变修正模型、彗差、场曲的修正模型。利用经纬仪、六维调整机构搭建星点位置精度测量装置,实测结果表明:基于像差理论的修正模型可有效提高拼接式星模拟器的星图精度,最大星点位置误差从48.78"降低至10.75",满足了技术指标。     

热光效应对星敏感器测量准确度的影响

运用"热-结构-光"耦合分析方法,计算典型星敏感器光学系统(6透镜光具组,f=56 mm,相对孔径1/1.3)恒星像斑理想质心位移和亚像元内插质心偏移量,研究温度分布对星敏感器测量准确度的影响.以20℃为光学系统标定温度,计算光学系统均匀温度分布、轴向温差分布和上下侧温差分布三种条件下,星敏感器测量误差.均匀分布温度变化20℃时,星敏感器测量误差约0.07″;轴向温差10℃和20℃时,测量误差分别约为0.17″和0.31″;上下侧温差仅2℃时,测量误差就高达1.46″.计算结果表明,上下侧温差分布对星敏感器准确度影响最大,均匀温度分布影响最小.     

大口径离轴反射式星模拟器光学系统设计

星模拟器作为星敏感器的地面标定系统,用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展,对星模拟器本身的要求也越来越高,进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点,提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成,实现了通光口径为300 mm,焦距为3 000 mm,视场角为30的准直光学系统设计,经像质分析表明,在视场角内畸变为0.006 2%（小于0.01%）,MTF达到衍射极限,波相差为0.071 6 ,所设计的光学系统能满足要求,并论述了准直光学系统的装校过程。     

Optical testing of star sensor (I): Defocus spot measuring technique for ground-based test

We developed a technique for measuring the intensity distribution of a point image in sub-pixel resolution even after assembly of a lens and an image sensor, which is especially suitable for defocus adjustment of a star sensor used to determine the attitude of a spacecraft. The star sensor optical system is usually aligned in a defocused position to calculate the luminance centroid of a star image in sub-pixel resolution. In the measurement technique, the point image is carefully scanned around a certain pixel on the image sensor, and the intensity change of the pixel is recorded during the scanning. We applied this technique to the alignment of our star sensor’s optical system, and we were able to suppress the spot size in a range between 1.2 and 2.2 pixels at 1/e² diameter at a certain defocus position, making it appropriate for luminance centroid calculation.     

基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

基于像差校正的望远系统装调方法研究

为了保证望远镜装配完成后的成像质量和其他关键指标,提出基于像差校正的望远镜装调方法。首先利用Zemax建立光学系统模型,模拟光学零件失调状态,分析各零件的每种失调状态对各类像差的影响情况,进而定量计算光学零件对系统像差的敏感矩阵,得出系统失调特性,拟定最佳装调方案。在此理论分析的指导下,进行基于星点检验法的装调实验,装调后仪器各项指标达到要求,分辨率优于技术指标要求7.5,验证了基于像差校正的光学系统装调方案的可行性。     

小型星模拟器系统的设计研究

基于超小型P13XM015型TFT-LCD技术的小型星模拟器的工作原理,及其在工程应用中整个系统的设计、制造、加工、调试和检测技术,提出对星间间距采用软件修正以及先分别测量再组合修正的方法,对星等采用使用相适应的仪器星等的方法。采用模块化方法设计了小型星模拟器系统的光学系统准直物镜、模拟星库的编制、坐标转换、位置解算、系统控制软件等。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并给出了实验结果。实验结果表明:本系统的星库精度及星位置解算误差12,角分辨率误差23.43。     

自适应光学系统时域特性分析

分析了激光导星发出的波前通过湍流大气所造成的波前相位畸变的时间功率谱 ;根据湍流相位时间功率谱和自适应光学系统的传递函数 ,比较了使用自然导星和激光导星时自适应光学系统的时间响应误差 ;讨论了使用自然导星时自适应光学系统的时域优化问题。     

Aberration invariant optical/digital incoherent systems

We have developed a fundamental technique for control of important known and unknown lens aberrations. Control of lens aberrations through traditional means is very difficult in high-performance optical systems. Minimizing aberrations caused by deterministic design errors as well as statistical fabrication errors has often led to costly systems and fabrication techniques. By employing a special-purpose optical phase mask and digital signal processing we can form imaging systems that are invariant, or substantially insensitive, to a number of important lens aberrations.     

船载光电经纬仪坞外星体标校

为了适应海上应用并降低经纬仪坞内标校成本,采用恒星位置代替固定方位标,将原本在坞内的标校工作转移到海上。首先,根据恒星星表精确、实时地计算出恒星位置。然后,通过坐标转换算法将其位置值转化到测量系下,运用船摇自稳定算法保证经纬仪的正常跟踪并记录数据。最后,根据事后解算算法分析记录数据,分离设备单项差并计算系统误差。实验结果表明,海上星校单项差的标定与坞内通过方位标标定结果非常接近,照准差、水平差、垂直差的偏差分别为0.015″、0.22″和0.014,″系统误差的标定与坞内结果具有很好的一致性,完全能够满足经纬仪海上标校的要求。