小视场轻型星敏感器在白天测星中的应用

从白天天空背景、恒星光谱特性、星敏感器的构造特点3方面分析白天大气层内小视场轻型星敏感器对恒星探测的可行性。在此基础上,采用光谱滤波、合理选择系统参数等方法,研制了小视场轻型星敏感器,并在高海拔地区进行了白天地面观星实验,理论分析和实验结果表明:小视场轻型星敏感器能够实现白天恒星的探测。在3 km海拔高度、大气能见度10 km、视场21.5、太阳规避角30以外、天空晴朗无云的环境下,可探测星等极限值达到3.8等。     

星敏感器测试用微调整机构设计（英文）

针对高精度星敏感器在地面标定实验中与测试设备准确对接的实际要求,设计一种纳米级星敏感器标定用五维微调整机构.详细分析了光轴对准误差对敏感器测试的影响.为保证对接精确性,提出了搭积型调整架机械结构的设计思想;论述了二维平移和三维调整模块的设计方案;对调整机构进行了仿真建模和力学分析.对设计的微调整机构进行验证性实验,结果表明:位移分辨力可以达到25nm,角度分辨力可以达到0.1角秒,且稳定性高.设计的微调整机构可以满足星敏感器与测试设备准确对接的技术指标要求,确保了星敏感器定标结果的可信度.     

船用星敏感器探测灵敏度计算及分析

星敏感器作为一种被广泛应用于各种载体上的高精度自主导航定位设备,探测灵敏度影响着其工作效率及测量精度。与航天器载体上的星敏感器不同,船用星敏感器工作在海平面环境下,其探测灵敏度不仅由镜头及成像传感器的各项参数决定,还要受到夜空背景以及大气透射等外部因素的影响。为了给船用星敏感器的研制与应用提供理论依据,通过对星光传播、传感器成像以及信号提取过程的研究分析,推导出了船用星敏感器探测灵敏度的计算模型,并通过实验验证了该模型的有效性,在此基础上,分析了各项因素对船用星敏感器探测灵敏度的影响情况,根据分析结果对船用星敏感器系统的设计研制提出了相应建议。     

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LED的多色温多星等单星模拟器

针对星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响,设计了一种基于LED的多色温多星等单星模拟器,采用该系统模拟特定色温的星光用于星敏感器光信号定标,大幅降低了色温非匹配带来的定标误差。从理论上分析了色温非匹配影响星敏感器光信号的定标精度的机理;根据设计指标确定了星模拟器的设计方案,主要解决了光源的选型、多色温多星等单星模拟器驱动和控制系统、色温星等匹配算法、多色温多星等单星模拟器软件设计四项关键技术问题;对多色温多星等单星模拟器进行了标定和性能测试:0等星4000K和3等星7000 K星光的光谱匹配误差分别为4.87%和7.83%,星等等级分别为0.03和2.93;光源稳定后,多色温多星等单星模拟器的平行光管出口Φ100 mm口径内的照度非均匀度为6.5%,均满足设计指标。     

多色温多星等输出的单星模拟器光机系统设计

阐述了基于CCD技术的星敏感器的工作原理,及其在航天定位中起到的作用,从而引出星敏感器的地面标定技术,这就需要用到恒星模拟器对星敏感器进行标定。针对恒星光源的两个基本参数,分别提出了恒星色温模拟方法和星等模拟方法,研究了星模拟器系统的具体实现,主要设计了电光源、波段光强控制器、星等控制器等。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并得出了实验结果。实验结果表明,本系统具有较高的可靠性,在峰值光谱范围为350 nm~950 nm的情况下,可模拟星等范围0~+6.5MI,可模拟星体等效黑体温度为:2 600 K、3 600 K、4 300 K、5 000 K、5 500 K、6 000 K、6 800 K、7 600 K、9 800 K,相对强度误差优于0.10。     

提高星敏感器数据刷新速率技术研究

星敏感器是星光惯性复合制导技术的关键设备, 其测量周期或数据刷新速率是衡量星敏感器性能的一项重要技术指标。为满足星光惯性复合制导对星敏感器技术指标的要求,分析了构成星敏感器测量周期的主要环节和影响测量周期的主要因素,在此基础上提出了通过合理调度测量过程子任务的技术方法。该方法使数字星空图像捕获过程和处理过程并行执行,进而提高星敏感器数据刷新速率;并重新设计了某型星敏感器电控系统方案。研究表明,采用提出的技术措施后,星敏感器的数据刷新速率获得了显著的提高,其数据刷新速率由3.70 Hz提高到了6.40 Hz,达到了系统提出的要求。     

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。     

APS图像传感器及其在星敏感器中的应用

星敏感器是当前广泛应用于航天器姿态测量的高精度光学敏感器。小型化、低功耗、高精度、高更新率是现阶段星敏感器发展的共同特点。介绍了APS图像传感器的特点,并将其与CCD进行了详细的比较。对APS图像传感器的重要特性参数进行了分析,并介绍了一种由北京控制工程研究所研制的小型化高精度APS星敏感器及其设计方法。介绍了适用于GEO轨道的APS星敏感器图像在轨校正方法和APS图像传感器的发展方向。     

星敏感器测量载体水平姿态与航向的研究

星敏感器是一种通过观测恒星,直接提供运载体在惯性空间中三轴绝对姿态的光电仪器。它是目前精度最高的姿态敏感器。如果同时借助时钟系统提供的时间和GPS提供的运载体地理位置,可以精确确定运载体的水平姿态和航向。根据星敏感器测量过程中涉及到的各坐标系,从它们之间的转换关系入手,推导了水平姿态和航向解算模型,并在星敏感器上实现。最后,构建了实验装置,进行实际测星定姿试验。实验结果表明,星敏感器输出的水平姿态和航向可以正确反映实际载体水平姿态和航向,从而验证了此模型和计算方法的正确性和有效性。     

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。     

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.     

机载星体跟踪器的随机振动与疲劳分析

星体跟踪器是机载天文导航设备的重要组成部分,随机振动是其结构失效的重要因素。采用有限元分析软件Ansys workbench对某机载星体跟踪器进行了随机振动分析,获得了1σ响应值与随机响应谱。根据分析结果进行了随机疲劳计算,得到了疲劳寿命使用系数。该分析方法同样适用于其他光电设备的随机振动与疲劳分析,对光电设备的结构设计有一定的指导作用。     

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。     

带噪声模拟仿真星图的实现

本文对星敏感器的姿态参数进行仿真计算,实现了观测星的提取及星图模拟。根据二维高斯分布模型对星点进行灰度弥散;考虑了噪声等因素的影响,实时模拟星敏感器在轨状态下拍摄星空的真实星图。实验证明,通过仿真模拟在轨运行卫星所拍摄的星图,可以为星敏感器星点提取、星图识别、姿态解算等功能算法提供验证。     

Optimization method for star tracker orientation in the sun-pointing mode

The star tracker, an optical attitude sensor with high accuracy, is widely used in satellites for attitude determination and control. However, it is susceptible to the sunlight and the earthlight for application on satellites in the sun-synchronous orbit. Therefore, the suppression of the sunlight and the earthlight is important for the star tracker. In this Letter, a vector model is proposed to describe the relationship among the Sun, the Earth, and the satellite body, and, based on the equations of the boundary curves, the vector areas free from the sunlight and the earthlight in the body coordinate system of the satellite are derived. Meanwhile, the installation orientation of the star tracker and the corresponding exclusion angle of the earthlight are optimized. The simulation results indicate that the optimization method for the installation orientation and the exclusion angle of the star tracker is accurate and effective.     

像差对星敏感器星点定位精度的影响

光学系统星点定位精度是表征星敏感器性能的一个重要指标,像差对该精度有一定影响。分析光学系统像差对星点定位精度的影响,在计算典型中等精度星敏感器光学系统星点定位误差的基础上,提出用实际测得的星点光斑能量质心位置计算理想位置的误差补偿新方法。计算结果表明:像差对高精度(如角秒级)星敏感器姿态测量精度的影响不可忽略;采用星点定位误差补偿后,星敏感器三轴姿态测量误差RMS值分别为0.38″,0.38″,5.77″,仅为原来的1/17。     

一种基于DSP的星图识别技术

针对星体跟踪器星图识别算法的复杂性以及星体跟踪器对体积、功耗的要求,介绍了一种基于多边形角距匹配的星图识别算法以及该算法在以DSP为基础的硬件平台上的实现.实验结果证明,复杂的星图识别算法可以在基于DSP的嵌入式平台上实现,并能达到系统实时性的要求.     

高精度星模拟器目标标准源设计

为满足高精度光学导航敏感器地面标定要求,针对传统标定用目标标准源技术特点,给出了一种基于有机电致发光器件(OLED)光源与光纤光导技术相结合的高精度目标标准源设计方法。分析设计方案并给出了目标标准源的整体结构;同时为提高OLED与光纤耦合效率,详细设计了标准目标源的光纤光源耦合机构以及光纤入/出射板的结构;为满足5～10等星的精确控制,对光耦合机构的自聚焦透镜和星等输出模拟系统中的滤光片进行了详细设计,并对自聚焦透镜进行了参数优化。对目标标准源的主要参数星等和星点间距精度进行的理论分析和实际测试表明所设计目标标准源达到了高精度星敏感器标定需要。     

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。