空间目标相对运动角参数的天基光学测量精度分析

利用在轨光学相机对空间目标进行跟踪测量,目标相对运动角参数的测量精度决定了空间目标的定轨精度。建立目标相对运动角参数测量计算数学模型,推导出相对运动角参数测量误差传递公式。通过对仿真计算结果的分析,确定出影响目标相对运动角参数测量精度的主要误差源:目标成像焦面坐标提取误差、光学相机视轴转动欧拉角测量误差与测量卫星姿态惯性角测量误差。其中,光学相机视轴转动欧拉角测量误差对相对运动角参数的测量误差影响最大,约占总误差的80%。观测条件对测量精度也有很大的影响,尤其在目标过顶时,相对运动角参数的测量误差显著增大。     

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。     

小型化宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是航天飞行器实现姿态自主导航的关键测量设备,传统星敏感器由于体积与质量较大,难以满足微纳卫星的应用需求,光学系统是星敏感器小型化的核心及瓶颈技术。分析了实现全天恒星识别的星敏感器光学系统参数需求,完成一种基于全球面透镜的微小型宽谱段透射式光学系统设计,实现了光学系统焦距40 mm,视场角26.4°,相对孔径F/2.8,光谱范围为450 nm～1 000 nm,光学系统体积与质量大幅降低,可应用于微纳卫星星敏感器。     

星敏感器恒星成像模型迭代估计方法

针对现有描述星点能量分布的高斯模型的局限性,基于恒星辐射特性和星敏感器的成像特性,提出了改进的偏正态分布恒星成像模型,并确定其关键参数向量.根据星敏感器对恒星成像为平稳随机过程的特点,设计了Kalman滤波器迭代估计星点像斑特征,提取四个星点像斑特征量,建立状态空间,得到特征量在最小二乘意义下的最优估计值,以此作为参考基准,利用查表法实现星点成像模型参数寻优求解.地面观星实验结果表明,基于Kalman滤波可以快速有效地对实测星点像斑特征量进行估计,相对于高斯模型,改进的偏高斯模型对星点像斑能量分布的仿真精度更高.     

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。     

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。     

一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法

星敏感器作为卫星姿态测量装置,其在轨服役过程中,主点和焦距的标定精度是影响其姿态输出精度的主要因素。针对标定过程中含有随机测量噪声偏大的星像点,导致星敏感器主点和焦距的标定结果产生较大偏差的问题,提出了一种星敏感器主点和焦距的加权在轨标定方法。该方法首先建立了星敏感器在轨标定模型,然后引入合理的标定权值,加入到最小二乘估计主点和焦距的过程中,寻找并剔除随机测量噪声偏大的星点,最后将加权估计出的结果作为测量,采用扩展卡尔曼滤波对星图进行处理。仿真结果表明,在星点位置存在较大误差的情况下,该方法能剔除随机测量噪声偏大的坏点。星内角距统计偏差约为传统方法的1/10,与真值相比标定参数精度分别为0.219 9像素、0.148 7像素、3.38 μm。     

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。     

一种基于姿态关联帧的星敏感器标定方法

提出了一种基于姿态关联帧的星敏感器标定方法,该方法通过外场天文观测即可实现标定。首先,利用与星敏感器捷联安装的陀螺组合体提供的高精度角度信息,实现了多帧星图的关联叠加,然后构建多帧星图之间恒星与像点的成像映射模型,最后采用最小二乘法实现了星敏感器内参数的全局优化。仿真结果表明,相比基于星角距的标定方法,所提方法标定精度更高、稳健性更佳,且能同时标定出星敏感器相对陀螺组合体的安装矩阵,因此其适用于船载和机载惯性/天文组合导航系统的参数标定。     

白昼星敏感器的研究现状及关键技术

星敏感器以恒星为姿态测量参考源,可以为空间飞行器提供高精度姿态测量信息。白昼星敏感器具备白昼条件下恒星探测能力,可以拓展用于高空气球、飞机、导弹、舰船等近地空间平台的全天时自主导航。对白昼星敏感器的国内外研究现状进行了综合分析,介绍了典型白昼星敏感器的技术指标,对制约白昼星敏感器发展的技术瓶颈和关键技术进行了梳理和总结。