星敏感器标定方法研究

星敏感器标定是对其内部各种参数的估计,能有效减小星敏感器的系统误差,提高其姿态输出精度。根据待定系数标定和内部参数标定参数的不同,建立了星敏感器标定参数模型。并针对不同标定模型,分别介绍了各种标定参数的地面标定方法和计算方法。在分析现有在轨标定方法、比较在轨标定和地面标定的差别的基础上,重点分析了星敏感器焦距和主点等内部参数的在轨标定方法,采用扩展卡尔曼滤波对在轨星图进行处理。仿真结果表明,焦距和主点估计值的扩展卡尔曼方法较最小二乘估计法,其收敛速度快、稳定性好且精度高,在5000幅星图后输出即可稳定,可有效去除星点随机误差影响,提高标定精度。     

基于多视场星敏感器的姿态确定方法

星敏感器是目前航天器姿态测量精度最高的器件,与传统的单视场星敏感器相比,多视场星敏感器可以实现三轴同样高精度的姿态测量,提高姿态测量精度。针对单视场星敏感器姿态确定问题,推导了以最小代价函数为指标的QUEST姿态确定算法。对于多视场星敏感器,通过坐标变换方法将多个视场的导航星矢量转换到同一视场中,再利用QUEST算法得到航天器姿态。最后仿真结果表明,坐标变换后进行姿态确定得到的姿态数据与单个视场所得的姿态数据相同,验证了方法的正确性。     

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。     

星敏感器内参数标定误差研究

星敏感器是一种高精度姿态测量设备,被广泛应用于航天、航空、舰船等领域,其性能主要取决于内参数的标定精度。选用何种标定方法完成内参数的标定以及如何提高内参数的标定精度是星敏感器实现高精度姿态测量的关键。针对现有的依赖姿态解算的标定方法与不依赖姿态解算的标定方法进行了相应研究,通过采用网格状星图分析了两类标定方法的噪声特性,同时对比研究了两类标定方法在不同星点数目、不同星点分布下的标定情况。仿真结果表明:星点数目越多内参数的标定精度越高,星点分布越均匀内参数的标定精度越高,且在同等情况下依赖姿态解算的标定方法的精度要优于不依赖姿态解算的标定方法。     

大视场星敏感器标定技术研究

大视场星敏感器光学系统,由于畸变量较大,在轨标定过程中,直接采用最小二乘最优估计(LMS)或扩展卡尔曼滤波方法(EKF)无法精确求解其标定参数。在深入分析星敏感器测量误差因素的基础上,对考虑畸变和不考虑畸变两种情况的在轨标定结果进行了仿真对比;指出了标定焦距之前需先标定光学畸变的必要性,并介绍了4种可用于在轨校正光学畸变的方法;提出先标定主点偏差,再标定光学畸变参数,最后标定焦距的标定方法。仿真结果表明,可以采用像面旋转法求取主点偏差,利用高阶多项式方法求取光学畸变参数,畸变校正后,采用LMS和EKF标定算法估计焦距,标定精度达到了3.1μm和2.2μm。对100幅模拟星图处理后,星间角距统计偏差约为传统在轨标定方法的1/10～1/8。     

一种基于自适应滤波的高动态星敏感器在轨校正方法

为了提高高动态环境下星敏感器的质心提取精度,提出了一种基于自适应滤波的在轨校正方法.该方法能够适应角速度变化的星敏感器,自适应的调整校正矩阵.使用提出的基于时空相关性的噪声估计滤波器跟随星点窗口实时更新校正矩阵,对星点准确校正.与传统地面校正方法相比,本文方法不仅减少了成本,且实时更新校正矩阵,校正更加可靠.通过实验验...     

基于弹载双视场星敏感器求解姿态的几种算法研究

利用弹载星敏感器观测得到的数据,采用三种不同的姿态求解算法,分别计算出了弹体的姿态。通过比较损失函数和处理时间,得出QUEST算法精度高,处理时间短,适用于求解双视场星敏感器的导弹姿态。     

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。     

一种星敏感器蒙气差修正的新方法

为简化星敏感器蒙气差修正步骤,提高星敏感器自主姿态测量能力,提出了一种基于参考量修正的蒙气差修正新方法。该方法恒星视天顶距计算简单,不需要载体的姿态信息,蒙气差修正不需要求解二元非线性方程组,只需要简单加法即可完成。仿真分析与实验结果表明,利用参考量蒙气差修正方法得到的船体姿态解算结果与观测量蒙气差修正方法是一致的,二者偏差在0.1″以内。对星敏感器姿态测量的应用,基于参考量修正的蒙气差修正方法不需利用外部姿态信息,既计算简单,又不损失姿态测量精度。     

星敏感器低频误差在轨补偿方法

为了抑制地面标定与在轨工况差异引入的低频误差,提出了一种低频误差在轨补偿方法,基于地面标定求得主点、焦距初始值与畸变系数,筛选出符合条件的星对,以星对角距误差最小为准则,基于扩展卡尔曼滤波方法,实时更新星敏感器的焦距值.与现有的多参数同时更新方法相比,该方法具有更快的收敛速度与更高的鲁棒性.多次观星试验和在轨飞行验证了本方法的有效性,星对角距误差均值减小90%以上,低频误差减小40%以上.     

一种星敏感器/陀螺地面高精度组合定姿与精度验证方法

卫星姿态精度是制约高分辨率光学影像几何定位精度的一个重要因素,针对当前卫星姿态数据处理精度不高且难以验证的问题,提出一种基于双向滤波整体加权平滑的高精度卫星姿态数据地面处理算法,实现了卫星姿态数据地面精细化处理,进一步采用几何定标场的数字正射影像图/数字高程模型数据进行精度验证。以2014年11月发射的遥感-24号高分辨率光学卫星为例,分析结果表明,本文设计的姿态数据处理模型是稳健可靠的,姿态数据相对精度可以达到0.8″,且基于地面处理姿态数据得到的全色相机无控制点条件下影像几何纠正精度可以达到15m。     

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...     

船用星敏感器星点质心精确提取方法

从星空图像中提取星点质心是星敏感器工作的重要基础,针对船用星敏感器所获取的星空图像噪声情况复杂的特点,提出一种基于重心法的星点质心精确提取方法。通过块扫描的阈值分割和星象连续性的噪点剔除,引入灰度信息参考的星象提取以及重心法质心坐标计算等步骤,从星空图像中提取星点质心。对于30幅海上实拍星图实验,该方法能够100%提取出至少10颗星点,质心坐标提取精度达到1/20像素,并且可以实现对视频图像的实时处理,满足船用星敏感器的应用需求。     

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.     

星敏感器星图处理研究

星敏感器是一种通过观测恒星位置,直接提供运载体在惯性空间中三轴绝对姿态的光电仪器。星图处理是星敏感器的重要工作内容之一,关系到后续星图识别的正确进行。处理方法需要能够有效地降低噪声,抑制背景,并正确提取出图像中的恒星目标。从分析星敏感器实际获取的星图特性入手,提出了相对应的图像处理算法。最后,进行实际测星试验,验证了星图处理算法的正确性和有效性。     

CMOS星敏感器光学系统的设计

基于对恒星星表V/50的统计,在确保一定捕获概率的前提下,确定了星敏感器光学系统的视场角和所能探测的极限星等,在此基础上,结合所选用的STAR-250CMOS探测器的性能,在保证一定信噪比的前提下,确定了光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长、弥散元大小等主要参数。以改进双高斯型结构为初始结构,在ZE-MAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5μm~0.8μm)的光学系统的设计,满足了对弥散斑、能量集中度等的特殊要求。     

星敏感器光学系统弥散斑测试方法

提出了一种星敏感器光学系统弥散斑尺寸的测试方法,主要是利用平行光管、转台和CCD显微摄像系统组成弥散斑测量系统,采集图像后,采用双三次插值像元细分,提取图像中灰度值,依据瑞利判据计算弥散斑尺寸。通过实际测量和试验验证,光学系统0.8视场弥散斑测量精度可以达到0.5μm,重复测量精度可达0.2μm。     

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。     

一种基于平面靶标的全自动标定方法

摄像机的快速高精度标定一直是视觉测量中亟需解决的主要问题,目前针对不同的摄像机成像模型有多种标定方法。提出了一种基于圆形标记点以及极径、极角的棋盘格角点排序算法,实现了单目和多目摄像机的高精度全自动标定。通过实验验证了该算法对于不同位姿标定图像的有效性和稳健性,实验结果表明改进后的标定方法既保证了摄像机的标定精度,又提高了标定的自动化程度,可以广泛应用于机器视觉中的单目和双目摄像机的标定。