全天时星敏感器光学系统设计参数选择

光学系统设计是星敏感器设计的关键,光学系统参数决定将影响星敏感器的性能指标,而参数的选择需要考虑天空背景辐射、图像传感器参数等多种因素。采用Modtran软件仿真分析了不同情况下的天空背景辐射。在此基础上,通过引入能量集中度以及传感器噪声,推导出更精确的可探测极限星等公式,并深入分析了星敏感器可探测极限星等、探测概率以及探测精度与各影响因素的关系。对典型设计参数的可行性进行了分析,分析结果可为全天时星敏感器光学系统设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于全光学路径的遥感相机视轴监测方法研究

为提高光学遥感卫星图像地面定位精度,提出了一种基于全光学路径的相机/星敏感器视轴指向监测方法。方法采用同一基准部件分别建立相机和星敏感器测量通道,基准部件采用激光二极管作为测量光源,经过会聚和准直进入相机/星敏感器光学系统并成像,当相机/星敏感器相对基准部件视轴发生变化时,成像光斑相应地也发生位置移动,进而可以获取相机视轴转动信息;基于所提方法建立了光学模型,利用光线追迹法对相机夹角变化进行仿真与分析,并与理论分析结果进行对比。结果表明,方案可以满足高精度的相机视轴监测。     

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。     

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。     

基于数字微镜的光谱可调星模拟器光源系统

为满足对星敏感器在各种谱线分布下对探测能力的高精度标定,提出了一种基于数字微镜的星模拟器光源系统设计方案,在一定程度上解决了由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问题。从理论上分析了光谱不匹配影响定标精度的原理,设计了基于数字微镜器件的光谱可调的恒星光谱模拟系统。采用遗传算法作为光谱匹配,通过遗传算法求解不同的光谱构造函数实现对不同光谱的模拟。最后分别对5 nm分辨率和20 nm分辨率的光谱模拟系统在3 900,4 800,6 500 K 3种色温下进行了测试。测试结果表明,该星模拟器的恒星光谱模拟精度在5 nm分辨率下优于2%,在20 nm分辨率下优于5%。     

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。     

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。     

一种新型微镜式光纤氢传感器的研究

介绍了光纤氢传感器的应用背景和工作原理,分析了其中的微镜式传感器。针对在垂直入射、单次反射方式下工作的微镜式光纤氢传感器,提出了多次反射的传感器模型。从金属光反射模型出发,研究了入射角、反射次数对探测灵敏度的影响。论证了通过多次反射来提高传感器探测灵敏度的可行性。     

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。     

全天时星敏感器光学系统参量选择与光学设计

以10km观测高度探测4.5等星为例,分析星点在600~1100nm谱段的辐射特性,使用Modtran软件计算同谱段的天空背景辐射亮度以及大气透过率,在信噪比阈值为5的情况下,选择一组典型的光学系统参量.采用一块平面反射镜和石英球面镜系统设计了轻、小型化的光学系统,该系统在600~1 100nm宽光谱范围内全视场光斑形状接近圆形、调制传递函数接近衍射极限,色差很小,具有良好的成像质量.计算了地面环境下星敏感器的昼夜探测信噪比,以信噪比阈值5对星敏感器的探测能力评估,结果表明在白昼地面环境下可以实现2.5等G型恒星的探测,在夜间地面环境下可以实现6等G型恒星的探测.     

光电探测器对光谱仪器精度的影响

通过优化光谱探测环节来提高光谱仪器的精度是改进或研制新型光谱仪的重要途径。为此,文章基于对光电成像系统中光学传递函数的研究,建立了光谱图像经探测器积分抽样后重建的数学模型,并在此基础上分析了光电探测器积分抽样特性参数对光谱线频谱的影响,讨论了光谱线半宽度与探测器积分区间宽度、灵敏度及抽样间隔的关系,提出了准确重建光谱线,提高光谱仪器波长精度和光度精度的探测器优化原则。     

声表面波梁式加速度传感器的优化设计

为获得传感器的优化设计,对一种声表面波梁式加速度传感器敏感机理进行了研究。从声波波动方程出发,结合有限元分析以及微扰理论对加速度作用力作用下声表面波传播特性进行分析,以此构建梁式声表面波加速度传感器敏感机理的理论模型,特别分析了压电梁材料及几何结构、振子质量对传感响应的贡献以确定传感器优化的几何参数。为验证理论分析结果,实验研制了基于ST-X石英悬臂梁结构的差分振荡式声表面波加速度传感器,并利用精密振动台对所研制传感器性能进行评价。实验结果显示,在给定加速度测试范围内,采用ST-X石英梁并延长梁长度、降低梁厚度以及采用较大的阵子质量将有效的改善传感器检测灵敏度,在±2 g范围内加速度灵敏度可达27 k Hz/g,且实验结果很好的验证了理论模型。