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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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/...     

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。     

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。     

星敏感器恒星检测若干问题研究

介绍了星敏感器的基本组成及工作过程。对恒星检测所涉及的一些问题,如视场内可探测恒星平均数、星图处理、恒星像点位置确定等问题进行了研究和实际验证。     

一种改进的凸多边形星图识别算法

提出一种在不依赖于星等的凸多边形算法基础上构造的三角形算法。将像平面上的恒星依据坐标排序生成具有唯一性的凸多边形,以三角形的边角边作为识别特征,按照顶角排序后删除重复的角度和角距来拟和曲线,可以加快搜索查询匹配速度,进而识别出视场中恒星在赤道坐标系中的坐标,识别速度较快,具有较强的鲁棒性。     

基于背景自适应预测的星点提取算法

在分析星图中的星点目标和背景特性的基础上,提出了一种基于背景自适应预测的星点提取算法。为准确预测背景并兼顾算法的速度,只在背景边缘处使用区域最大值背景预测法,其余部分直接使用固定权值进行预测。分割残差星图,提取各星点的目标区域,阈值采用自适应的取值方式。利用质心算法求取各星点目标的精确位置。实验结果表明,基于背景自适应预测的星点提取算法性能优于现有的星点提取算法,是一种有效的星点提取算法,可以降低大量由于强边缘而引起的虚警,能够更准确地预测背景。     

基于Log-Polar变换的星图识别方法

基于Log-Polar变换提取特征模式,并将特征模式进行字符串编码,在KMP算法的基础上给出一种适合于星图识别的字符串匹配算法用以实现观测星和导航星的匹配识别。与栅格算法在相同实验条件下的比较表明:该方法对星点位置噪声和星等噪声具有更强的抗干扰能力,且具有更小的存储容量,但其识别速度还有待于进一步提高。     

一种非标定的快速星图识别方法

大多数现有算法在星敏感器光学系统参数标定不准确时,识别率显著降低。针对这种情况提出了一种无需标定参数的识别算法。该算法引入比例距离作为径向特征,角度作为环向特征。这两种特征不依赖焦距、主点等任何光学系统参数,仅和图像平面上的星点位置有关。识别时首先按照特征量进行初始匹配,然后利用FOV(Field of View)约束筛选待选星进行精确匹配。为了加快速度,精确匹配时引入了快速分组方法。仿真实验表明,该方法具有较快的识别速度,在没有光学系统参数的情况下,识别率可以达到97%。     

基于P向量与三角形内切圆的星图识别算法

为了减少导航星表的存储容量和提高星图识别的成功率,提出了一种将P向量与三角形内切圆相结合的快速全天自主星图识别算法.该算法在构造导航星表过程中,从天文星表中挑选出满足要求的导航星并对其编号,以构造的P向量值、导航三角形内切圆半径R及导航三角形的第三条边为特征量构造导航子星表;在识别过程中,找出一定误差门限内,满足P向量...     

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。     

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。