一种适用于星敏感器的大角速度下星跟踪算法

传统的星敏感器预报方法是利用当前四元数和陀螺输出角速度来预测下帧姿态四元数,再通过预测的四元数计算视场内恒星的理想星像坐标,最后在这些理想坐标为中心的范围内来获取实际的星像坐标。但是,由于陀螺漂移的存在,随着时间的增加,预测的理想坐标与实际坐标偏差越来越大,获取实际星像坐标扫描的区域越来越大,星敏感器的数据更新率也随之降低。为此,本文提出了一种适用于星敏感器的大角速度下星跟踪算法。首先根据连续两帧的姿态偏差计算星敏感器的角速度,利用角速度来计算星敏感器当前时刻与最近上一帧的姿态偏差。然后以该姿态偏差来预报当前时刻的星敏感器姿态输出,这样不仅提高了数据更新率,而且满足飞行器在大角速度机动时单纯采用星敏感器进行姿态测控的要求。最后,采用2010年外场试验实际观星数据对该算法进行了仿真验证。     

一种星敏感器杂散光规避方法

星敏感器应用于弹道导弹、卫星等近地空间的航天器上时易受到太阳光和月亮光等杂散光的干扰,使星图的信噪比大大降低,甚至淹没星点。针对上述问题,提出了一种星敏感器杂散光规避方法。首先,以地心赤道惯性坐标系为参考坐标系,分析给出了太阳光、月亮光和地气光这三种主要的杂散光进入星敏感器视场的条件;然后,推导了能够同时规避三种杂散光的星敏感器光轴参考指向;最后,梳理提出了一种快速有效的星敏感器杂散光规避方法。利用STK软件进行仿真实验的结果表明,在卫星运行期间,根据所提方法给出的星敏感器光轴指向规避太阳光、月亮光和地气光的成功率为100%,所提方法的有效性得到了验证。     

多探头星敏感器星图融合姿态确定精度

针对多探头星敏感器星图融合姿态确定精度问题做了研究。首先提出多探头星敏感器星图融合方法;其次在此基础上以三个探头为例,推导了三探头星敏感器星图融合姿态确定误差协方差矩阵公式;然后利用协方差椭球对该协方差矩阵的性质做了详细分析,明确了探头间构型、星图融合参考系选择以及各探头星点选取等因素对星图融合姿态确定精度的影响关系;仿真结果表明,最优构型的多探头星敏感器通过星图融合可输出同精度的三轴姿态,并且光轴精度较单探头星敏感器提升了30%。研究成果对多探头星敏感器的工程研制具有理论指导意义。     

星三角形识别中的选星策略及实现

构造观测星三角形时,若其中某星像不能与星表存储的导航星对应,则该三角形无法正确匹配。为避免该星像被用于构造其它星三角形影响识别速度,讨论了此时星三角形的选星策略问题。提出了一种同时考虑选星子集相似性与子集中星像亮度两个条件的选星策略,给出了基于相似性排序和权值渐消的实现算法,得到了相邻星三角形选星子集差别最大的结果子集序列。仿真比较了6个星像(内含4颗导航星)时,采用该序列选星与采用参考序列选星,完成正确星图识别所需的最大选择次数,结果表明两者最大相差6,平均相差1。设定不同星像个数和导航星个数时两序列相差结果,平均约为1。说明该子集序列对提高星图识别速度是有价值的。     

火箭上面级星敏感器/陀螺组合定姿实时仿真系统

针对运载火箭上面级惯性导航设备提供的姿态信息随时间累积而误差逐渐增大的问题,提出了基于扩展卡尔曼滤波的星敏感器/陀螺组合姿态确定算法,并为加快工程样机研制设计了基于Matlab/dSPACE平台的实时仿真系统。基于地心第二轨道坐标系和上面级体坐标系,给出了姿态角定义,推导了姿态转换矩阵。通过分析组合定姿方案和姿态状态估计方法,设计了基于误差四元数的滤波器;为减少算法的计算量,采用了离线计算次优增益矩阵的方法。进行了星敏感器在回路中的半实物仿真。仿真结果表明组合定姿精度优于50″,且能够准确估计陀螺常值漂移。该算法精度高,速度快,实时仿真系统具有很好的参考和应用价值。     

卫星三轴姿态确定系统的光纤陀螺/星敏感器组合技术研究

为了满足卫星三轴姿态确定的精度要求，提出了基于状态估计法的星敏感器和光纤陀螺组合的方案，并设计了相应姿态确定算法。通过仿真证明：此方案能达到高精度卫星姿态确定系统的要求。     

一种基于快速反射镜的星敏感器图像稳定系统（英文）

在机载星敏感器工作过程中,大气抖动和载体晃动将会导致星图模糊产生拖尾,影响测量精度,降低观测效率。基于快速反射镜的星敏感器图像稳定系统通过补偿图像位移保持光路的稳定性。首先利用改进的质心提取算法对星敏感器获取的星图进行开窗搜索,然后在窗口内计算星点质心坐标,以获得星点相对于图像中心的脱靶量。控制系统根据脱靶量驱动音圈电机,带动快速倾斜镜反向位移,补偿外界运动,将星点控制在图像中心,以达到稳定图像的目的。研究结果表明,当系统的校正频率为100Hz,曝光时间为8ms时,图像晃动的幅度可减小约3个像素。载体运动对成像的影响基本消除,同时大气抖动导致的图像抖动也被大大改善,系统的观测效率得以显著提升。     

在飞航导弹中用星敏感器修正捷联惯导陀螺漂移

星敏感器是一种高精度的姿态测量装置。研究了星敏感器和陀螺的特点,对星敏感器工作原理和修正陀螺漂移技术进行了原理分析。在不利用外界提供的姿态和位置信息的情况下,采用卡尔曼滤波的信息融合算法,建立组合导航系统的状态方程和量测方程,利用星敏感器输出的载体相对于惯性空间的姿态信息来修正捷联惯导的陀螺漂移。设计飞航导弹的典型飞行轨迹,通过数学仿真,对上述算法的有效性进行了验证,结果表明星敏感器能够有效地补偿捷联惯导由于陀螺漂移带来的误差,明显提高了导航定位精度。     

基于公共星检验的改进球面多边形搜索星图识别算法

为了实现多视场星敏感器的快速星图识别,针对球面多边形搜索星图识别算法面临单个星对角距匹配无法实现观测星与导航星一一对应造成计算量增加问题,提出了基于公共星检验的改进球面多边形搜索星图识别算法。使用三颗观测星形成的其中两个星对进行角距匹配,并基于两观测星对的公共星连接条件,实现了角距匹配中错误星对结果的剔除,以及匹配星对中观测星与导航星的一一对应,减少了算法计算量;同时,在验证匹配星对时另选三颗观测星之外的一颗观测星,间接实现了四星模式验证,提高了改进算法的识别率。仿真结果表明,改进算法的识别速度和识别率要明显高于原算法,且在星像位置误差为0.1⁰.5像素时,改进算法的平均识别时间约为原算法的1/10。     

时间相关噪声条件下的捷联惯导/星敏感器组合导航方法

针对星敏感器测量信息含有时间相关测量噪声和振动环境下惯性传感器带来的时间相关系统噪声问题,在不增加滤波维数的基础上,提出了一种基于改进卡尔曼滤波的捷联惯导/星敏感器组合导航方法。分析了时间相关噪声对状态估计的影响,构建了基于时间相关噪声模型下的状态方程和量测方程,详细推导了改进卡尔曼滤波方程,给出了组合导航方法。利用仿真对所提方法进行了验证,仿真结果表明,组合导航方法取得了400 m/1200 s的导航精度;在时间相关噪声条件下,与标准卡尔曼滤波相比,基于改进卡尔曼滤波的组合导航方法定位精度提高了50 m,是有效可行的。     

舰船导航用星体自动识别技术研究

导航星星库的容量、存储内容是影响星图识别时间和识别率的关键因素。引入了动态星等阈值分布函数，将传统星等阈值过滤算法中的静态阈值用动态星等阈值代替，建立了一种新的动态星等阈值过滤选择模式。实验表明，用该算法所选取的导航星数量少，分布均匀性好，具有很强的通用性。在此基础上给出了基于主星的导航三角形星图构造方法，提高了星图识别敢率；提出了一种基于证据理论星图识别方法，可以解决传统三角形算法的冗余匹配问题，提高了星图识别的准确性。     

Pattern Recognition and Synchronization in Pulse-Coupled Neural Networks

This paper establishes and studies equations of a network that is composed of neurons with their dendrites and axons. The pulse generation in the axon is described by means of phase oscillators, whereas the dendritic currents are described by linear damping equations with source terms as which the incoming pulses act. The equations take into account delays and noise. In the case of phase-locking the equations have been solved previously by the author. The main objective of the present paper is to study in how far these equations may serve for pattern recognition. It is shown that either a random phase approximation for the stored patterns or a triple interaction term suffice to treat pattern recognition. It is pointed out how then recognized patterns can be either encoded as completed prototype patterns or as phase-locked states. It is suggested that to understand pattern recognition it is not only necessary to consider the whole network instead of “grandmother” cells but equally well the whole intermediate steps.     

An acceleration for the eigensystem realization algorithm with partial singular values decomposition

The real-time identification of dynamic parameters is important for the control system of spacecraft. The eigensystem realization algorithm (ERA) is currently the typical method for such application. In order to identify the dynamic parameter of spacecraft rapidly and accurately, an accelerated ERA with a partial singular values decomposition (PSVD) algorithm is presented. In the PSVD, the Hankel matrix is reduced to dual diagonal form first, and then transformed into a tridiagonal matrix. The eigenvalues are computed by the bisection method in terms of the Sturm property, and the corresponding eigenvectors are obtained by the inverse iteration method. Finally, the eigenvalues and the eigenvectors are transformed into the singular values and the singular value vectors of the original matrix. An example for space station is presented to demonstrate the efficacy and accuracy of the proposed algorithm.     

Unsupervised neural network model optimized with evolutionary computations for solving variants of nonlinear MHD Jeffery-Hamel problem

A heuristic technique is developed for a nonlinear magnetohydrodynamics(MHD) Jeffery-Hamel problem with the help of the feed-forward artificial neural network(ANN) optimized with the genetic algorithm(GA) and the sequential quadratic programming(SQP) method. The two-dimensional(2D) MHD Jeffery-Hamel problem is transformed into a higher order boundary value problem(BVP) of ordinary differential equations(ODEs). The mathematical model of the transformed BVP is formulated with the ANN in an unsupervised manner. The training of the weights of the ANN is carried out with the evolutionary calculation based on the GA hybridized with the SQP method for the rapid local convergence. The proposed scheme is evaluated on the variants of the Jeffery-Hamel flow by varying the Reynold number, the Hartmann number, and the angles of the walls. A large number of simulations are performed with an extensive analysis to validate the accuracy, convergence, and effectiveness of the scheme. The comparison of the standard numerical solution and the analytic solution establishes the correctness of the proposed designed methodologies.