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。     

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。     

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。     

宽视场大相对孔径星敏感器光学系统设计

介绍了一种用于卫星姿态控制的星敏感器光学系统,该光学系统焦距为51 mm,相对孔径为1/1.1,视场角为21°×21°（圆视场2ω＝30°）,光谱范围为0.5～0.85 μm,采用了复杂化双高斯结构.与普通成像系统不同的是,该系统要求对不同光谱的恒星所采集到的点像能量中心是一致的,且星像点像的弥散圆须控制在一定的范围内.具有倍率色差小、轴上和轴外能量分布比较一致的特点.     

轻小型星敏感器光学系统的设计

介绍了星敏感器的工作原理,对光学系统的指标进行详细的分析,给出光学系统的设计结果和评价.设计得到的镜头焦距22.7 mm,相对孔径1:1.4,视场角17.1°×17.1°(圆视场角24°),而长度仅45.3 mm.由七个球面透镜组成,光阑放在第二、三透镜之间.     

大视场星敏感器畸变校正技术

由于大视场光学镜头的加工误差和光敏感器件装配误差的存在,星敏感器实际模型与理想模型存在一定的差别。未校正的非线性误差对星点角度的测量影响很大。基于单星平行光入射标定模型,得出测试点与标定点之间旋转角的数学关系。以相邻点畸变误差近似相等为前提条件,完成测试星点的旋转角的畸变校正。结果表明,统计误差由校正前的7.257个像元降低到了0.246个像元。     

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。     

折反式大视场星敏感器光学系统设计

讨论了由逆卡塞格林结构和补偿器构成的折反式星敏感器光学系统。该光学系统由一块球面反射镜、一块非球面反射镜以及由同种光学玻璃做成的两块球面透镜和一块非球面透镜组成。具有视场大、相对孔径大和易实现等优点。给出了该光学系统的设计指标和设计思想,并给出了由其初级像差公式确定初始结构参数的方法。经优化设计,得到了全视场为20°、入瞳直径为36.3mm、相对孔径为1∶1.2的光学系统。给出了它的成像质量评价。     

基于马达代数的非合作目标姿态视觉测量算法

非合作目标航天器的位姿测量一直是各类复杂航天任务中所需解决的关键难题之一。传统的姿态测量算法多采用欧拉角以及旋转矩阵的方式描述目标位姿,计算参数较多,算法形式也相对复杂。针对这个问题,通过单目视觉识别出具有矩形结构特征的目标航天器的一个矩形面,然后在马达代数框架下,根据该矩形面两条平行边所在直线方程的差值信息直接计算出目标姿态参数,最终将姿态解算问题简化为一组四元线性方程组的求解。该算法无需知道目标尺寸,计算形式简洁,实时性高,同时也能很好地保证结果的正交性。数值仿真以及地面验证实验结果表明,该算法具有较强的稳定性,测量精度能够满足测控要求,在交会近距离范围内受两航天器间相对距离的影响较小。     

基于QUEST定量检测^1H MRS大脑代谢物的研究

利用jMRUI时域分析软件模拟先验知识基础集定量检测1H MRS大脑代谢物.通过模拟短TE=28 ms的1H MRS的多种代谢物基础集,经HLSVD奇异值分解滤除残余水峰,将先验知识应用在QUEST算法上对1H MRS大脑代谢物信号进行定量估计.结果显示,基于QUEST能有效获得1H MRS大脑代谢物的估计浓度.表明引用先验知识基础集进行1H MRS定量分析可克服短TE时谱线复杂和波峰重叠峰等问题,极大地提取代谢物的信息.     

基于粗测位置和方位的三视场快速星图识别方法

为了在已知粗略方位角和地理位置时实现三视场天文定位定向设备的快速测量,给出了一种三视场定位定向设备的快速局部星图识别方法。分析了三视场定位定向设备使用全天球识别数据库执行三角形识别时识别效率低的原因;指出了应先进行视场内识别,后进行视场间识别以提高效率,并给出星图识别时角距误差门限的选取范围;给出了一种基于粗略位置和方位快速生成局部识别数据库的方法,它可以减少识别信息的冗余,实现高效的星图识别。仿真实验和野外实验结果表明：使用此局部识别方法正确识别率可达99.19%,识别速度为24.3 ms,基本满足三视场天文定位定向设备快速高效测量的要求。验证了局部星图识别方法的效率,以及采用先视场内识别后进行视场间识别方式的正确性。     

Research on improved reconstruction algorithms of optical tomography based on incomplete data

For reconstructing based on incomplete projection data, an improved max-entropy reconstruction algorithm is presented in this paper. Both least-square and max-entropy are used in this algorithm, and the penalize-function method is used in iterative processing. The numerical simulation of three different tested fields has been done. Compared with conventional three-dimensional reconstruction algorithms, this novel algorithm has a higher reconstruction precision as well as a better astringency, particularly in the case of easy tested field. For the reconstruction of asymmetric complicated tested field, it also has a good result if suitable projective direction and iterative times can be choosen. Finally, the application of this novel algorithm to diagnose the temperature field of arc plasma is presented.     

基于双朗奇光栅的焦距测量技术研究

随着中长焦距光学元件在光学遥感、高功率激光器和天文望远镜等系统中的广泛应用,对这类光学元件焦距的高精度测量提出要求。在双光栅干涉焦距测量技术的基础上,提出了一种新的改进算法。该算法通过Moiré条纹倾斜角度与待测元件焦距之间的函数关系得到焦距计算公式,并利用入射平面波时Moiré条纹的理想状态优化了该计算公式,解决了Moiré条纹倾角基准线的确定问题,提高了Moiré条纹角度求解精度。采用2块周期为20 μm的朗奇光栅搭建了长焦距测量装置。实验测得的透镜焦距为36.690 m,测量重复精度达0.382‰。     

基于PSD的风洞模型姿态角光学测量技术研究

开发了一种基于光电探测技术的风洞模型姿态角光学测量技术,实现了对姿态角的精确、实时、非接触测量。对激光探测头、模拟试验平台进行了优化设计,编写了功能齐全的实验软件,模拟了风洞试验运行实况,深入开展了一维和二维角度测量实验和分辨率测试实验。实验结果表明,该技术可对模型变化角度进行实时精确测量,测量范围达到了-10°～10°,测量精密度为0.0023°,测量准确度为0.0026°,分辨率可达到0.001°。该光学测量技术在风洞模型的角度测量和振动测量实验中切实可行,为测量风洞试验模型的姿态及振动提供了一种简洁有效的测量方法。     

基于单频2D-Gabor滤波器的虹膜识别算法研究

针对2D-Gabor滤波器设计的问题,提出了一种单频2D-Gabor滤波器设计方法。该方法在详细分析了2D-Gabor滤波器中各个参数意义的基础上,通过二分法的思想确定适合虹膜纹理的单一频率ω,再根据其它参数与其关系确定出各个参数取值,从而获得单一频率下的2D-Gabor滤波器。实验结果表明使用设计的单频2D-Gabor滤波器对虹膜图像进行特征提取可以使虹膜识别的识别率达到98.61%以上。使用单频2D-Gabor滤波器不仅可以提高特征提取速度,降低存储空间,同时也利于硬件实现。     

基于光学图像的目标姿态判读处理

 采用摄像测量方法获取目标的飞行姿态是目前靶场主要测量手段之一。目标姿态可以用目标轴线在空间的方位来描述,即姿态的判读处理就是要提取线的空间位置。在进行图像判读处理时除采用传统的基于点的判读处理手段外,还应根据不同的目标类型采用不同的判读处理方法,文中给出了基于首尾两点的判读处理、基于线的判读处理和基于模型的三种判读处理方法,有效解决了不同类型目标的判读处理问题。     

基于双面阵CCD的动态目标振动测试研究

针对动态目标的多自由度振动测试问题,建立了基于双面阵CCD交汇测量技术的动态目标振动测试系统。通过两台相机拍摄目标靶振动图像,对所得图像进行图像处理后提取目标点像素位置信息,根据目标点像素始末位置变化解算出目标靶X、Y、Z三个维度的位移变化量。实验结果表明,测量精度约为0.1mm。测量系统具有结构紧凑、测量精度高、适用性强等特点。     

基于QUEST定量检测1H MRS大脑代谢物的研究

利用jMRUI时域分析软件模拟先验知识基础集定量检测¹H MRS大脑代谢物. 通过模拟短TE=28 ms的¹H MRS的多种代谢物基础集,经HLSVD奇异值分解滤除残余水峰,将先验知识应用在QUEST算法上对¹H MRS大脑代谢物信号进行定量估计. 结果显示, 基于QUEST能有效获得¹H MRS大脑代谢物的估计浓度. 表明引用先验知识基础集进行¹H MRS定量分析可克服短TE时谱线复杂和波峰重叠峰等问题,极大地提取代谢物的信息.