Optical testing of star sensor (II): Alignment of star sensor from off-line pictures taken in orbital test

Alignment error of an image sensor relative to the optical axis of a star sensor head and alignment errors between four heads were calculated from pictures taken in an orbital experiment. When comparing the image sensor alignment parameters in the orbital test and a ground test, both values matched well. By determining the relative relationship of the four heads using four pictures taken at the same moment in orbit and uploading the parameters to the star sensor system in orbit, the estimated attitude error was improved from 0.29 to 0.17°, though the accuracy was limited by the ±0.2° determination accuracy of the satellite itself. We estimated the attitude determination accuracy from separation angles between boresights of the four heads, calculated from pattern matching between downloaded pictures and a star catalogue. The estimated accuracy, in terms of potential optical performance, was 0.60 arcmin at 3σ, which is sufficient to satisfy the specification of 1 arcmin.     

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。     

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。     

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%。     

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。     

适用于星敏感器的导航星表构造算法研究

导航星表的性能对于星敏感器姿态测量的实时性及精度至关重要。为了克服星等过滤算法的缺点,将支持向量机应用于导航星表的构造算法中。将基本星表中的恒星视为待分类的数据点,选取抽样视场中最亮的k颗星作为导航星,而非导航星的数量由抽样视场中恒星的密度决定。为了获得具有最大推广能力的抽样数据,采用了一种球面螺旋形算法生成抽样视场视轴指向,使用抽样数据构建最优导航星分类器,应用最优导航星分类器对基本星表中每一颗恒星进行分类判决。仿真结果表明,在满足8°×8°视场中至少出现3颗导航星的条件下,该算法生成的导航星表导航星总数约为星等过滤算法的33%,比传统支持向量机算法减少了7.8%,其标准差仅为星等过滤算法的21%,这表明本算法在导航星表容量及导航星分布均匀性方面大大优于星等过滤算法和传统支持向量机算法。     

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。     

微型星敏感器实验室测试系统研究

微型星敏感器以其质量小、体积小、功耗小、精度高的优点在小型卫星中得到了越来越多的应用。常规的地面测试装置设备复杂,费用昂贵,调试困难。在实验室条件下设计并实现了一种简单有效的测试系统,并分析了系统参数对测试精度的影响,给出了设计原则。针对清华大学所设计的星敏感器的原理样机进行了实验测试和误差分析,结果验证了星敏感器的设计指标。实验系统能完成微型星敏感器的性能和指标评价,可用于微型星敏感器的快速原型设计。     

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。     

大型地面测量设备动态检测装置的设计

大型地面跟踪测量设备的跟踪性能、测角精度、等技术指标对顺利完成测控任务均有重要影响,因此为及时对设备能否满足指标给出准确和定量的判断,设计了适应大型跟踪测绘设备进行动态检测的动态检测装置.文章介绍了实验室条件下动态检测的基本原理,并对空间模拟光学目标的运动轨迹进行了仿真分析.以工程化的设计结果为基础,对检测装置的实际精度进行了分析与计算,最终得到了动态检测设备目标角晃动(RMS,1σ)优于5″的结论,设备的精度可以满足大型跟踪测绘设备进行实验室条件下的高精度动态检测.     

A method of autonomous orbit determination for satellite using star sensor

1 Introduction Autonomous orbit determination of satellite means that orbit determination is solely finished on board, independent of the observation of ground system. Study on autono-mous orbit determination of satellite has been very hot in the field of orbit determination currently internationally due to its significance in application. There are two common ways of autonomous orbit determination internationally. One is autonomous orbit deter-mination based on navigation system, such as on-b…     

新型敏感器有限元动力学分析

介绍了一种超大口径、长焦距、折反式光学系统的新型敏感器。为验证其结构设计的可靠性和稳定性,使用大型通用有限元软件MSC Patran建立了整机有限元分析模型,用MSC Nastran对其进行了模态分析和随机振动分析。分析结果表明,星敏感器性能稳定可靠,可对一些关键部件的设计提供理论依据。     

实现微位移测量的非本征法布里-珀罗干涉型光纤传感器

从光纤耦合和多光束干涉的原理出发,建立了非本征型法布里_珀罗干涉仪光纤传感器的理论模型,得到了用光谱法进行绝对距离测量的公式。设计出了传感器探头的结构,并搭建了系统。用LED作为宽带光源所得到的反射光谱可用于实际样品的微位移测量。实验结果表明,该传感器理论模型的数值模拟结果与实验结果是一致的。对实验数据进行了误差分析,所得到的测量精度可达到1μm。     

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。     

测量脉冲大电流的四光路光学电流传感器技术

在传统光学电流传感器技术的基础上,提出了一种四光路光学电流传感器,其通过四路输出信号可准确确定偏转角,使电流的测量范围不受正弦函数的单调性的限制,从而提高了电流的测量范围。配合四光路结构,提出了新的反正切函数数据处理方法,其不存在角度不灵敏区、可纠正原始数据的缺陷,从而提高了测量精度。实测了充电电压为4.5 kV、电容为50 μF和导线有效穿过磁光探头14次的快开快门的总短路电流,其峰值达85 kA,与理论值87 kA能较好地吻合,从而证明了四光路光学电流传感器可有效地测量脉冲大电流。     

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于/50 RMS(=632.8 nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1 m、焦距11 m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39~0.46RMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。     

温度对星敏感器光学系统像面位移的影响研究

光学系统的温度变化会使系统产生像面位移。根据镜面材料特性公式,选用铝合金作为星敏感器的镜筒,透镜组选用ψ值大的材料,并进一步通过I-DEAS软件进行了计算验证。在此基础上根据矩阵光学理论和温度的变化推导出了含有多个光学器件的星敏感器像面位移计算公式,并运用该公式对一个特定的星敏感器光学系统的像面位移进行了计算。结果发现,光学系统从一个温度均匀分布状态变到另一个温度均匀分布状态的温差越大,像面位移量的绝对值越大。同时还发现,对此星敏感器成像精度影响最大的透镜是第4块、第5块和第6块,明显地减少了在热补偿条件下的系统像面位移。     

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。     

星点图像超精度亚像元细分定位算法的研究

在CCD星敏感器中,星点图像质心定位的准确性影响星图识别的正确性,也决定了星敏感器测量的有效性。质心法是星点质心亚像元定位的传统方法,然而,它存在系统误差和随机误差。分析了误差产生的原因。在传统质心法的基础上提出了采用二元线性插值和自适应质心窗来改善信噪比,并对误差进行校正,实验证明了它比传统的质心法有更高的精度。