星敏感器CMOS电路板靶面自动装调系统

CMOS电路板靶面是星敏感器结构中的关键部分,其安装姿态影响离焦距离的准确性,进而影响星敏感器成像性能。因此,靶面的装调是确保星敏感器成像质量的重要环节。当前,靶面装调主要依靠人工装调完成,存在装调精度低、产品一致性差、周期长等问题,导致产品的良品率较低。为此,研制了一台星敏感器CMOS电路板靶面自动装调设备。采取非接触式测量方式,集成测量模组与微动平台完成CMOS靶面与基准面的相对位姿测量,解决由星敏感器特殊结构造成的狭小空间内高精度测量难题。设计调整机构实现零件任意角度翻转,消除测量方向与装配方向不一致造成系统结构布置复杂的影响。最后,对测量系统进行精度分析,采用局部枚举法开发了调整垫片研磨量算法,解决由平面姿态单一已知量反求多垫片研磨量的欠定问题。实验结果表明:该系统可实现靶面自动装调功能,测量系统的重复性为1.6′,满足技术指标要求。

一种基于虚拟星敏感器的卫星姿态确定方法

对于配置多个星敏感器的卫星,采用常规的定常增益卡尔曼滤波方法进行姿态确定时,存在滤波定常增益矩阵众多、系统复杂的问题,为了简化滤波系统设计,统一定常增益矩阵,提出一种基于虚拟星敏感器的姿态确定方法.给出一种计算量小、适合星载计算机在轨实时计算的星敏感器时间滞后补偿及相对基准标定算法,将星敏感器的输出数据统一到当前星时,同时将星敏感器的测量基准统一.基于单星敏/双星敏的输出数据构造虚拟星敏感器(安装矩阵为单位阵)的输出数据,设计统一的定常增益矩阵进行姿态确定.仿真结果表明,本方法与常规的定常增益卡尔曼滤波方法姿态确定精度相当,从而验证该方法有效,且具有重要的工程应用价值.

临近空间星敏感器观星能力研究

临近空间飞行器对星敏感器需求日益增加,与空间应用环境相比,临近空间包含大气消光、天空背景光、高速、高温和高动态等影响星敏感器观星能力的新环境.对影响临近空间星敏感器观星能力的因素进行逐级分解,得出视场、灵敏度、星点信噪比和图像处理算法等因素对观星能力的影响机理,并针对信噪比与环境因素和设计因素的关系进行量化分析,在此基础上提出临近空间星敏感器整机参数设计方法.针对特定需求开展原理样机的设计与试验验证,试验数据验证了原理样机能够满足应用需求.

近地轨道高精度一体式星敏感器热设计及仿真验证

某型高精度一体式星敏感器指向精度高,对温度变化非常敏感。其所处近地轨道外热流复杂多变,一体式结构和内热源集中的综合因素不仅导致散热设计困难,而且镜头直接受到内热源发热影响难以保障指向精度。首先,结合轨道参数,安装布局获得星敏感器平均吸收外热流。然后,通过分析外热流与内热源工作情况,采用被动热控和主动热控相结合的热设计方法,并对星敏感器散热面的位置与大小进行设计与计算。最后,根据轨道环境和热控措施并利用热仿真软件进行热分析验证。仿真结果表明,安装法兰温度为19.82℃~20.10℃,镜头轴向温差小于2.23℃,周向温差小于0.48℃,电路盒温度为19.10℃~23.49℃,满足热控指标。通过合理的热控设计保证了极高精度星敏感器的稳定工作条件,星敏感器的热设计合理有效。

折/衍混合光学系统在纳型星敏感器中的应用

微纳卫星是一种新兴的微小卫星,与之适配的纳型星敏感器的光学系统应在小型化的同时实现大相对孔径、高成像质量。针对这一需求,由星敏感器的系统设计精度和探测星等分配了光学系统设计参数及指标,设计了一种全视场17°、焦距25 mm、相对孔径1∶1.086、光学系统总长36.4 mm的七片式折衍混合结构的星敏感器光学系统。根据衍射元件的负色散特性,用折衍混合透镜代替常规材料正负透镜组合的方式减少了镜片数量,缩短了光学系统长度,并提高了光学系统的成像质量,使点扩散函数趋于正态分布,有利于质心提取精度的提高。所设计的光学系统在3×3像元内的能量集中度超过90%;最大畸变仅0.013%;全视场垂轴色差小于0.6μm。通过标量衍射理论计算衍射元件在520~780 nm内衍射效率可以达80%以上,通过杂散光分析软件ASAP对系统进行了视场内鬼像分析,系统在多级衍射时探测目标成像光斑路径下的光通量与最亮鬼像光斑路径下的光通量之比大于3.17×10^(4),验证了在极限星等为6.5时满足信噪比大于8.1的结论。最后对所设计的系统进行了公差分析,结果表明加工后该光学系统可满足微纳卫星对星敏感器的使用要求。

星敏感器热稳定性地面验证技术

受空间复杂热环境影响,星敏感器姿态测量结果存在轨道周期的光轴热漂移低频误差,因此需对星敏感器进行热设计并进行热稳定性试验验证。文章提出星敏感器热稳定性试验总体方案,并建立热稳定性试验系统;依据航天器真空热环境试验规范,提出星敏感器热稳定性试验判据与条件;针对试验系统误差提出控制方法并针对某型星敏感器开展热稳定性试验,结果表明星敏感器光轴热漂移量为0.114(″)/℃,满足设计指标要求。试验验证了该星敏感器热设计的有效性。

色差对星敏感器成像模型参数影响分析与补偿

星敏感器在投入使用之前需要对其进行标定以获取准确的成像模型参数值来保证姿态测量精度。现有标定方法采用单一谱段光源模拟恒星成像未考虑恒星光谱特性,色差导致标定的模型参数值和真实值存在差异。为提高模型参数准确度,首先建立了光谱差异下星敏感器恒星成像模型,进一步分析了色差对不同光谱型恒星成像模型参数的影响。在此基础上,提出采用三个典型谱段模拟恒星成像,利用三谱段成像位置信息来推算不同光谱型恒星在星敏感器工作谱段范围内成像位置,以实现对任意光谱型恒星成像模型参数的补偿。实验结果表明:相对于现有利用单一谱段标定参数测量的星角距,该补偿方法测量的星角距均方根误差降低了40.81%,有效减小了色差对星矢量测量的影响。

神舟飞船高精度星敏感器设计概述及在轨验证

给出了中国神舟系列飞船所采用的高精度星敏感器的设计方案和在轨验证结果。在镜头设计方面,采用了光阑前置结构型式,满足小型化和长寿命应用需求;在整机结构设计方面,采用了“框架组合环绕式”一体化结构,注重轻量化与稳定性;在电路设计方面,采用了抗辐照加固的APS图像传感器、处理器和ASIC,确保全寿命周期内高灵敏度探测与高可靠信息处理;在算法方面,采用了聚类提取、快速三角形识别、卷帘补偿以及曝光时间动态调整等算法,实现精度、更新率、动态和捕获等关键性能指标;此外,对整机热稳定性进行了改进,确保星敏感器性能可以良好保持。该星敏感器已成功应用于载人航天、探月及北斗三号等一系列重大工程,在轨应用数量达到200余台。

顾及温度效应改正的多星敏感器角速度重建方法

高精度卫星姿态控制是卫星重力数据预处理的重要环节。地球重力场和海洋环流探测(GOCE)卫星搭载的关键荷载星敏感器在低轨运行状态中,不可避免地受到空间环境的温度变化影响,导致星敏感器视轴夹角(IBA)存在2″~14″偏移,直接影响卫星姿态的精度。定量分析温度效应对卫星姿态的影响,精确测定卫星角速度,是卫星数据预处理流程中的重要环节,直接影响高精度重力梯度分量构建的精度。本文基于GOCE卫星任务的特性,构建了一种多星敏感器联合姿态四元数的温度效应改正方法,包括星敏感器之间的相对姿态偏移量构建为温度相关线性函数,结合星敏感器各轴的精度差异建立加权矩阵,依据最小二乘原理得到最优姿态四元数重建角速度。同时,在原始姿态数据的解算中,构建一种对数四元数Hermite超曲面内插方法进行数据优化处理。研究结果表明,改正后的星敏感器姿态四元数计算出的IBA与参考框架信息对比无明显偏移。且经过温度效应改正后,星敏感器各轴角速度噪声水平大幅下降了约两个量级,精度达到10^(-10 )rad·s^(-1),显著提高了角速度重建的精度,各轴角速度精度保持良好一致性。基于本文方法计算得到的重力梯度迹的功率谱密度,在整个频域内有较为明显的改善。

大口径热不敏星敏感器光机设计与分析

为满足大口径长焦距星敏感器的需求,对一种大口径热不敏星敏感器进行光机设计,根据指标要求,对热不敏系统进行光机热集成分析。使用MSC.Patran软件对主次镜结构施加温度载荷,计算出主次镜结构的热弹性变形,先利用MSC.Nastran软件计算热变形后节点的刚体位移,再利用Sigft光机接口软件分析得到变形后主次镜表面的Zernike多项式系数。将结果导入Zemax中,预判镜片面型变化以及刚体位移对弥散斑、光轴漂移量及波像差的影响。最后通过在20℃±5℃的温度范围内装调测试验证了系统性能满足指标要求以及光机热集成分析的准确性,提供了一套准确快捷的光机热集成分析流程。

针对不同海拔白昼星光探测的星敏感器光学参数优化

极限探测星等、视场内导航星数量及光学系统的尺寸和质量等是全天时星敏感器光学探测系统的重要指标,而各项性能指标的提升往往是存在矛盾制约的,进而导致光学系统的参数设计缺乏明确的优化目标。为提高白昼星光探测系统的综合性能,文中对光学系统参数优化进行了深入研究。首先,根据短波红外探测器的响应特性建立了基于图像灰度信息的信噪比模型,在此基础上,针对星体跟踪和星图匹配两种不同的导航模式,提出了星敏感器光学系统参数优化方案。仿真采用Sofradir的InGaAs传感器参数作为典型值,分别对海平面星体跟踪模式和高海拔星图匹配模式进行光学系统参数设计,得到白昼星光探测的最优口径、焦距和截止波长,同时确定了相应的全天时星敏感器星体跟踪/星图匹配导航模式转换的临界海拔。研制的原理样机口径60 mm、焦距515 mm、截止波长1.48μm,利用样机在地面开展了白昼观星实验,对提出的光学系统参数优化理论进行了验证,同时说明了该系统在近地面具备白昼星光探测能力。

CM-1卫星星敏感器在轨测量精度初步评价

星敏感器是目前主流的高精度姿态测量仪器,在轨运行期间星敏感器会产生系统误差、高频误差和低频误差。文章进行了陆地生态系统碳监测卫星(CM-1卫星)星敏感器系统误差与高频误差的计算,分析了星敏1a与1b的光轴夹角误差与卫星星下点纬度的变化规律,基于傅里叶变换对光轴夹角低频误差进行建模,并以此来反映两星敏感器的低频误差。在轨数据表明,星敏1a旋转至星敏1b以及星敏1a旋转至2的系统误差分别为(6.906′,-12.569′,-1.552′)和(-4.540′,-27.199′,13.522′)。星敏数据中精度最高的是星敏1a/1b融合数据,三轴误差分别为0.505″、0.633″和0.800″。同组的星敏1a和1b精度类似,星敏1a三轴误差分别为0.990″、0.981″和16.731″,星敏2a三轴误差分别为0.888″、1.022″和15.156″。星敏2精度稍差,三轴误差分别为2.061″、2.382″和27.231″;星敏1a与1b光轴夹角误差(3σ)为2.50″,光轴夹角低频和高频误差分别为2.046″和1.470″。在相邻轨道星下点纬度相同时光轴夹角误差基本相同。

多光谱星敏感器的辐射定标与光谱反演

为实现星敏感器对未知空间光环境的测量,提出一种将宽谱段多光谱滤光片装置于星敏感器中的设计,所采集的星图可覆盖星点信息与空间光环境光谱信息,并以此为基础设计了光谱响应定标、辐射定标的实验方案与空间光环境辐亮度分布反演算法。实验结果表明,反演的光环境辐亮度与实测值较为符合,该方法能根据单张星图实时便捷地估算星敏感器应用空间的光环境,可为后续星敏感器的设计优化和观星窗口的选择提供依据。

一种星敏感器星光折射角故障检测算法

针对空天飞行器星光折射导航系统中大视场星敏感器的天文观测信息易受外界环境、光电信号等影响而导致星光折射导航性能下降的问题,提出了一种星敏感器星光折射角故障检测算法。建立了基于惯性导航辅助的星光折射角误差模型,结合星敏感器测量噪声特性设计了值域合理性检测、趋势合理性检测、跳变检测等算法,并对星光折射角测量信息中野值和跳变等故障进行了检测。通过实际观测数据的试验验证结果表明,该方法有效解决了星光折射导航系统中星光折射角的故障检测问题,为双视场星光折射导航系统的工程化实现奠定了基础。

星敏感器随机振动抑制方法设计与验证

针对商业小卫星星敏支架轻量化和小型化约束下常见的随机振动响应过大的问题,本文提出一种抑制随机振动响应的隔振器设计方法。根据某型号卫星的构型、布局设计和星敏局部安装方式,采用有限元方法对振动响应进行分析,分析认为无隔振设计时的星敏局部随机振动响应过大。根据随机振动响应的幅频特性,结合卫星安装空间与安装接口,提出一种基于橡胶隔振器的振动抑制方法,并通过幅频法分析其有效性。整星振动试验表明:隔振器能够抑制约80%的随机振动响应均方根值,并且正弦振动放大后的量级仍能满足星敏感器力学要求,振动前后的星敏感器最大指向偏差约为0.02167°。目前该型号卫星已成功在轨应用,星敏感器在轨工作正常,验证了本文提出的基于橡胶隔振器的振动抑制方法的有效性,能够为其他型号航天器的工程实践提供技术参考。

基于深度神经网络的星敏感器成像在轨校正方法

由于卫星在轨时受空间恶劣环境干扰,星敏感器相机在轨输出的图像相对于地面标定时产生畸变,制约其姿态测量的精度,且受在轨运行条件的限制难以进行实时有效的图像校正,造成星敏感器精度受限。针对以上问题,文章提出一种可用于在轨校正星敏感器畸变的方法,通过构建星点畸变坐标与星库理论坐标的映射数据集来训练神经网络模型,拟合星敏感器成像的非线性畸变,实现高精度图像畸变校正。为了验证该方法的图像畸变校正能力,文章进行了模拟星图仿真试验,试验结果显示,星点测量坐标与理论坐标平均误差在校正后从0.7237像素降至0.0586像素。该结果表明文中所提出的校正方法可以使星敏感器解算精度得以显著提升,且具备在轨学习能力,可扩展应用到其他星上载荷的图像校正。

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。

基于星敏感器测试图像的噪声分析及仿真

由于真实的星敏感器图像不易获取,仿真的星敏感器图像是测试的主要方式。仿真星敏感器图像对于噪声的添加大多采用高斯白噪声,缺乏对噪声水平的估算,与真实的星敏感器成像噪声有很大差别,使得星点定位,目标识别算法缺乏验证基础。为了模拟星敏感器的真实成像噪声,对星敏感器成像的噪声来源进行了全面分析,并以真实拍摄的星敏感器测试图像为基础,提供了相机参数的计算方法,同时对读出噪声和暗电流噪声的水平进行了测量,并给出了读出噪声、暗电流噪声、散粒噪声、热像素、宇宙线噪声和杂散光的仿真方法,利用实拍星敏感器测试图像的数据进行了仿真。结果表明,通过仿真的星敏感器图像噪声可以较好的还原星敏感器的真实成像,可为后续噪声滤波、星点定位、目标识别算法提供验证和测试。

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。

星敏感器技术研究现状及发展趋势

对国外星敏感器的研究现状和发展过程进行了综合分析,汇总比较了多种星敏感器的性能参数,特别介绍了CMOS APS器件的应用优势和APS星敏感器的发展现状。最后对星敏感器的发展趋势进行了简要阐述,认为星敏感器作为一种精确姿态测量装置,将在更多领域得到广泛应用。