高精度星相机视轴漂移修正及在轨评价

高精度星相机是实现立体测绘卫星定姿精度的核心仪器,其视轴漂移误差是影响姿态确定精度的重要因素。为了实现在轨实时测量星相机视轴变化情况,文章提出了一种基于光学自准直原理构建测量光路,通过监视基准光斑位置变化得到星相机视轴在轨实时变化量的方法,并利用星相机视轴漂移量实时修正在轨实时测量的姿态四元数,最后对星相机之间夹角变化情况进行了试验验证。试验结果表明:采用本算法修正后星相机之间的夹角长期低频误差得到有效去除,有利于降低地面处理系统标校的频率和次数;在单条航线内星相机之间的夹角最大误差为0.74″(3σ),且受视轴漂移修正算法的影响极小;通过进一步计算得到的单台星相机总误差为0.50″(3σ),低频误差为0.30″(3σ),噪声等效角为0.48″(3σ),通过以上数据可以说明星相机具有良好的精度。文章研究的处理方法可以为立体测绘卫星地面数据处理提供参考。

事件星敏感器自适应积分时间曲面算法

针对传统星敏感器在高动态环境下恒星成像模糊而造成的姿态跟踪失效的问题,提出了一种事件星敏感器自适应积分时间曲面算法,以获得高动态环境下清晰的星点成像。首先,基于事件流噪声特性,构建时空滤波器去除噪声。其次,设计了基于椭圆函数特征参数拟合方法,对虚拟帧内星点进行特征拟合,根据星点的几何形状特征进行积分时间的在线调节。最后,设计了多种动态环境实验。实验结果表明,所提算法可以构建出清晰的星点图像,在高动态环境下消除星点运动模糊。在角速度20°/s、线速度400 mm/s高动态环境下,与常用事件流积分方法相比,星对角距误差分别降低了77.9%和70.7%。

电子倍增CCD星相机的设计

针对导航领域对星相机的性能要求,通过在星相机中应用新型的电子倍增CCD(EMCCD),设计一种探测能力强、数据更新快的成像系统。说明了EMCCD工作原理,分析了EMCCD信噪比,介绍了基于TC285电子倍增CCD的星相机的设计方案,给出了CCD驱动电路、视频信号处理电路以及时序控制器的设计。用模拟拍星实验和实际拍星实验验证了所设计的相机的性能,同时对相机的应用进行了初步分析。通过分析实验图像的信噪比说明了设计的星相机具备在积分时间8ms以内探测6等星的能力,且其图像数据更新频率可达10frame/s,满足用短积分时间进行快速星光成像的要求。

科学级CCD相机在星敏感器中的设计与应用

星敏感器通过探测天球上不同位置的恒星来确定航天器的姿态。星相机是星敏感器的成像系统。虽然近年来CMOS成像技术快速发展,但在科学级成像领域,特别是星敏感器应用中,CCD技术较成熟。本文的研究目的是研究一种探测能力强、数据更新快的用于星敏感器的成像系统。文中主要研究了基于TH7888A科学级CCD传感器的星相机的设计和应用,说明了CCD工作原理,详细分析了该种CCD传感器的星等探测灵敏度,论述了CCD星相机的设计方案。并用成像实验、动态范围测试、星等探测能力实验等实验验证了所设计的相机的性能。设计的星相机可以用给定的小型光学系统在60 ms以内的积分时间探测6等星,相机可达到10帧/秒的图像数据更新频率,满足短积分时间进行快速星光成像的要求。

亚角秒级星相机的精度测定

星相机的指向精度是评价星相机性能的最重要的指标。提出了针对亚角秒级星相机的实验室精度测定方法。基于静态多星靶标和平行光管完成了瞬态误差(Temporal Error,TE)的测量,并考虑了星相机实际使用时的信号水平;采用Stewart平台进行微距调整,通过帧间差分处理获取同名星点间的坐标差,经统计分析可以得到高频误差HSFE,优点是避免了规划特殊路径;通过使用不同谱段的滤光片,等效计算得到色差导致的低频误差LSFE;此外,还给出了星相机畸变标定导致的低频误差和星点靶标标记误差导致的低频误差。试验结果与设计值一致,验证了上述方法的有效性。

一种模拟CCD星图的方法

星识别算法在空间飞行器自主姿态确定系统中是不可缺少的。同时将ＣＣＤ所拍摄的星图作为算法的输入，无论是软件调试还是地面试验，抑或是对各种算法的评估，也是必不可缺少的。介绍一种利用计算机模拟ＣＣＤ拍摄的星空图片的方法，它包括提取观测星，将观测星进行位置坐标和灰度的转换，并按照ＣＣＤ相机的参数进行归一化等步骤，获得模拟的星图。经过与识别算法结合使用，证明了该方法是可行的。

利用GPS非差观测值的GRACE卫星精密定轨

参照GPS精密单点定位(PPP,Precise Point Positioning)模型设计了一种新的卫星定轨方法-组合星载加速度计测量数据和IGS提供的GPS精密星历及精密钟差数据进行低轨卫星的精密定轨。利用星载加速度计提高卫星受力模型准确性,使动力法定轨精度和可靠性都得到提升。同时,采用多种改正技术提高GPS非差观测值测量精度,保证最终高精度卫星定轨。本文建立了卫星定轨的轨道滤波模型,得出了有益的结论,即采用星载加速度计测量卫星非保守力可提高卫星定轨精度,在ITRF2000参考系下三轴精度优于18cm。这种方法不需要在全球建立基准观测站,定轨设备简单,费用低廉。

高精度星相机光学系统像质评价及实现

高精度星相机光学系统是实现高性能星相机的关键技术.从工程实际出发,梳理星相机光学系统像质评价的指标,重点论述星点质心位置指标分解、光学系统评价指标分解过程.分析认为星相机光学系统设计过程中需关注质心位置偏差和质心位置与理想像高的偏差、温度分析需兼顾均匀温升及梯度温度变化.给出一个继承于双高斯结构形式的设计实例,结合像差理论进行消热设计和畸变控制,分析不同温度条件下不同类别恒星的质心位置一致性.设计结果表明该光学系统可满足高精度星相机指标要求.

一种新的多三角形星图识别算法

针对星敏感器星图识别算法只能处理少数目恒星的问题,结合天文观测相机进行星图识别的具体要求,提出了一种适合天文观测相机的多三角形星图识别算法.首先,选用欧洲空间局2000年2月发布的第谷2天文星表作为原始导航星表;其次,采用交叠矩形法分天区后建立导航星数据库;最后,根据天文观测相机拍摄的实际星图建立了观测星数据库;并应用多三角形星图识别算法进行星图识别的验证,实验结果表明:针对天文观测相机多三角形星图识别算法是可行的,也是可靠的.

星相机高精度校时计时方法

设计一种星相机高精度校时计时方法,星相机通过调节自身设备时钟使其与卫星时标严格对准,并精确记录对准误差,以实现与卫星同步信号的时间同步精度优于1μs,解决传统只记时不校时的时间同步方法存在较大系统误差的问题。通过时间同步误差分析和测量对校时计时方法进行验证,结果表明:时间同步误差最大值为880ns,可保证2台星相机与卫星平台之间的高精度时间同步,对提高测绘定位精度具有应用价值。

相机与星敏组合体结构件常压热变形复合测量试验方法

针对某型号卫星相机与星敏组合体结构件的热变形试验需求,提出了一种常压热变形复合测量试验方法.在地面常压环境下,采用经纬仪、数字摄影测量相机、激光位移计共3种测量设备,通过搭建测控系统,设计试验工况,制造温度拉偏,精确复合测量试件在各种温度工况下的热变形情况,并进行相互验证,消除外部环境干扰等因素引起的试验件的位移,为验证热变形分析、改进设计提供支撑数据.试验按照试件温度状态分为4个工况、20个子工况,测量得到常压环境下相机、星敏间夹角最大变化量为200″.试验表明,该常压热变形复合测量试验方法完全满足卫星结构热变形的测量需求,探寻了相机与星敏间夹角变化与温度变化间的规律,试验数据与计算结果吻合,并为复杂几何形体的机械零件热变形测量提供了新的测试方法与手段.

EMCCD相机在全天时星敏感器中的设计与应用

近地面用全天时星敏感器用于大型飞机、临界空间飞行器等航空器的导航。近年来,随着星惯组合导航技术的快速发展,国外开始重视该项技术的研究。主要研究近地面用全天时星敏感器中基于EMCCD的星相机的设计与应用。分析了星相机的全天时探测的原理,提出采用高灵敏度EMCCD成像技术解决白天强背景下的探测问题。在原理研究的基础上,完成了基于CCD201探测器的星相机及实时图像处理器的硬件设计和调试,采用硬件实时中值滤波的方法实现全天时星图的预处理。设计的星相机系统信噪比可达50dB左右。通过进行白天观星实验获得恒星图像,并成功进行了目标提取。实验说明所设计的EMCCD相机具备白天恒星探测能力。

借助于星点标定相机的内方位元素

为满足单个或一批次测绘相机的标定,提出了一种利用已知坐标值的星点对测绘相机进行标定的方法。介绍了该方法的原理以及计算步骤,给出了实验过程。该方法建立在小孔成像的基础上,通过各个坐标系的相互转换,建立起星点坐标和像素坐标之间的联系,以此求解相机内方位元素。与基于平行光管和精密转台的精密测角法相比,该方法不需要昂贵的实验设备,且简化了标定步骤。最后,对标定精度进行了分析,讨论了噪声扰动和已知内方位元素误差对标定结果的影响。分析结果表明,采用该标定方法,相机的主点精度优于3μm(1/3pixel),主距精度优于7μm(小于1pix-el),满足标定精度要求。

利用星载加速度计及星敏感器进行卫星定轨的新方法

介绍一种卫星自主定轨的新方法：采用组合星载加速度计和星敏感器的方法测量卫星非保守力进行星上自主定轨。介绍了该方法用于卫星定轨的原理：该方法利用星载加速度计测量载体坐标系下表示的卫星非保守力，然后利用星敏感器测量的姿态数据进行坐标转换，最后利用数值积分方法进行轨道确定。利用实际卫星飞行数据进行了验证。结果表明该方法用于卫星自主定轨是可行的，而且可以不依赖任何外部系统实现较高精度的星上自主定轨。该方法与传统的纯动力学法比较，计算简单，定轨精度高，定轨结果稳定，克服了传统定轨方法随时间发散的缺点。

星敏感器和遥感相机主光轴交联角的在轨检校

为了提高遥感影像产品的定位精度,研究了星敏感器主光轴和遥感相机主光轴交联角的在轨检校方法。利用高分辨率卫星遥感影像的严格成像模型,将改进的非直接求解模型引入到遥感相机安装误差的标定中,提出一种对遥感相机内外方位元素进行统一检校的方法,实现了星上姿态确定系统和遥感相机之间系统误差的精确补偿。对来自遥感卫星的整轨遥感图像进行处理,利用最优化模型确定遥感相机和星敏感器姿态关系矩阵,进而检校出交联角。最后,利用单像对地目标定位原理,对检校精度进行了验证。实验结果表明,校正后地面点经纬度方向平面位置RMS误差分别为9.31m和9.28m,显示通过内外方位元素统一检校,遥感图像的定位精度得到显著提高。

传输型立体测绘卫星定位误差分析与评估

分析了影响传输型立体测绘卫星影像定位精度的误差源,建立了星地误差仿真与评估模型,进行了星地链路误差仿真计算。实践表明:利用星地全链路误差仿真与评估数学模型可以实现星地误差链路的定量分析,为卫星系统指标论证和研制提供技术支撑。

基于UKF的恒星相机高精度姿态确定方法

为进一步提升姿态确定的精度和稳定性,首先分析了恒星相机和陀螺联合定姿的基本原理,然后选用误差四元数作为状态变量,推导了基于无迹卡尔曼滤波的恒星相机和陀螺联合定姿的算法.针对恒星相机、陀螺敏感器精度要求高的特点,仿真了多种精度的恒星相机数据和陀螺数据进行无迹卡尔曼滤波定姿试验,并与扩展卡尔曼滤波定姿试验结果进行了比较.试验表明无迹卡尔曼滤波定姿方法有效可靠、适用性强,可以有效提高恒星相机的姿态确定精度,三轴精度较扩展卡尔曼滤波算法提高约10%到20%.

测绘相机立方镜与星敏立方镜转换矩阵的标定

传输型立体测绘卫星利用测绘相机进行摄影测量时,需要确定测绘相机在惯性坐标系中的姿态。确定姿态时,首先由星敏感器测量得到星敏测量坐标系在惯性坐标系中的姿态,然后通过星敏测量坐标系与星敏立方镜的转换矩阵、星敏立方镜与测绘相机立方镜的转换矩阵,得到测绘相机测量坐标系在惯性坐标系中的姿态。文中介绍了各坐标系的定义,根据星敏立方镜与测绘相机立方镜坐标系的关系,利用4台经纬仪测量系统分别建立星敏立方镜和测绘相机立方镜的坐标系以及2坐标系间的转换矩阵,介绍了2个立方镜坐标系的标定方法,多次测量结果表明,最大标定误差为1.011 6",优于2"(1σ),满足立体测绘精度的要求。

中国无地面控制点摄影测量卫星追述(一)——返回式摄影测量卫星

以无地面控制点条件下的摄影测量为背景,回顾了中国第一代、第二代返回式摄影测量卫星的研制历程,给出了相机的主要技术参数,介绍了研制的技术难点。从地形图制作精度的角度评价了中国第一代、第二代返回式摄影测量卫星的技术水平,给出了制作的立体影像图和等高线图。最后,与美国、俄罗斯(前苏联)、欧空局同类型的返回式卫星进行了比较。

国外红外天文望远镜发展现状

介绍美国、欧洲、日本典型的红外巡天计划及其红外天文望远镜,包括携带的仪器设备、工作状态和望远镜的光学结构特性。分析了红外探测器件的性能以及红外巡天计划生成的星表数据。展望了国外红外天文望远镜的发展趋势。