三视场天文导航视场间星图识别的导航星选取

研究了三视场天文导航视场间导航星的选取方法,以提高其视场间星图识别的效率,减小识别特征数据库规模。根据三视场天文导航星图识别的特点,分析了导航视场间导航星数目对视场间三角形星图识别的影响。考虑视场间三角形星图识别的需求,给出了任意视场至少包含1颗导航星和亮星优先选取的视场间导航星选取准则。然后,遵从上述准则提出了一种基于星等优先的一阶自组织导航星选取算法。利用提出的算法制备了视场间导航星星库,并对该导航星星库的性能进行了仿真分析和外场实验。实验结果表明:使用该算法制备的导航星星库规模较星等阈值过滤方法制备的星库规模降低了53.91%,且库中导航星分布均匀,符合视场间导航星的要求。

红外双色三视场光学系统设计

从分析红外材料在双波段上的色散特性出发，设计了一款共光路红外中、长波三视场光学系统。系统采用二次成像方式，满足100%冷光阑效率，在两个波段内同时完成了系统各视场的像差校正。设计结果表明，系统在4～5μm中波红外波段及8～9μm长波红外波段焦距、视场及F数均保持一致，各视场光学传递函数在20 lp/mm时均接近衍射极限。

基于最小损失函数的三视场天文定位定向

建立了三视场天文定位定向系统,以实现高精度的天文定位定向。阐述了天文定位定向的概念,介绍了三视场天文定位定向系统的工作原理。提出一种基于最小损失函数的天文定位定向算法,该算方法能够同时解算地理位置和载体的方位角信息。根据三视场系统与传统单视场系统的结构特点,从理论上分析了三视场系统的天文定位定向性能及优势。最后,就载体平台倾角测量误差和星敏感器单星测量误差对定位定向的影响进行了仿真分析并基于原理样机进行了外场实验。实验结果表明:该系统的定位精度为151.624 0m,定向精度为4.630 4″,且定位定向结果稳定。得到的结果基本满足高精度天文定位定向的要求。

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。

中波红外三视场变焦光学系统设计

三视场变焦光学系统相对于其他形式的变焦系统具有机械结构简单、可靠性高、变焦时间短等优点。采用320＆#215;240分辨率、像元尺寸30μm＆#215;30μm制冷型探测器，二次成像方式设计了一种工作于3～5μm中波制冷型三视场红外光学系统，系统视场角1.4＆#176;～23.8＆#176;，F数为4，可实现焦距为30mm/100mm/500mm。设计中采用了硅和锗两种材料校正谱段内色差，采用了一个非球面校正系统球差，两个反射镜折转光路的方式实现系统轴向尺寸的缩减，整个系统外形尺寸小于210 mm ＆#215;160 mm ＆#215;120 mm，系统具有外形尺寸小、变焦结构简单、成像质量高等特点，在空间频率17 lp/mm处，系统调制传递函数（MTF）均在0.5以上，能量集中度大于70%。

三视场定位定向设备的视场确定

为了提高三视场定位定向设备可靠性,建立三视场系统功能的基本约束条件测试模型,以模型为依据对可见光波段的视场进行优化分析。首先,分析了设备正常完成工作时采用组合星图识别和简单星图识别所需的必要条件,并建立这两种识别方式关于视场大小的概率分布模型。从原理和实验数据两个方面说明了三视场结构识别三角形概率分布不能通过单视场的概率分布简单推导获取的原因。接着,给出用蒙特卡洛法求取此概率分布和视场最优值的方法。然后,通过仿真分析得出了两种识别方法关于视场大小的概率分布,在分析两种识别方法仿真数据的基础上,取识别概率为1时视场大小为其优化值。实验结果表明:以组合星图识别为工作基础的三视场定位定向设备有更好的可靠性,优化的视场大小为4.225°×3.168 75°。它满足三视场定位定向设备识别条件可靠性要求。

基于最小损失函数法进行三视场天文定位定向的误差分析

研究了基于最小损失函数法的三视场定位定向中各个误差源对定位定向准确度的影响.给出了基于最小损失函数进行三视场天文定位定向的数学模型,结合模型归纳了定位定向的误差源及其特性,分析了误差源对定位定向信息对的影响.最后,建立了定位定向误差仿真模型,并利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析.仿真结果表明系统的定位准确度为88.1m,定向准确度为3.0″.分析指出定位定向主要的误差源是水平测量误差,其次是垂线偏差数据误差.野外实验表明,该系统的定位准确度为163.0m,定向准确度为3.5″,水平测倾角的误差对定位定向结果的影响较大.

三视场星敏感器的多级星图识别算法

为解决现有三视场星图识别算法效率慢、识别正确率低的问题,提出了一种面向三视场星敏感器的多级星图识别算法:第一阶段利用单一可调参数的广义回归神经网络分别识别三幅单视场星图;第二阶段利用星库中存储的星间角距信息检验导航星识别结果,再以正确识别的导航星信息计算星敏感器的3个视轴指向;第三阶段利用视轴指向辅助未识别与识别错误的导航星完成识别与校正;最终,以三视场内正确识别的导航星精确估计飞行器姿态信息。仿真结果表明,当星点质心定位误差的标准差达到0.07像素时,该星图识别算法对实验样本的识别正确率仍高达98.9%,而识别时间仅为8.4645ms。同时,由于提供求解姿态的星点信息较多且分布更广泛,飞行器的三轴姿态估计精度也随之提高。三视场星敏感器估计的飞行器偏航、俯仰、和滚转轴姿态精度分别为1.2058″,1.0867″以及1.2018″。

切换式红外三视场光机组件的设计

针对切换式红外三视场光学系统的需求提出了一种新型的机械传动设计方案,采用直流微电机配合直齿轮-锥齿轮以及凸轮运动的方式实现三视场的切换功能,具有结构简单、切换快速、可靠性和定位精度高等特点。

分孔径三视场中波红外光学系统

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾,设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术,包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道,两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成,小视场光学通道采用二次成像,仅采用6片透镜,透过率高;中视场/大视场光学通道采用三次成像;小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组,实现了共出瞳分入瞳——分孔径;小视场长焦距为1 120mm,大视场短焦距为22.58mm,变倍比达到53×;对小视场光学通道进行了三次立体折叠,对中/大视场光学通道进行了一次折叠,有效地对横向和纵向尺寸进行了控制,外形包络在270mm×217mm×258mm范围内,系统紧凑,实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。

中波红外光学补偿三视场光学系统

针对320×240元致冷型凝视焦平面阵列探测器,设计了一种中波红外光学补偿三视场光学系统。该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成,包括8块透镜(引入3个高次非球面,其余均为球面),并采用两个反射镜折叠光路.利用光学补偿变焦原理和光学设计软件给出了系统的光学外形结构图,并对其像质和工艺性进行了分析.该系统可以通过对一组透镜的轴向定点移动实现20°×15°、3.5°×2.6°和1.3°×1°三个视场的切换,系统变倍比为1:15。各视场在16 lp/mm空间频率处的光学传递函数(MTF)值均大于0.5,弥散斑直径的均方根(RMS)值均小于20μm.工作波段为3.7～4.8μm,满足100%冷光阑效率.该系统结构紧凑,工艺性好,成像质量高.

面阵三视场微型静态红外地球敏感器设计与应用

红外地球敏感器作为检测地球矢量方位角的一种光学敏感器,是卫星实现姿态测量和控制的重要仪器.针对低轨道卫星(300~1600 km)应用需求,设计了一种面阵三视场静态红外地球敏感器,使用3个面阵红外探测器实现对三段地球红外辐射圈的位置测量,采用单片机80C32+FPGA的低成本、低功耗、小型化的设计方案,通过计算地球边缘的空间向量获得地心矢量.实验结果表明,姿态角随机误差标准差小于0.06°.

三视场星敏感器系统结构布局的优化

研究了三视场星敏感器的相关坐标系及旋转关系,讨论并给出计算视场内导航星数目的方法,指出优化三视场星敏感器结构布局的依据和途径。通过蒙特卡罗仿真,统计导航星捕获概率,给出了结构布局优化结果。从姿态测量精度、导航星捕获概率、光学系统设计难度方面折中考虑,选择极限星等、视场角和光学系统光轴仰角的最佳参数分别为5.0等、11°×11°和40°,此时捕获4颗以上导航星的概率达到99.43%。

三视场红外地球敏感器导航算法分析及研究

红外地球敏感器广泛运用于空间飞行器，尤其是在地球轨道附近。目前最新的静态地球敏感器使用焦平面探测器来覆盖整个地球红外辐射圆。若面向飞行在70—100km处的临近空间飞行器，地球敏感器就需要有很大的视场（〉120°）且相对分辨率很低。针对临近空间飞行器的天文导航运用，采用线阵CCD作为探测器，设计了一个三视场红外地球敏感器。地球敏感器的3个视场按照二维角度均匀分布以确保每个光学头能够均匀地指向地球红外辐射圆上。每个CCD覆盖20°以便能够精确地分辨地球辐射和空间的边界点。综合考虑地球辐射模型和地球扁率等因素，利用地球敏感器观测的向量可以获得地球水平、地心矢量和飞行高度。以70—100km飞行高度为示例，建立相应的数学模型，同时提出了相应的姿态和高度确定算法并进行了仿真。综合上述分析，研制了一套三视场地球敏感器原理样机并进行相关测试。仿真和实验结果表明：高度测量精度优于200m，姿态测量精度优于0．002°。

高稳定性三视场电视探测系统

为了满足光电搜索跟踪瞄准装置电视探测系统对光轴稳定性和一致性的要求,对一种采用旋转式切换机构的三视场电视探测系统进行了研究。通过对系统指标的分析,选定了切入切出式视场切换的光学系统方案,明确了采用旋转式切换机构的结构形式。基于该思路设计了精密旋转轴系、强力钕磁铁以及高弹力的柱塞限位机构和具有自锁特点的蜗轮蜗杆驱动机构,给出了限位机构和驱动机构的选型计算过程和结果。提出了利用经纬仪配合十字分划板工装的光轴一致性装调方法。通过该设计和装调流程,最终实现了高稳定性的三视场电视探测系统。测试结果表明,系统中视场光轴稳定性不超过8″,三个视场的光轴一致性均在1个像元尺寸内,满足指标要求。实验室和外景试验效果表明,系统各个视场成像质量优良,探测距离远,可以满足使用要求。

三视场小口径星图的仿真

红外波段可探测到足够多用以导航的星体。受限于客观条件,白天无法获取大量的星空图像。为了加快三视场恒星检测、星点定位和星图识别等算法的开发及算法性能的全面测试,需要研究三视场全天时星图的仿真方法。研究并建立了三视场天空辐射模型、系统噪声模型和恒星成像模型,设计并运行了三视场星图的生成软件。结果对加快算法的开发及算法性能的全面测试具有重要意义。

一种三视场热像仪变倍装置的设计

针对切换式红外三视场光学系统的需求,设计了一种采用直流微电机驱动并配合齿轮传动,使两组光学镜组绕同一旋转轴旋转切入和切出光路,同时设计限位、定位装置,实现热像仪三个视场切换的变倍装置。通过测试表明,该变倍装置具有:切换时间小于1秒,光轴一致性小于1个像素,且工作稳定,机构紧凑、可重复性强等特点。

全天时多视场星图仿真的设计与实现

为了对大气层内全天时短波红外三视场天文导航系统的软件开发及功能和性能测试,提出了一种全天时三视场星图仿真算法。该算法为本天文导航系统提供任一时刻、任一指向下的仿真星图。短波红外2MASS星表数据量巨大,为此,采取了分区检索视场恒星的方法。为了使仿真星图更接近真实情况,研究并分析三视场天空背景辐射及三视场恒星——背景对比度;建立了星点成像模型和系统噪声模型。充分考虑了同一时刻、不同视场间背景辐射的变化情况,采用蒙特卡罗方法随机产生平台姿态,以便更好的测试恒星检测与识别算法的鲁棒性。

对WZX－I型光学度盘旋光仪三分视场及零度视场形成过程的研究

从物理学，数学的角度，从理论上探讨了ＷＺＸ－Ｉ型光学度盘旋光仪三分视场及零度视场的形成过程，旨在促进旋光度测定的实验教学工作。

用空间解析几何法进行天文定位定向的误差分析

为了确定三视场定位定向设备各个误差源对定位定向误差的影响,建立了定位定向的误差分析模型。首先,给出了三视场导航设备采用空间解析几何法进行定位定向的原理。其次,指出影响定位定向的各个误差源,归纳分析了误差源的特性、概率分布以及误差源对定位定向信息对的影响。然后,利用定位定向原理建立起定位定向误差分析模型。最后,利用蒙特卡罗法进行误差仿真分析。仿真结果表明系统的定位均值误差为121.0 m;定向均值误差为7.4″,并指出定位定向主要的误差源是水平测量误差,其次是垂线偏差数据的误差。野外实验表明,该系统的定位均值误差为182.12 m;定向均值误差为9.3″,水平测倾角的误差对定位定向结果的影响最大。