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。

振动模糊星图仿真技术研究

分析了飞行器振动对星敏感器成像的影响,推导并建立该影响下星图模糊的数学模型。该模型首次通过角振动功率谱密度数据定量地模拟星点的随机振动轨迹,并在此基础上做出振动对星敏感器成像的影响分析。仿真结果表明,该方法可以较真实地模拟星图振动模糊效果。星点质心提取精度与角振动功率谱幅值在对数域上线性相关。

天文定姿中星图仿真研究

为测试和评估星敏感器性能,提出一种航天器上星敏感器成像的仿真方法。建立基于航天器平台的恒星视位置计算模型,利用星点模型在天球上绘制出全天星图,通过星敏成像原理完成任意姿态下的视场转换。使用OpenGL的透视投影功能自动成像可见星,省略导航星搜索环节,提高仿真效率。仿真使用的视位置计算模型更精确,星点模型弥散效果更好,提高了星点亚像元细分定位的精度。仿真结果表明,星点定位标准差在0.023像素以内,在32°视场内,星间角距误差较低,仿真效果逼近真实星空。

实时等角距星图仿真技术

本文提出并研究了实时等角距星图仿真的方法,推导了相关公式,改进了圆视场搜索法应用于星图视场选星;编写了相应的实时等角距星图仿真程序,实现了任意时刻、任意观测地点的动态星图显示;并通过对实测数据的分析,给出了实时等角距星图的显示精度。

利用仿真星图的星敏感器地面功能测试方法

介绍了一种基于仿真星图的星敏感器地面功能测试方法。该方法对卫星(飞行器)运动轨道和姿态参数及星敏感器的姿态参数进行仿真计算、模拟生成星敏感器在轨状态下的仿真星图。星敏感器以此仿真星图作为测试信号源,通过对仿真星图的处理,实现对星点定位、星图识别、姿态计算等功能的全面测试。为简化电路设计,该方法选用星敏感器现有接口作为通讯接口。为满足功能测试的实时性需求,采取局部更新的手段来减少星图传输数据量。实验表明,该方法能对星敏感器电子部件的功能进行有效验证,在使用RS232接口、波特率设置为115200bps的情况下,可以实现20Hz数据更新率的测试。该方法实现简单、通用性强且不依赖其他外部设备,可以满足航天环境试验和整星联调阶段的功能测试任务要求。

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。

基于ITSI优选算法的星敏感器导航星库建立

为了有效提高星敏感器星图识别性能,基于ITSI导航星优选算法,合理地进行了导航星库的构建。该优选算法是在传统的导航星优选算法基础上进行的改进,通过区域分割和星密集度计算来实现优选导航星。同时,基于SAO星表,本文建立了一个星图仿真器的软件平台,可以按照实际需求输出全天球范围内不同光轴指向、视场角、轨道位置、像元敏感度等约束条件下的观测星图。在此星图的基础上,运用上述导航星优选算法,建立导航星星库。经均匀性评价准则验证,本文提出的导航星优选算法可以更好地实现导航星的均匀分布,降低星冗余度。最终基于此算法建立导航星库,可以有效降低星图匹配复杂性,提高星图匹配速率和识别成功率。

地面星模拟器设计与实现

为了满足在地面对星敏感器进行误差标定及功能测试时的实时性要求,及避免因导航星漏选现象引起的检测误差,提出了一种改进的全天球分区动态星图仿真算法。它可以实现飞行器任意时刻发射、任意姿态下的在轨星图仿真。算法中充分考虑了天球上赤经弧长随纬度增加而逐渐缩短的情况,对传统的赤经赤纬划分天球的方法进行了改进,提出了一种新的天区划分,采用新的分区检索方法搜索导航星,既避免了导航星的漏选也提高了星图更新频率。分析了星点光斑的数学模型,使得星图仿真更加真实。对星图因动态产生的扫尾现象进行了仿真,可以很好地仿真飞行器在轨高动态情况下星敏感器的实际工作情况。