红外星图预处理及星点定位精度分析

红外星图是白天观星获取的原始数据,图中含有单点噪声和条纹噪声等多种噪声,严重影响了后续的星点提取和质心定位。针对外场观星获取的红外星图,进行了星图预处理,并分析了星点定位精度。提出了单点噪声的检测与补偿算法和条纹噪声的列均值偏移校正(CMOC)算法,还采用Wiener2和Top-hat组合滤波方法对星图进行进一步滤波去噪,最后使用在观测星图中加入理想模拟星点的方法计算了星点定位精度。实验结果表明,预处理算法有效抑制了红外星图中的各种噪声,星点目标峰值信噪比最多由4.7提高到了31.3,模拟的2等星的星点定位标准偏差量级为1/30 pixel水平,满足工程应用的精度要求。

精细导星仪星点定位系统误差的高精度补偿方法

针对精细导星仪(Fine Guidance Sensor,FGS)姿态测量精度受星点提取系统误差影响的问题,提出了一种基于梯度提升决策树(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)拟合法的高精度星点定位系统误差补偿方法。为了解决拟合样本少、输入特征差别大等问题,采用对输入范围不敏感、易于训练的决策树作为基模型,并根据当前模型拟合残差梯度,结合集成学习中的提升方法生成新的基模型得到系统误差与探测器填充率、采样窗口尺寸、星斑束腰半径以及星点质心坐标计算值之间的函数关系,以此函数关系为基础对星点质心坐标估计值进行系统误差校正。实验结果表明:与支持向量回归机(Support Vector Regression,SVR)相比,基于GBDT的高精度星点定位算法的误差减小了60.6%,经该算法补偿后的质心误差为0.0145 pixel,相比于质心法误差减小了61.5%。

基于多图超分辨率重建的精细导星仪星点质心定位精度提升方法

精细导星仪的星点质心定位精度决定了空间天文望远镜的视轴姿态解算精度,为了提升精细导星仪的星点质心定位精度,提出了一种基于深度小波循环神经网络的星图超分辨率重建方法。首先,借助微扫描技术获取亚像素错位低分辨率星图序列,采用小波编码器提取低分辨率星图的小波域特征,通过小波系数约束低分辨率星图的噪声,并将亚像素错位星图序列配准过程融入到网络学习中。其次,利用卷积门循环神经单元对所提取的多星图序列特征进行融合。最后,使用逆小波解码器对多特征融合模块输出的小波域特征进行解码,从而实现基于低分辨率星图序列的去噪与超分辨率重建。实验结果表明,分别采用平方加权质心法求取原始星图和超分辨率重建后星图中的各星点的质心位置,相比于前者,后者的各星点平均质心定位精度和稳定度在X方向分别提升了64.76%和19.15%,在Y方向分别提升了75.35%和26.14%。

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。

自适应加权质心算法在高精度星点定位中的应用

为实现空间飞行器在高目标星等、像移和光学系统像差等因素影响下的高精度星点定位,提出了一种自适应加权质心细分定位算法。基于最大似然估计推导、建立数学模型并进行仿真实验。结果表明,与质心法、加权质心法及高斯拟合法等传统星点定位算法相比,提出的算法定位精度提高了50%以上,且具有良好的收敛速度,经过5次迭代后,质心定位误差相对较稳定,可以满足实际应用中对实时性的要求。

基于非下采样Contourlet变换和映射最小二乘支持向量机的高精度星点定位方法

为解决巡天相机稳像控制精跟踪级系统高精度的光闭环问题,提出一种基于非下采样Contourlet变换(NSCT)去噪预处理和映射最小二乘支持向量机(MLSSVM)回归校正的星点定位方法。针对星图特点,采用自适应的基于NSCT的去噪方法来减小随机误差。从频域角度分析平方质心法系统误差产生的机理,得到其近似解析表达式;利用蒙特卡罗数值仿真的方法,用带有高斯径向基函数(RBF)核的映射MISSVM进行回归分析,得到星点质心的理想位置和系统误差的非线性函数关系,并用它进行系统误差的校正。仿真实验结果表明,提出的方法抗噪能力更强,星点定位精度提高1～2个数量级,具有更为优越的星点定位性能。

星敏感器星点定位系统误差补偿

通过星点定位系统误差频域分析,寻找不同的点扩展函数下星点定位系统误差分布理论表达式形式上的共性。根据光学系统不同视场(FOV)的点扩展函数数据,运用蒙特卡罗法对星点定位系统误差分布进行了仿真,仿真结果与与频域分析结果相符。在实验中测量了弥散斑尺寸为5 pixel×5 pixel的星点目标的星点定位系统误差,采用误差补偿方程组对星点定位系统误差进行了补偿。补偿后中心视场星点定位精度提高了66.56%,边缘视场星点定位精度提高了57.21%,而传统正弦曲线拟合补偿方法仅使定位精度提高35.7%,提出的误差补偿方法效果总体上优于传统正弦拟合补偿方法。

Kalman滤波算法在高精度星点定位中的应用

空间巡天相机稳像系统的控制精度要求高,对导航星传感器提出了更高的要求。为提高导航星传感器的精度和带宽,提出了一种采用预测开窗和Kalman滤波相结合的星点定位方法。利用陀螺测量的三轴角速度信息,推导建立星点粗位置预测方程,得到星点的粗位置,在CMOS探测器上以预测点为中心的较小邻域范围内开窗,可提高运算速度。利用Kalman滤波算法对星点位置进行校正,最终得到高精度的星点位置。仿真实验结果表明,相比于传统的质心法,平均每帧图像处理时间从59ms减少到27ms,定位结果的标准差从0.1pixel减小到0.04pixel。提出的方法是一条提高星点定位运算速度和精度的有效途径,可为我国巡天相机导航星系统的研制提供一定参考。

适用于嵌入式星敏感器的导航星定位算法研究

介绍了星敏感器的基本工作原理,分析了恒星能量在星图的分布特点,结合星图的特点提出了嵌入式星敏感器导航星点识别定位方法。按照处理顺序,阐述了导航星阈值确定、连通性分析和内插细分等其中各步骤算法。并用星敏感器通过导航星角距标定新方法对该方法进行了定位精度检测,取得了较为满意的结果。

基于二值化差分的CCD星图快速定位方法

大视场星敏感器的发展以及光电望远镜观测模式的改进,对CCD星图图像处理速度提出了更高的要求。文章给出了交叉投影星点快速定位算法的一种改进方法,根据其投影原理对投影值进行二值化后,运用差分方法对星图目标进行边界提取,并结合质心定位算法实现对星图目标的快速定位。仿真实验结果表明,同交叉投影算法相比本方法具有更快的处理速度。

环境温度对星敏感器测量精度的影响

环境温度对星敏感器测量精度有一定影响。运用光机结合方法,研究环境温度对星敏感器测量精度的影响。在计算典型星敏感器光学系统热效应引起的结构参数变化的基础上,分析了星敏感器星点定位误差。计算结果表明:在视场角0°附近,环境温度变化对星点定位精度影响较小;通过材料匹配,减小系统温度焦移系数,可以减小环境温度变化引起的星点定位误差。热补偿设计后,在环境温度-20～60℃范围内,星敏感器最大测量误差仅为0.02″,约为原系统的1/7。

一种快速的星敏感器星跟踪方法研究

阐述了星敏感器中星跟踪方法的重要性,指出了目前国内外星跟踪方法的不足。针对这些不足,提出了一种全新的、快速的星跟踪方法。新的跟踪方法采用现场可编程门阵列(FPGA)实现了实时的星点定位;正是由于这种技术的采用,加快了星点位置信息的获取,摈弃了跟踪窗的跟踪方法,采用简单的匹配识别的跟踪方法;对于新星的识别,由于有初始姿态而采用匹配组的识别方法。最后给出了星跟踪过程的实验结果。

热-光效应对星敏感器测量准确度的影响

运用"热-结构-光"耦合分析方法,计算典型星敏感器光学系统(6透镜光具组,f=56mm,相对孔径1/1.3)恒星像斑理想质心位移和亚像元内插质心偏移量,研究温度分布对星敏感器测量准确度的影响.以20℃为光学系统标定温度,计算光学系统均匀温度分布、轴向温差分布和上下侧温差分布三种条件下,星敏感器测量误差.均匀分布温度变化20℃时,星敏感器测量误差约0.07″;轴向温差10℃和20℃时,测量误差分别约为0.17″和0.31″;上下侧温差仅2℃时,测量误差就高达1.46″.计算结果表明,上下侧温差分布对星敏感器准确度影响最大,均匀温度分布影响最小.

内嵌ARM核的FPGA技术在星敏感器中的应用

介绍了内嵌先进精简指令集处理器ARM (AdvancedRISCMachine)核的现场可编程门阵列FPGA (FieldProgrammableGateArrays)芯片EPXA10的内部结构及特点 .基于这种嵌入式技术 ,进行了互补金属氧化物半导体CMOS (Comple mentaryMetal Oxide SemiconductorTransistor)星敏感器图像驱动与实时星点定位算法的研究 ,并给出具体实现 ,包括用EPXA10的FPGA部分实现了CMOS图像传感器的驱动和对星图的预处理 -阈值分割 ,用EPXA10的ARM部分完成了星图的星点定位算法———改进的 4连通域成分贯序算法 ,基于VC + +语言实现了串口通讯程序以及图像显示程序 .最后给出了成功驱动CMOS图像传感器得到的清晰图像及星点定位结果 ,并将基于ARM得到的定位结果与基于PC机 (PersonalComputer)得到的定位结果进行了比较 ,结果完全正确 .采用内嵌ARM核的FPGA提高了整个系统的处理速度 ,减小了硬件电路设计的复杂性。

一种多帧相关滤波的星敏感器像素非均匀性误差校正方法

为了进一步提升星敏感器的星点定位精度,分析星敏感器的像素误差来源和形成机理,提出一种多帧相关滤波的像素非均匀性误差校正方法.根据星图中星点的位置确定质心定位域和局部校正域,利用当前帧星图信息和前一帧的局部校正域信息预测当前帧的校正域,满足校正条件后采用差分法校正质心定位域.实验结果表明,本文方法能够较好地预测星图的非均匀性噪声,提升星点定位精度,具有较好的鲁棒性.

背景预测与目标标记法结合的星图星点提取算法

姿态测量设备通常是以恒星作为观测基准的高精度姿态测量敏感器。针对高精度星点提取可以保证姿态解算精度及有效性的提高问题,该文针对星图影像特点,融合背景预测的思想,结合数学形态学目标标记的策略,提出了一种高精度星点提取算法。模拟和实际星图影像提取试验表明,该方法克服了传统阈值法的阈值设定困难,易受噪声影响的缺点,星点可实现高精度正确提取,算法稳定可靠、适用性强,具有工程实用价值。

甚高精度星敏感器的点扩散函数检测技术

为了研制精确的星点定位误差补偿算法,得到星像轮廓面的形貌信息,研究了检测星敏感器点扩散函数(PSF)的方法。在高精度测量平台上进行光电采样,获取星像像素灰度值分布,根据扩展Nijboer-Zernike理论进行PSF拟合重建。噪声仿真实验证明,该算法能够在星像信噪比较低的情况下准确地得到Zernike系数,从而快速地重建甚高精度星敏感器的空域PSF。基本满足自动检测甚高精度星敏感器星像轮廓面的要求。

复杂动态环境下精细导星仪拖尾星斑复原方法

为提高动态环境下精细导星仪的质心定位精度,提出一种两步复原方法来解决因载体角运动和小幅度随机振动引起的星斑拖尾问题。根据模糊星斑两次快速傅里叶变换检测出的模糊核函数,采用约束最小二乘方滤波消除由载体角运动带来的星斑长拖尾。针对残余的载体小幅度随机振动导致的星斑模糊,将清晰星斑梯度分布先验作为正则约束对星斑粗复原结果进行迭代盲复原,并引入半二次优化算法求解非凸代价函数来提高迭代收敛速度。实验结果表明,在角速度为4000μrad/s的动态环境下,复原后的星斑已接近于高斯分布,峰值信噪比相比逆滤波复原方法及R-L复原方法分别提高了61.9%、32.9%,质心定位误差分别减小了59.9%、43.4%。